合同能源管理在中央空调节能改造中的应用分析

梁晓英，袁 磊

（1.临沂科技职业学院 智能制造系，山东 临沂 276000；2.临沂市罗庄区发展和改革局，山东 临沂 276000）

随着我国经济的快速发展，能源短缺的问题日益突显，节约能源意义深远，其已经成为我国的一项国家战略。我国的建筑领域能耗高，建筑节能是当前节能的重点领域之一。而中央空调作为现代大型建筑必备的配套设施，其能耗占建筑总能耗的40%～60%，所以中央空调节能是建筑实现节能的主攻方向。我国现有中央空调能效水平与发达国家仍存在较大差距，中央空调具有巨大的节能潜力，但因节能改造费用高昂、施工难度较大等原因，致使中央空调的节能改造工程长期难以推行，而合同能源管理模式的出现，不仅解决了用能单位的融资难、费用高的问题，而且用户在合同结束后享有节能设备和先进技术。合同能源管理是上个世纪70 年代中期以后在国外逐渐发展起来的，经过不断地发展和完善，这一机制在西方发达国家逐步得到推广和应用，同时近年合同能源管理在中国的运营实践表明，基于市场的合同能源管理机制同样适合中国国情。

1 中央空调能耗现状

中央空调是现代大型建筑必不可少的设施，空调系统中制冷机组的压缩机、冷冻水泵、冷却水泵、空气处理机组风机、冷却塔风机和末端设备的风机是整个中央空调中的动力来源，同时也是系统能源消耗的根源所在，从能耗占比来看，制冷主机最大，空气处理机组风机和空调末端设备风机次之，水泵占比较少。同时，由于在设计、运行和管理过程中存在一些不合理因素，造成了这些设备巨大的能源浪费，增加了运行成本。

1.1 “大马拉小车”

在现有的空调系统中，绝大部分的空调制冷机组存在“大马拉小车”的现象，这主要由于设计人员在计算空调冷热负荷时，一方面是按照冷负荷指标方法估算得来的，而不是按照逐时负荷计算所得；另一方面冷负荷指标本身就是经验值，与实际建筑冷热负荷存在误差；再者，为了防止极端天气出现，设计人员还会在估算出的冷热负荷基础上再加上一定的安全系数，势必会在选型时增大设备的容量，造成设备在运行过程中长期处于低负荷低效率的运行工况，存在严重的能源浪费。

1.2 “大流量小温差”

目前，在中央空调系统运行过程中普遍存在“大流量小温差”的现象，冷冻水供回水温差仅有2℃～3℃，甚至更低，远低于5℃的设计温差。这主要是由于水泵选型不当和维保人员管理不善造成的[1]。水泵选型过大，水泵流量越大，在主机冷负荷确定的情况下，供回水温差越小。根据功率与流量的关系可知，水泵流量越大，水泵所需的功率越大，造成不必要的能量浪费。同时，在部分负荷下，仅对水泵台数控制而不对管路阻力进行调节也会导致水泵过载，使水泵流量增加，功率增大，造成能源浪费。

1.3 余热浪费

公共场所多采用混合式空调系统，新风与一部分回风混合后经空气处理通过风管系统送入空调房间，还有一部分回风直接排出室外，这部分空气的温度比室外空气温度低很多，在排出的过程中，就会有大量的余热排出；同时，新风在送入空气处理机组之前，如果不进行预处理，将会消耗更多的冷量来抵消这部分热量，造成能源浪费。另外，对于一些制冷机组的冷凝热如果没有再利用而直接排至大气，也将造成能源的浪费。

1.4 设备腐蚀与结垢

空调系统能耗高的另外一个重要原因就是水侧结垢与管材腐蚀。一方面，就开式冷冻水系统而言，喷水室在对空气进行热湿处理过程中，使冷冻水系统中夹杂了空气中的氧气、细菌及其他有害物质，经过长期的运行，就会导致制冷机组蒸发器侧管路、冷冻水输送管道被腐蚀及其内壁结垢；另一方面，在水冷式制冷机组中，冷凝热被冷却水带走后通过冷却塔释放到大气中，冷却水在冷却塔中与空气进行热交换时，必然会将空气中的氧气、细菌等物质带入到冷却水系统，也会腐蚀冷却水输送管道，并形成水垢。研究表明，每增加0.1mm 厚度的水垢将使空调主机制冷量降低14%左右[2]，从而大大影响换热器的传热效果，降低机组的运行效率，减少机组和管道的使用寿命。

