双碳目标下教育建筑空调能耗管理的探讨

杨 虎，史 旭，谢润荣

（广州华森建筑与工程设计顾问有限公司 广州 510045）

0 前言

我国是个幅员辽阔、人口众多的大国，但是能源缺乏，经济的持续发展、城市化的不断提高，能源供应不足的问题日渐突出。根据相关资料显示，目前全国建筑全过程能耗占能源消费总量的比重约为46.5%［1］，其中制冷、采暖的能耗约占建筑能耗的2/3［2］，教育类建筑的情况也不例外［3］。

随着国家“2030 年实现碳达峰，2060 年达到碳中和”的双碳战略发展目标的提出，对于各类建筑实现低排放的要求越来越严。教育建筑由于使用人员众多、管理复杂、空调运行不科学的问题显得更为突出。教育建筑具有不同时段、不同功能房间空调用电负荷不均衡等复杂的特点，传统的空调配电、控制管理和低水平的维护也使得空调能耗无谓的浪费［4］。本文以广州某在建专科学校为案例，对教育建筑空调能耗的管理进行了探讨。

1 教育建筑空调系统管控的现状分析

传统教育建筑空调系统的管理大多存在以下情况：

⑴未对空调的耗能进行分项计量，很多项目的照明与空调混合配电、空调用电无法监控［5］。能耗数据存在不全面、不完整的情况，无法识别空调用电量是否合理，缺少对空调高能耗的原因进行深入分析的技术手段和工具。

⑵空调设备新旧混杂，设备功率和配电线路匹配性差，用电线路负荷大、能耗过高容易导致线路老化，同时存在电气火灾的隐患。

⑶缺乏空调集中管控的工具，其管理的方式主要是通过时间控制器或人工进行集中断电，效率低下且长期采用停电关机容易造成空调压缩机的损坏［6］。同时，空调开机时间长，温度设置极端，长时间地满载运行，也会导致空调故障频发，降低使用寿命。

⑷无任何故障预警措施，在空调使用季节设备故障频发，维修工作量加大导致效率低下，维护人员疲于奔命。同时，空调带故障运行的情况下，制冷效果不能保障，也会增加耗电量，从而浪费大量的空调能耗。

2 广州某专科学校的空调管理系统

2.1 项目概况

广州某专科学校迁建工程选址位于广州市增城区中部，东距增城区中心14 km，西距广州市45 km。本项目用地为山地，规划总建筑面积为15 万m2，均为低层和多层的公共建筑群。该校共包含行政办公楼（Z1#）；学前教育组团、信息资讯楼、美术楼、音乐舞蹈组团、排演中心及宿舍楼等共41栋建筑。项目总体效果如图1所示。

图1 某专科学校总体效果Fig.1 General Modification of a College

2.2 空调管家系统典型平面设计

学校行政办公楼4 楼平面布置如图2 所示，各办公室内空调的型式为壁挂分体或柜机。

图2 某专科学校空调能耗管理系统典型平面布置（行政楼4层）Fig.2 Typical Layout of Air Conditioning Energy Consumption Management System of a College（Fourth Floor of Administrative Building）

本项目设计时（教室、排演室、宿舍楼等处的设置原则基本相同），无论空调设备采用何种型式，其电力配电均采用单独系统的方式，即空调配电自成系统。室内各种类型的空调设备也都采用挂机空调管家模块或柜机空调管家模块接入电源，每组空调管家模块配置人体红外感应器。同时，部分功能要求较高的房间设置了无线温湿度传感器、门磁传感器或窗磁感应器，按照设定值进行精确控制。所有空调管家模块和感应器均采用无线连接方式，通过各楼层设置的智能网关将实时运行数据上传到空调云服务管理软件，同时接收系统软件的管理指令，对设备实行有效地控制［7］。

2.3 空调管家系统各功能部件

2.3.1 智能网关

智能网关是连接物联网终端与管理平台的枢纽，支持以太网及2G/3G/4G 上网，向下支持LoRa 双信道通讯，抗干扰能力强，无线通讯性能稳定。

2.3.2 壁挂空调空调管家

适用于分体壁挂式空调的智能控制和管理，自动与网关组网，支持各项实时电力参数测量、温度的检测和管理信号的执行。

2.3.3 柜机空调管家（如图3）

图3 柜机空调管家模块Fig.3 Cabinet Air Conditioner Butler Module

适用于单相或三相立式空调的智能化控制和管理，功能与挂机空调管家类同。

2.3.4 无线温湿度传感器、门磁传感器及人体红外传感器

各类传感器（见图4）与空调管家进行无线通讯，实现温湿度、门磁开闭状态、有人/无人等的联动控制。

图4 传感器Fig.4 Sensor

2.4 本工程空调管家系统的组成拓扑图（见图5）

图5 某专科学校空调能耗管理系统拓扑图Fig.5 Topology of Air Conditioning Energy Consumption Management System of a College

2.5 设备清单（见表1）

表1 设备清单Tab.1 Equipment List

2.6 本工程空调管家系统的功能和特点

空调设备的开机数量、位置、当前运行模式、用电量、开机时长等等实时数据，通过物联网技术做到随时监控。管理软件采用了大数据和云技术，提供了全面准确的历史数据和管理手段，实现对空调设备进行能耗计量、能耗分析，极大地减轻了管理负担，降低人工成本，提升了管理效率［8］。

空调控制可以采用多种控制原则，可单独控制每一台设备的开关机或分区分片的集中开关机，调整空调运行的温度、风力、时间、温度范围以及空调禁用等措施。系统亦可采用按时间计划表自动运行，对预订教室、会议室等场所进行预冷等舒适性节能措施。在设置了人体红外探测器和门窗磁探测器的房间，可以实现人走关机或限制开机的功能，避免能源浪费。

系统诊断出潜在故障后，空调的监测预警功能可对常见故障包括缺氟、冷凝器堵塞、室内风机故障、室外风扇异常、室内滤网脏堵、毛细管或过滤器堵塞等提供故障的早期预警。避免空调长期带伤工作，以突发的方式暴露问题，从而影响正常的办公、教学和生活。通过从容有序地安排集中维保，避免零散的维修造成整体费用上升，最大限度减少紧急维修的概率，显著降低维保成本［9］。也可以通过维修后设备的运行情况，对维保工作的品质实现评估和监管。

2.7 空调管家系统的服务管理界面（见图6）

图6 某专科学校空调能耗管理系统服务界面Fig.6 Service Interface of Air Conditioning Energy Consumption Management System of a College

3 结语

综上所述，对空调设备在线智能管控时，在满足所在场所工作温度要求的前提下，可实现节能的目的。从空调设备运行、故障、维护的全面历史管理数据的记录和分析中，对运行管理、自动优化控制、设备故障诊断、维保管理等方面全方位着手，能够实现空调设备全生命周期的精细化管理，显著提升管理效益，降低空调能耗，节约维保及折旧等综合成本［10］。本系统也适用既有项目空调设备的管理改造，同样可以起到降低能耗、提升管理水平、降低运维成本的作用。

广州某专科学校建成投入使用后，可持续对空调能耗数据进行统计、积累和分析。同时，将空调系统运行数据与其它教育建筑的空调能耗做对比，为空调能耗管理技术的进一步提升提供数据支撑。