水冷式中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

朱肖晶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215008）

1 水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)基本原理

水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)由冷熱源系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，包括冷熱源、泵組、管路及分集水器、空調(diào)末端等，主要用來調(diào)節(jié)建筑內(nèi)的室溫。冷熱源和空氣調(diào)節(jié)2個系統(tǒng)通過管路和冷媒連通，利用水泵帶動管內(nèi)的水循環(huán)流動，促使冷熱量的循環(huán)。民商用項目中最常見的中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式是水冷式螺桿（離心）機組搭配鍋爐或市政蒸汽，特別是以鍋爐作熱源的中央空調(diào)系統(tǒng)更為普遍。水冷式主機配鍋爐的中央空調(diào)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2 水冷式中央空調(diào)能耗現(xiàn)狀

水冷式中央空調(diào)的設(shè)計、系統(tǒng)配置及使用方式都會對系統(tǒng)的運行能耗產(chǎn)生重大影響?，F(xiàn)階段，我國的民商用水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的生命周期大致分為設(shè)計、施工和運行管理3個階段，各階段的實施團(tuán)隊幾乎全部是相互獨立，各環(huán)節(jié)很少存在有效的縱向溝通。

·從設(shè)計來看，針對大型公共建筑空調(diào)機房的設(shè)計幾乎都是按最不利條件來選型，從而導(dǎo)致實際運行中，空調(diào)系統(tǒng)必然會常年在偏離設(shè)計條件的工況下運行，造成較大的能耗浪費。

·從施工來看，整個建設(shè)過程以施工單位為主，設(shè)計單位一般只會在施工出現(xiàn)變更時與施工團(tuán)隊溝通，而在事關(guān)系統(tǒng)性能的工程驗收階段又以工程監(jiān)理單位為主導(dǎo)。

·從運行管理來看，系統(tǒng)完工后，中央空調(diào)系統(tǒng)的運行管理團(tuán)隊才會進(jìn)場接收，施工單位與運行管理團(tuán)隊的交接以設(shè)備狀態(tài)為主，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計思路和特性少有涉及。

以上3個環(huán)節(jié)均存在一定程度的脫節(jié)，最終導(dǎo)致水冷式中央空調(diào)整體能耗較高。

2.1 水冷式中央空調(diào)建設(shè)過程中的能耗因素

水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)在建設(shè)過程中，對系統(tǒng)能耗大小有關(guān)鍵性影響的因素是空調(diào)設(shè)備和管路系統(tǒng)選型，空調(diào)設(shè)備和管路的大小直接決定了系統(tǒng)制取和輸送冷（熱）量的多少，而設(shè)備本身的功耗與冷熱量的供應(yīng)成正比。

就民商用水冷式中央空調(diào)而言，空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng)管路的選型取決于建筑冷熱負(fù)荷的計算，特別是設(shè)計過程中，外界的環(huán)境溫度和負(fù)荷大小的計算系數(shù)是空調(diào)負(fù)荷計算的主要依據(jù)。

2.1.1 空調(diào)設(shè)計環(huán)境溫度

民商用建筑的中央空調(diào)為舒適性空調(diào)，空調(diào)冷熱負(fù)荷以建筑室內(nèi)外的熱交換（室外環(huán)境溫度）為主?？照{(diào)設(shè)計時，負(fù)荷計算依據(jù)的室外環(huán)境溫度接近于當(dāng)?shù)刈罾浜妥顭岬奶鞖狻?/p>

以蘇州為例，夏季空調(diào)調(diào)節(jié)室外計算溫度34.8℃，冬季空調(diào)調(diào)節(jié)室外計算溫度-2℃。蘇州實際的夏季供冷時間從5月底到9月中下旬，即日最高氣溫高于28℃左右開始供冷；冬季供暖從11月下旬到第2年的3月中旬，即日最低氣溫在6～7℃開始供暖，實際供冷和供暖的外界環(huán)境大部分時間段是優(yōu)于空調(diào)設(shè)計的負(fù)荷計算溫度。圖2為2014年日最低、最高氣溫趨勢圖。

