优化中央空调系统实现节能降耗

尹丽萍

（浙江中维建筑工程设计有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430000）

随着科技发展，中央空调系统为人们提供了舒适的生活与工作环境。但是，中央空调系统的运行产生的能耗量非常大，是建筑能耗中的一项主要内容。中央空调系统初始设计要求满足极端情况下的建筑冷负荷，而实际运行中，绝大多数时间都是处于部分负荷运行的。同时，系统运行受季节、室内人数等因素影响，会产生一定的波动，如果系统不能根据实际负荷进行动态调节，则会产生能源浪费问题，同时，对系统设备也会造成一定的影响。当前，全球能源问题日益突出，节能环保已经成为全社会的共识。优化中央空调系统，实现节能降耗，是当前降低建筑能耗，提高建筑可持续发展的重要手段。

1 中央空调系统构成

1.1 系统构成

中央空调系统构成主要包括中央空调机组1、风机盘管系统2、冷冻泵3、冷却泵4、冷却塔5、膨胀水箱6等六部分组成。如图1所示。

图1 中央空调系统基本构成

1.2 系统运行

系统运行中，中央空调机组内高温高压制冷剂（如R22等）经过节流装置后变成低温低压制冷剂，然后进入蒸发器，同时冷冻泵将高温冷冻水回水送入蒸发器盘管，使之与低温低压制冷剂热交换变成低温冷冻水，并通过冷冻泵作用将其送至各风机盘管，由冷却盘管吸收热量降低空气温度，最后通过风机向功能间送风，达到空调降温效果。制冷剂在蒸发器中吸收热量由汽液两相转变成汽相，进入压缩机压缩至过热蒸汽，再进入冷凝器放热，其释放出的热量由冷却泵送入冷凝器盘管的低温冷却水带走，温度升高后的冷却水再送至冷却塔与空气发生热交换，最终形成低温冷却水，作为循环使用，而在冷凝器中放热后的制冷剂再进入节流装置。

2 中央空调系统节能降耗的重要意义

空调系统能耗是建筑能耗中不可忽视的重要部分，现阶段的空调系统多数使用的均为不可再生能源，电力能源是占比最大的部分。中央空调系统能源使用量需求较大，在全球能源日渐匮乏的当下，能耗问题已经成为制约中央空调系统优化发展的根本因素。同时，空调系统的运行会增加氮氧化物、硫化物等污染物质的排放，对自然环境具有一定的破坏性。因此，当前中央空调系统的运行已经不能满足人类可持续发展要求，节能降耗是其发展的核心课题。当前，既有中央空调系统能耗巨大，采取有效的节能技术措施，加强节能降耗，能够使既有空调系统达到良好的节能效果。因此，加强对中央空调系统的节能优化，合理利用有效节能策略降低系统能耗，不仅能够实现节能降耗，达到可持续发展要求的目的，同时，还可以降低电力投入，减少系统运行成本，提高系统运行经济性。

3 中央空调系统中存在的能耗问题

3.1 系统运行自身存在的能耗问题

在我国中央空调系统运行中，人工运行管理仍占据主要地位，智能化管理控制系统配置程度较低，从而难以确保系统运行保持在合理区间。随着建筑冷负荷需求以及气候环境变化，中央空调冷负荷处于动态变化过程，人工管理难以及时响应建筑冷负荷需求变化情况，从而导致能源利用率低、能耗高的问题。

以某中央空调系统为例，其采用区域集中供冷技术，冷站将一次冷冻水输送至建筑内板换间，利用板式换热器进行二次侧冷冻水换热，再对建筑内各功能区进行供冷。

在系统运行中，一是空调机组及板换间设备由人工管理、板换间二次循环泵的供水压力为经验值，过渡季节对室外新风降温的应用不足等，都增加了系统运行能耗。二是中央空调供冷面积较大且各区域对温度的要求不同，“一刀切”的管理模式不能提供功能区域个性化供冷，降低了系统整体运行能效。三是对系统运行重要参数的监控不足，不能充分保证空调能源利用率。系统对室温控制主要是根据单点回风温度确定，不能对实际供冷效果进行准确判断，可能会造成室内温度过低，造成严重浪费的同时也影响人体舒适。四是未对空调末端机组进行变频运行控制，控制精度低，故障率较高，增加了系统能耗。

3.2 系统使用存在的能耗问题

中央空调系统能耗较高的问题，不仅是由于系统自身运行产生的，还有系统之外在使用中不合理情况造成的问题。（1）建筑结构不合理。室内温度受建筑结构的直接影响，建筑结构不合理会造成室内采光、通风效果较差，增加室外环境对室内温度的影响，导致室内热环境不稳定，系统在使用过程中出现能源浪费问题。（2）人们的使用习惯较差，节能意识不足。中央空调系统多用于公共场所，服务范围广泛，很多人并未形成节能意识，在不需要时不会随手关闭空调，造成不必要的能源损耗，并且还有很多人在室内温度较为舒适的情况下仍旧会选择使用空调，使其处于长期运行状态，不仅增加了系统运行能耗，同时，也会缩短中央空调的使用寿命。

4 中央空调系统节能控制改造及节能管理措施

4.1 中央空调系统节能优化改造

当前，中央空调系统节能改造空间较大，其中，加强对节能控制系统的优化改造，提高系统运行的自动化管理水平，加强对建筑冷负荷相关参数实时监控，采取相应的控制措施，调整二次侧水泵机组运行状态及供水温度，从而提高系统运行的节能效果。在节能控制系统优化改造中，系统采用直观监控界面，可视化效果良好，满足远程及本地运维操作及管理的需求，同时，具有可扩展性和兼容性，能够与其他节能系统融合对接。