2 中央空调节能改造方案

对于既有建筑的中央空调系统来说，上述的不合理因素都可以通过节能改造加以避免。中央空调改造过程中，可通过以下改造方案实施。

2.1 冷热源改造

首先，在计算冷负荷时采用计算机进行逐时冷负荷计算，再根据建筑特点选择合适的安全系数确定空调冷负荷，从而选择较为匹配的制冷主机。其次，对于常规的制冷机组，通过一大一小的制冷量配置机组，调整机组在节假日、夜晚时间仅有少部分制冷负荷情况下的运行台数或更换为小制冷量机组运行，避免出现“大马拉小车”的现象，减少运行费用。另外，对于大型建筑的空调系统改造，可充分利用峰谷电价差，进行冰蓄冷空调系统改造。冰蓄冷空调系统一方面可减少制冷主机容量，大大提高主机制冷效率，避免出现“大马拉小车”情况；另一方面，冰蓄冷空调可利用夜晚进行制冷，白天将冷量释放出来，对于少部分需要供冷的区域，仅需融冰供冷，减少运行制冷主机的时间，大大减少运行费用，节能效果明显。而对于夏季采用常规制冷机组和冬季采用锅炉或热网供热的系统，在有地表水、地下水或土壤源可利用的前提下，可利用地源热泵系统进行改造升级，这样改造后一套系统可满足夏季供冷、冬季供热的需求。如夏季水的温度是18℃～35℃，比空气温度低得多，可降低冷凝温度，提高制冷效率，冬季水的温度是12℃～22℃，提高系统的蒸发温度，提高制热效果。地源热泵系统与常规空调相比可节能25%以上，回收年限为5～8 年。

2.2 输送设备改造

可采用“大温差小流量”的改造方式，一般设计过程中冷冻水温度采用5℃的温差，在管路系统节能改造过程中可采用8℃的温差设计，从而减少管路中的流量，以及管路中水泵的能源消耗。

针对水泵在负荷降低时仍长期处于定流量运行造成能耗大的问题，可以通过对冷冻水泵、冷却水泵、风机进行变频节能改造，采用温差控制器监测进出口冷冻水和冷却水温度，并将温差信号反馈给变频器，控制水泵在部分负荷下通过改变转速来进行实时流量调节，实现按需供冷。在空调通风系统中，可采用高效节能的风机或变频控制的空气处理机组改造既有空调系统，或采用直流无刷风机盘管变风量控制方式，提高风机效率，减少风机运行能耗[3]。可降低空调总能耗的15%～35%，且投资小，回收期较短，只有1～2 年。

对于开放式冷却水系统，可取消冷却水池，将其改造为闭式冷却水系统，将管路直接与冷却水泵相连，水泵仅克服冷却水流动过程中的流动阻力，大大减少水泵的能耗。此外，在能保证空调系统正常运行的前提下，优化冷冻水和冷却水管路系统，尽可能地减少管路中阀门和过滤器的数量，从而降低了管路系统中的局部阻力，减少了水泵的能耗。

对于空调系统中的风管和水管，进行隔热保温措施的节能改造，防止冷量或热量发生损失，管路进行保温棉隔热后，可减少与周围环境的热量交换，降低能源消耗。

2.3 余热回收利用改造

对于排风直接排出，新风直接送入空气处理机组的空调系统，应设置热回收装置，使新风与排风进行热量交换，可大大减少处理新风的制冷量，从而减少制冷机组的容量；而对于传统的活塞式制冷机组或螺杆式制冷机组的改造，可增加余热回收系统，充分利用制冷机组冷凝热制取40℃～60℃生活热水，既可减缓对大气的热污染，又能利用空调余热实现节能目的，提高能源利用率。