圖2 蘇州2014年日最低、最高氣溫趨勢圖

從蘇州市2014年全年氣溫分布情況來看，水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的配置在大部分情況下屬于“大馬拉小車”現(xiàn)象，冷熱量的供應(yīng)能力大于實際需求。

2.1.2 空調(diào)負(fù)荷計算系數(shù)

在設(shè)計階段計算建筑的空調(diào)負(fù)荷有2種方式，一是根據(jù)建筑的熱負(fù)荷構(gòu)成逐項精確計算，二是根據(jù)不同類型的房間在當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度下單位面積的空調(diào)負(fù)荷經(jīng)驗值估算。2種方式的使用均較為普遍。

逐項精確計算建筑熱負(fù)荷的方法中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞占空調(diào)負(fù)荷的比例超過一半，計算時，建筑材料的保溫性能系數(shù)是計算結(jié)果精確性的關(guān)鍵。

我國目前的暖通設(shè)計手冊均沿用20世紀(jì)70～80年代借鑒蘇聯(lián)的各種材料絕熱性能系數(shù)，經(jīng)多年的發(fā)展，建筑保溫的工藝和材料已發(fā)生很大的變化，在計算新型保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷時，許多保溫材料的絕熱性能系數(shù)取值均是采用估算的方式，并不精確，計算結(jié)果偏差往往由設(shè)計人員的經(jīng)驗水平?jīng)Q定。為保證空調(diào)效果，設(shè)計人員在設(shè)計階段會在建筑總負(fù)荷匯總后增加一定量的富余量，同時又因為設(shè)計人員很少參與空調(diào)系統(tǒng)施工及使用的后續(xù)階段工作，對建筑的實際空調(diào)負(fù)荷大小的經(jīng)驗值并沒有很好的積累和修正，進(jìn)一步加劇了空調(diào)系統(tǒng)配置偏大的現(xiàn)象。表1為部分空調(diào)冷負(fù)荷指標(biāo)。

表1 部分空調(diào)冷負(fù)荷指標(biāo)（估算）

2.2 水冷式中央空調(diào)使用過程中的能耗因素

民商用水冷式中央空調(diào)的運行管理團(tuán)隊操作人員多由公司水電工兼任，整體技能水平不足的問題非常明顯。很少有管理團(tuán)隊會接受系統(tǒng)的空調(diào)知識培訓(xùn)，而對系統(tǒng)管理的工作僅限于空調(diào)主機、水泵、冷卻風(fēng)機、管路閥門的開關(guān)或啟停，操作方式簡單，無法實現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷隨外界環(huán)境及內(nèi)部使用情況而動態(tài)變化，導(dǎo)致使用過程中中央空調(diào)整體能耗上升。

3 水冷式中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

水冷式中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計以滿足建筑的空調(diào)負(fù)荷為前提，包括水系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、區(qū)域支管路的流量調(diào)節(jié)、冷凍水泵和熱水泵的變流量控制、主機群控、冷卻泵的優(yōu)化控制、冷卻風(fēng)機臺數(shù)控制等措施。

3.1 空調(diào)末端的冷（熱）量平衡

民商建筑中，某個房間或區(qū)域的空調(diào)末端根據(jù)滿足該區(qū)域最大冷熱負(fù)荷的熱交換能力來配置?？照{(diào)末端運行期間，影響設(shè)備熱交換（即冷熱量供應(yīng)）的因素主要有2點：房間溫度和空調(diào)末端設(shè)備冷凍（熱）水量。房間溫度一般維持在設(shè)定溫度上下2℃，對末端設(shè)備的熱交換影響較小，其決定因素是空調(diào)末端設(shè)備從管路中獲得的冷凍（熱）水量。

