酒店中央空调智能云端控制的碳减排应用研究

张晓冬，高喜玲，王铁勇

（1.中国建筑技术集团有限公司湖北建筑设计分院，武汉 430000；2.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；3.北京清大原点建筑设计有限公司，江苏 徐州 221116）

2021年9月11日，中国承诺大国担当——“30·60”碳达峰碳中和专题展览亮相中国科技馆，而我国在经历了近30年的全面改造后，建筑运行碳排放总量和占比均达到历史最高，因此，建筑领域碳达峰、碳中和目标实现的难度也较大[1]。截至2019年，我国建筑运行阶段产生碳排放约为21亿t CO2，占全国碳排放总量的20%左右。建筑领域的能源消耗是造成温室气体排放的重要因素之一，其中，建筑运行相关的CO2排放分为直接排放和间接排放。直接排放是建筑运营过程中直接燃烧化石能源所产生的碳排放，主要有北方城镇供暖锅炉、炊事和生活热水等产生的碳排放；间接排放主要指建筑用电及城镇集中供暖购买热力、电力的相关碳排放[2]。随着太阳能、风能和核能等再生能源的并网使用，高压输电技术的推广，我国能源结构已经进行了深远的变革，煤炭的快速退出需要从现在主体能源50%以上比重下降到5%以下，非化石能源需提高到85%以上。城市建设也从大规模建设转为更新、改造和性能提升，“精细修缮结合高性能提升”才是未来建筑的主流方向[3]。

建筑领域是能源和资源的终端消费方，主动降低运行碳排放才是降低现有建筑能耗的主要方向。而对于空调行业来说，一方面需要继续大幅度提升中央空调的能效，另一方面也要合理规划建筑用电方案，按需用电、节约电费，通过智能管控、能源管理等新技术应用，促使中央空调系统由“单一的产品节能”向“提高系统能源总利用率”转变，也是实现双碳目标的重要措施。

1 某酒店中央空调既有控制下能耗情况

公共建筑中用电量最大的仍是中央空调系统，约占建筑整体能耗的40%，同时因为运行效率低也存在10%～30%能源浪费问题。在既有建筑领域智能化控制改造、升级，设备监控和环境监测等方面，增加基于感知和传输应用的平台[4]，充分利用算法、物联网等先进的通信系统，提高现有设备效率，有效节约用电。

1.1 工程概况

下面以某酒店中央空调智能化控制升级为例，分析改造前后电费节约情况，探讨既有公共建筑的节能潜力，分析改造升级中设备运营方的经济效益，以期最大限度地推进中央空调智能化改造步伐。

工程概况：该酒店项目位于北京丰台区，客房数量为118间，7层，建筑高度23.1m，2020年重新装修改造，中央空调主机采用风冷热泵模块机组，设备配置参数见表1。

表1 设备配置参数

1.2 酒店既有中央空调系统运行能耗

该酒店中央空调在既有控制情况下，主机运行台数、负载率及电费见表2。

表2 既有控制基础能耗分析（商业用电0.9元/kWh）

从表2统计数据来看，该酒店空调年运行耗电量约为110 kWh，电费约为99万元，能耗较大，运行成本也较高。若要提高总体的运行能效水平，必须要加强运维人员的培训管理，改变系统控制策略，才可以有效地降低用电费用，节能减排。

2 中央空调系统智能控制升级后能耗状况

2.1 中央空调智能云端控制系统

中央空调系统智能控制升级主要包含以下3个方面。

（1）空调设备数字化：能通过手机端/电脑端实现虚拟机房展示、数据动态监控、故障在线报警和预防性维护提醒功能。

（2）智能控制：能实现系统自动控制、云端自动调整运行参数、设备优先级动态决策、附属设备智能控制和故障定位指导。

（3）节能降耗：通过边缘计算技术、云端大数据分析、半监督模糊算法、AI自动寻优和机器学习优化，系统节能降耗达20%～30%。

将人工智能在建筑中央空调领域，以算法为中心进行深度定制、研发[5]，云端控制原理如图1所示。根据客房入住率即空调回水温度，及室外环境温湿度变化，实时控制空调主机及水泵的运行工况。若入住率高，回水温度高，温度传感器将数据传送给算法中心，根据数据统计和分析，给出空调机组开启台数、功率和水泵变频功率的最优化运行策略，再经定制私有协议，给出指令远程控制主机和水泵；同样室外温度及湿度传感器上传出温湿度变化信号，算法给出运行策略，室内室外2个维度校正运行策略[6]。智能按需供应，云端控制，云端智能分析和自动生成最优策略，下发给边缘服务器，边缘服务器接到指令后再下发给各设备。在确保室内冷/热舒适性的前提下，最大限度地减少中央空调系统的运行能耗，实现人员舒适度及能耗之间的最优动态平衡。

图1 中央空调智能云端控制示意图

2.2 搭载智能云端控制系统能耗分析

搭载智能云端控制系统优化升级后，再次对能耗数据进行监测，设备负载率及电量消耗见表3。

表3 优化控制后能耗分析（商业用电0.9元/kWh）

从表3优化运行策略后的能耗分析来看，运行耗电量约为92.9 kWh，电费约为83.6万元，优化后用电量比既有控制减少了16.8万度，节约电费15.1万元。如图2所示，实测用电量可节约10%～20%，在1月、12月空调采暖季，能耗大的月份，经济效益明显，节能效果也越好。由此可见，该酒店中央空调系统经过智能化改造后，对于控制成本、提高经济效益和提高运营效率效果显著，是一个值得推广的方案。

图2 中央空调系统优化前后电费对比

3 中央空调智能云端控制节能降碳效果

既有建筑能耗构成主要是空调能耗、照明能耗，根据《北京市企业（单位）二氧化碳排放核算和报告指南（2016版）》和国家对华北地区的基准线排放因子的加权，折算系数建议采用的0.72 kgCO2/kWh，折算成CO2排放量。该酒店中央空调智能改造前后CO2年排放量见表4，节约排放量为0.012万t CO2。

表4 酒店每年碳排放量

目前我国建筑行业每年运行碳排放（含直接碳排放和间接碳排放）约为21亿t CO2，该酒店既有建筑中央空调系统经过智能化系统改造升级，可以减少每年碳排放量约为3.2亿t CO2，虽然这部分碳排放量对于发电行业来说微不足道，但建筑节能是贯穿整个建筑生命周期的[7]，循环用能、累积节约和数量同样非常可观。同时所有中央空调系统的运行报表，通过大数据管理，对空调设备的能耗进行综合分析，形成相关的数据，进行多维的剖析，同时，环境集合数据又为自控提供环境数据支撑[8]。通过用电数据采集整理，明确单个设备及整个空调系统的用电能耗、单位面积的能耗及负荷曲线，为运营维保提供依据支持。

4 结论

中央空调系统在实际运行过程中，由于运行维护人员对管理对象不了解，加之某些先天设计不足，缺乏科学的能源管理措施等，导致系统运行能耗过大，只有全面掌握各个空调设备用能情况，才能够实现既定的节能目标。“云管边端”的概念打造了“物联网+大数据+人工智能算法”的智能系统，是解决公共建筑中央空调精细化管理的有效手段，可以实现能源监测可视化，对能耗进行实时监测。

因此，搭载智能云端控制系统的中央空调，充分利用大数据优势深度挖掘数字资源，将有助于公共建筑规范能源消费，实现能效提升，在碳减排中发挥重要作用，中央空调行业的减碳行动，一定能为实现碳达峰、碳中和的目标作出积极贡献。