2.4 维护保养改造

在对中央空调系统清洗保养时，需要定期对制冷机组冷凝器和蒸发器进行排污处理，以及对空气处理机组中的表冷器、风机盘管、室外冷却塔等换热设备进行清洗处理，从而提高设备换热效果，可大大提高制冷机组运行效率[4]。同时，可采用清洗管道机器人对水系统和风系统中的水管和风管定期进行污垢处理和管道清理，减少空气和水的阻力，提高风机和水泵的电耗，改善空气的品质。再者，可通过增加冷冻水软化装置和冷却水自动加药装置，改善冷冻水和冷却水水质，提高热交换热器的换热效果，减少对水泵或风机的输送损耗。

3 用户在进行中央空调节能改造时面临的难题

尽管现有中央空调普遍存在能耗过高的现象，急需节能改造，但是用户在进行改造时却仍面临着诸多的疑虑。首先，虽然企业的空调能耗巨大，存在节能潜力，但是具体有多大的节能潜力和改造空间，用户不得而知。其次，中央空调节能改造费用高，融资比较困难，使得用户不能立即拿出高额的资金用于空调节能改造，造成了即使空调能耗高也只是简单地进行一些维修保养。再次，中央空调节能改造风险高，即便用户投入了大笔资金，节能效果能否保证成了用户比较担忧的问题。最后，空调运行管理不能保证科学合理，用户自己的内部操作人员不懂得中央空调专业知识和相关自动控制知识，只是简单地开启运行，不懂得根据季节、时段和人流量等实际负荷进行调节，致使供冷量总是大于实际需求量，所以，即使对中央空调进行了节能改造，节能效果依然不甚理想。

4 合同能源管理机制

合同能源管理机制的出现，从根本上解决了用户的困惑。节能服务公司与用户签订节能服务合同，确定节能目标，并向用能单位提供能源审计、节能改造方案设计、融资、原材料和设备采购、施工、安装、调试、运行、维护保养等一系列服务，用能单位享受节能服务，节能服务公司靠减少的能源费用来回收其之前全部的投资和合理的利润[5]。在合同能源管理机制中，一般不要求用户承担大笔的投资费用，甚至零投资、零风险，在双方都严格遵守合同的前提下，用户和节能服务公司能够实现双赢。

合同能源管理机制在中央空调改造中主要有以下特点：第一，节能服务公司具有专业化的团队，从分析当前建筑中央空调的能耗，发现节能潜力，并根据用户中央空调的能耗特点提出多套节能方案，到通过对比选出最佳方案，提出节能目标供用户考虑和参考，是用户值得信赖和托付的节能改造企业。第二，合同能源管理有多种类型，用户可根据自身需求选择合同类型。节能效益分享型合同能源管理面向的是无力承担节能改造费用的用能单位，在项目改造之初，由节能服务公司承担所有改造费用，用户无需花费任何费用，双方在合同期内还可以按照一定比例分享节能收益，合同期结束后，用户无偿享有节能服务公司提供的节能设备。节能量保证型合同能源管理是指用能单位以自己的信用等级进行融资、投资项目，节能服务公司在中央空调项目改造之初须在能源审计报告中必须提出节能目标，在节能项目改造完成后，再通过检测和验证节能量是否达到预期的效果，如果达到承诺的节能量，用户支付改造工程费，如果没有达到事先承诺的节能量，节能服务公司将给用户补偿承诺节能量与实际节能量之间的差额，从而降低了用户进行节能改造的风险。以上两种合同能源管理类型是现在中央空调节能改造常用的类型，无论采用哪种类型，节能服务公司为了获取利润，必然都会采用最优的节能方案和节能环保产品，以保证改造项目的节能效果。第三，节能服务公司还会对用能企业内部空调维护操作人员进行专业培训，提高其运行操作水平，使他们能够根据空调负荷的变化来调节供冷量，做到按需供给，在提供舒适、安全环境的同时，减少额外的空调能源浪费。

5 结束语

当前，面对严峻的全球气候变化形势，我国就实现“碳达峰、碳中和”的目标向世界作出庄重承诺，节能是实现“碳达峰、碳中和”目标最有效、最符合实际的举措，通过节能改造工程来提高能源利用效率是节能的一项重要方向，现有中央空调能耗普遍较高，中央空调节能势在必行。合同能源管理这一双赢模式能够充分调动用能单位和节能服务公司进行节能改造的积极性，值得大力推广，随着这一节能机制在我国的不断发展和完善，合同能源管理也必将在中央空调节能改造领域拥有广阔的应用前景。