現(xiàn)階段，絕大部分民商用水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)為定流量系統(tǒng)，空調(diào)末端在大部分時間內(nèi)供冷（熱）量大于空間實際需求，存在較大的冷（熱）量浪費。為維持空調(diào)末端設(shè)備冷凍（熱）水流量平衡，一般有3種調(diào)節(jié)方法：

·末端水管加裝電動閥控制水的通斷及大小，此種方式多與樓宇控制系統(tǒng)做成一體式；

·在各個空調(diào)區(qū)域的支管路加裝電動調(diào)節(jié)閥，統(tǒng)一調(diào)節(jié)負(fù)荷特性相似的同一區(qū)域冷凍（熱）水流量的供應(yīng)；

·調(diào)節(jié)冷凍（熱）水泵臺數(shù)或運行頻率，從而調(diào)整整個空調(diào)系統(tǒng)的流量供應(yīng)。

3.2 冷凍（熱）水泵變流量

當(dāng)空調(diào)末端實際冷（熱）量供需平衡后，作為末端整體冷熱量載體的冷凍（熱）水流量將隨外界環(huán)境溫度變化而變化。冷凍（熱）水泵在變流量運行中，實際流量供應(yīng)在大部分時間會低于工頻定流量工況下的流量，從而使水泵功耗產(chǎn)生明顯的下降。

3.3 基于COP優(yōu)化的主機群控

水冷式（螺桿或離心）主機和鍋爐作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源時，其冷熱量的供應(yīng)需匹配負(fù)荷需求，經(jīng)過末端冷熱量和流量的動態(tài)調(diào)節(jié)后，水冷式主機和鍋爐也應(yīng)該聯(lián)動調(diào)節(jié)。因水冷式主機的能效隨自身負(fù)載率的大小變化幅度大，通過控制主機的運行臺數(shù)，優(yōu)化組合主機的運行臺數(shù)和單臺主機的負(fù)載率，可大大提高主機的能效，在滿足系統(tǒng)冷量需求的前提下降低水冷式主機的功耗。圖3為離心機的能效隨其負(fù)載率變動而變化趨勢圖。

圖3 離心機的能效隨其負(fù)載率變動而變化的趨勢圖

3.4 冷卻水泵和冷卻風(fēng)機的優(yōu)化控制

冷卻水泵和冷卻塔構(gòu)成主機冷凝冷卻系統(tǒng)，主要作用是為主機創(chuàng)造良好的運行環(huán)境。水冷式主機和冷卻系統(tǒng)的總功耗與冷凝溫度之間是非線性的關(guān)系，隨冷卻系統(tǒng)水溫的降低而降低，存在一個總功耗最低的優(yōu)化點。此優(yōu)化點對應(yīng)的主機冷凝溫度稱為最佳冷凝溫度。冷卻水泵和冷卻風(fēng)機的運行控制即圍繞著最佳冷凝溫度點進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的方式是控制冷卻水泵以及冷卻風(fēng)機的運行臺數(shù)和頻率。

3.5 整體控制

空調(diào)系統(tǒng)各個部分之間相互影響，需要相互協(xié)調(diào)才能保證設(shè)備的運行安全和效果，因此，中央空調(diào)的節(jié)能控制系統(tǒng)需要一個能源控制中心來匯總空調(diào)系統(tǒng)各個部分的運行參數(shù)，并參與整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

4 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)案例

4.1 案例概況

4.1.1 原系統(tǒng)配置

蘇州某商業(yè)酒店建筑面積約6萬m2，水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)配置2臺水冷式離心機組加1臺水冷式螺桿機組做系統(tǒng)的冷源，配置2臺3.2 MW的燃?xì)鉄崴仩t做系統(tǒng)的熱源，空調(diào)系統(tǒng)的配置情況如表2所示。

表2 蘇州某商業(yè)酒店水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)配置表

4.1.2 原系統(tǒng)使用情況

該項目水冷式中央空調(diào)制冷運行時間為每年5月中旬到10月初，采暖運行時間為每年11月底至次年3月底，全年共計約10個月，運行能源費用預(yù)估在260萬元左右。