中央空调节能控制系统主要由运维监控层、现场监控层、硬件设备层构成。（1）运维监控层包括数据服务器、用户监控、物业执行、远程维护等客户端构成。（2）智能现场控制柜为现场控制层，负责实时监测系统运行参数及状态，采集数据与传输指令。（3）硬件设备层则是换热器、水泵、变频器等各类设备构成。

系统功能模块包括：（1）换热器控制模块，主要负责监测换热器运行及状态，进行负荷预测控制、时刻表管理，故障报警及识别记录等；（2）循环水泵控制模块，主要负责监测并记录水泵运行状态、水泵远程启停与变频控制、水泵故障识别与维护记录、管网压差监测及水泵变频优化调节等；（3）电磁阀控制模块，主要负责检测与维护记录控制模块电动阀状态，识别与记录故障，远程启停控制、压差检测及电动阀开度调节等。

系统具体功能主要包括两部分：一是现场控制，二是监控软件。在现场控制中，（1）实时进行相关参数的采集，如水温、压力、电动调节阀开度、室外温度等，将数据进行数模转换并传输。（2）检测运行中二次侧循环泵状态，如远程工作情况、工频状态，使冷冻水循环泵进行变频运行，并合理减少运行台数。（3）监测室外环境条件，分析末端负荷变化情况，设定系统一次侧供冷量动态化调节。（4）根据实际运行需求，可扩展控制器I/O模块，完成远程联网通讯，同时，具有以太网接口，能够实现手动切换应急控制模式。（5）现场通过触控屏操作，并能够进行实时监控。

在监控软件中，主要具备远程监控、能耗分析、节能控制、警报提示、数据查询及导出、权限管理等功能。（1）远程监控功能中，以系统原理图形式，确保良好可视化界面，对冷源系统运行各项参数进行直观实时监测；通过界面直观展示系统运行过程中室内外温度及供水回水、压力、用冷量、用电量等相关数据；进行在线远程集中控制，如设备启停、参数设置等。（2）能耗分析功能中，能够实时监测冷源系统运行的用电量和用冷量等数据，并进行数据统计分析。（3）节能控制功能中，根据各功能区实际需求设定设备启停时间及温度设置等；跟随室内冷负荷变化情况，对二次侧循环泵运行频率、供水温度等进行自动调节，优化调节二次侧供水回水压差；对最不利回路系统压差进行监测，采用模糊算法判断系统运行是否满足该回路要求，并根据判断及时作出反应。（4）报警提示功能中，可以实现对网络通讯状态异常、参数超出设置阈值、能耗超出限制等情况的报警，同时，可以进行故障问题的详细记录、查询与导出。（5）数据查询及导出主要是对设备状态参数数据、系统能耗数据、控制参数数据等形成的各种数据报表进行查询与导出。（6）权限管理功能中，可根据不同的角色设置不同的用户权限，如设置管理员权限、操作员权限、维修员权限等，进行岗位功能需求匹配，并对用户权限进行最小化控制，确保系统操作的便捷性和安全性；在该功能中，还设置帮助文档，可以对系统操作手册进行在线查询，提供系统操作及参数设置帮助。

通过对中央空调节能控制系统进行优化改造，系统控制界面中有冷源监控、运行管理、能耗监测、系统管理、设备管理、参数设置、故障报警及帮助等，根据需求，相关人员可以进行状态设定，包括远程状态、停止状态、应急状态。

4.2 中央空调系统节能管理

加强中央空调系统节能降耗，不仅需要优化系统本身的节能控制改造，同时，还需要注重优化系统运行环境，提高节能管理控制。一方面，加强建筑设计节能性。合理控制窗墙比，在确保室内采光充足的基础上，合理降低窗墙比，降低外窗耗热量，减少建筑冷负荷需求；提高门窗气密性，室内换气次数从0.9次/h下降至0.6次/h，建筑冷能耗就可以下降8%左右，因此，良好的气密性门窗材料及密封设置也可以有效降低建筑冷负荷需求；加强外墙保温设计，应用保温材料，提高室内环境的舒适度，降低中央空调系统运行需求。

另一方面，加强节能降耗宣传，提高中央空调系统使用者对节能降耗重要性的认识与重视，自觉形成节能行为习惯，提高系统能耗控制。同时，在运行管理方面，相关管理人员可以加强功能分区节能控制，根据建筑实际日常需求，对不同的功能分区进行合理划分，依照空间大小、人员流量等情况调控环境温度。

4.3 节能控制效果分析

直接对系统节能控制改造及管理前后的相关运行参数进行采集与对比分析，改造前后完整供冷周期（通常为每年4～11月）的用冷量、折算用冷费用比情况如表1所示。

表1 改造前后全供冷周期用冷量及折算用冷费用对比表

由表1可知，系统改造后节能效果显著，用冷量减少72.25kW·h，费用降低61.64万元，具有较高经济效益。

5 结语

综上所述，中央空调系统优化改造，落实节能降耗，对提高系统运行经济性，顺应社会绿色节能的可持续发展要求具有重要现实意义。通过系统节能控制改造，解决当前中央空调系统中面临的能耗浪费、自动化程度低等问题，根据建筑冷负荷变化自动调节控制系统运行状态，提高整体节能效果，加强系统监控，确保中央空调稳定运行，同时，加强对系统使用管理，提高使用过程中的节能操作，全面降低系统运行过程中面临的能耗问题，获得良好的节能效果和经济效益。