4.2 節(jié)能控制系統(tǒng)改造方案

根據(jù)該項目水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗診斷及設(shè)備配置情況，節(jié)能控制系統(tǒng)改造方案針對中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能降耗、科學(xué)管理和優(yōu)化組合運行而設(shè)計。控制系統(tǒng)對中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行智能管理及節(jié)能優(yōu)化控制，采用專用控制器，在系統(tǒng)實行自動控制、遠(yuǎn)程和就地3種方式的情況下實現(xiàn)對主機、循環(huán)水泵、末端空調(diào)機組的連鎖控制，并配上遠(yuǎn)程系統(tǒng)專用智能操作平臺，實現(xiàn)中央空調(diào)控制的智能管理和節(jié)能優(yōu)化。改造方案如表3。

中央空調(diào)節(jié)能控制原理如圖4所示。

表3 中央空調(diào)系統(tǒng)能耗診斷及節(jié)能改造方案

圖4 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)原理圖

其中，冷熱源機房自控中心為整個中央空調(diào)系統(tǒng)的控制中心，熱源系統(tǒng)的區(qū)域環(huán)路調(diào)節(jié)閥和熱水泵自適應(yīng)節(jié)能儀直接受熱源機房自控箱控制，熱源機房自控箱與冷熱源機房自控中心用信號線相連通信，受自控中心協(xié)調(diào)控制。自控中心通過網(wǎng)線與能源管理中心通信，能源管理中心由工控機和顯示屏相連，在顯示界面上可直觀的查看中央空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和能耗參數(shù)。

4.3 節(jié)能效果

本項目中水冷式中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果采用對比法測試得出。對比法是指在相同時間段內(nèi)（1到3天），在具有代表性的相近外界環(huán)境溫濕度情況下，測試在原系統(tǒng)運行方式和節(jié)能控制系統(tǒng)管理下的系統(tǒng)能耗，對比計算得出節(jié)能率。

經(jīng)測試，并考慮天氣、負(fù)載以及鍋爐燃燒效率等因素，水冷式中央空調(diào)在節(jié)能控制系統(tǒng)投入使用后的綜合節(jié)能收益在23%～25%之間，具體節(jié)能效果如下：

經(jīng)濟效益：采用中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)后，空調(diào)機房每年可節(jié)電74.8萬kWh，每年節(jié)省天燃?xì)?.9萬m3，總節(jié)省費用74萬元。

環(huán)境效益：每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2 992 t（1 kWh=0.35 kgce），減少CO2排放7 457.56 t（1 kWh=0.823 kg CO2）。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)在大型民商用建筑中的應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，而現(xiàn)有中央空調(diào)的設(shè)計、施工及管理過程中存在較大的能源浪費。對已有的水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)從空調(diào)末端冷熱量供需平衡、冷熱水流量及水冷式主機群控等多個方面著手進(jìn)行整體式的自控改造，通過合理的動態(tài)管理模式，在保障建筑空調(diào)效果的前提下提高設(shè)備能效，降低系統(tǒng)功耗。展望未來，從社會整體效益及行業(yè)前景出發(fā)，一站式的能源托管模式將是水冷式中央空調(diào)最經(jīng)濟節(jié)能的投資和運行管理模式。由結(jié)合資本和技術(shù)力量的專業(yè)運營管理公司來整合中央空調(diào)生命周期各個階段的資源，實施水冷式中央空調(diào)的設(shè)計、施工及后期運行管理，最終用戶通過長期購買的方式，直接向中央空調(diào)的運行管理公司購買冷熱量來滿足自身的空調(diào)需求。運營管理公司出于利潤考慮，必將不斷創(chuàng)新中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)和管理手段，從而推動全社會中央空調(diào)能效水平的提升，實現(xiàn)企業(yè)利益與社會效益雙贏。

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