高校空調(diào)系統(tǒng)控制節(jié)能改造效果研究

高翔

復(fù)旦大學(xué)

1 引言

高等學(xué)校承擔(dān)著教學(xué)、科研以及生活的多重任務(wù)，隨著學(xué)校辦學(xué)規(guī)模擴(kuò)大和生活水平提高，能耗強(qiáng)度不斷提升，是建筑節(jié)能的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。特別是近10年以來，夏熱冬冷地區(qū)的高校在教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、辦公樓、宿舍等區(qū)域都安裝了空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)著夏季供冷冬季供熱的雙重任務(wù)，年空調(diào)使用率超過8個(gè)月，能耗占建筑能耗的比例非常大。但是高校不同空間的空調(diào)需求有著典型的間歇性和局部性，如能在滿足正常教育科研生活條件的前提下，開展空調(diào)系統(tǒng)控制節(jié)能改造，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，對高校建筑節(jié)能具有重要的作用。

在財(cái)政部等有關(guān)部委支持下，復(fù)旦大學(xué)被列為節(jié)能綜合改造示范高校，通過能耗現(xiàn)狀分析和節(jié)能改造方案對比，復(fù)旦大學(xué)將空調(diào)系統(tǒng)控制節(jié)能改造作為本次節(jié)能改造的重點(diǎn)，取得了較好的效果。

2 改造建筑及能耗概況

本次復(fù)旦大學(xué)綜合節(jié)能改造項(xiàng)目的改造總面積為254 228 m2，其中邯鄲校區(qū)共有14棟建筑，面積為123 000 m2，江灣校區(qū)共有6棟建筑，面積為131 228 m2，各個(gè)建筑具體信息如表1所示：

表1 各建筑基本信息

復(fù)旦大學(xué)已建立了節(jié)能監(jiān)管平臺，通過平臺數(shù)據(jù)得到以上建筑的總能耗及空調(diào)、照明、動力能耗、實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器能耗，建筑總能耗為2 777.98萬kWh，各部分能耗占建筑能耗的具體比例如圖1所示（由于分體空調(diào)用電從照明插座用電取電，無法通過安裝電表獲取分體空調(diào)用電，因此，分體空調(diào)用電量根據(jù)電流估算其用電情況）。按照《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161-2016)[2]中對建筑能耗的定義，實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器能耗應(yīng)不計(jì)入建筑能耗，用于計(jì)算建筑節(jié)能量的基數(shù)能耗為1 947萬kWh，計(jì)算出空調(diào)能耗為建筑能耗的57.2%。因此空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是本次節(jié)能改造的重點(diǎn)。

圖1 改造前建筑能耗構(gòu)成情況

3 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案

由于本次空調(diào)改造范圍廣、體量大，故分為兩期進(jìn)行改造。改造主要包括VRV空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵冷源、史帶樓中央空調(diào)末端設(shè)備及部分建筑分體空調(diào)。其中VRV空調(diào)室外機(jī)共571臺，室內(nèi)機(jī)2 806臺；風(fēng)冷熱泵共20臺；史帶樓中央空調(diào)末端設(shè)備（包括22臺風(fēng)柜和62臺風(fēng)機(jī)盤管）；分體空調(diào)681臺。

3.1 空調(diào)系統(tǒng)問題分析

根據(jù)現(xiàn)場查勘以及與空調(diào)管理人員調(diào)研，各個(gè)建筑空調(diào)主要存在以下幾方面問題：

（1）多聯(lián)機(jī)和分體空調(diào)需管理人員手動操作，工作量大，工作效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。教學(xué)樓、食堂、圖書館等公共建筑，每天早晚均需人工逐一開啟或關(guān)閉每臺空調(diào)，造成空調(diào)管理人員的工作量大、工作效率低；對行政辦公樓、實(shí)驗(yàn)室、教室等，工作人員/學(xué)生下班離開房間時(shí)忘記關(guān)閉空調(diào)現(xiàn)象普遍存在，造成電能浪費(fèi)；教學(xué)樓教室從早晨管理人員開啟空調(diào)后，不管教室有無上課、有無學(xué)生自習(xí)等，空調(diào)均處于開啟狀態(tài)，不能根據(jù)課室課程日程安排實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的自動啟停，造成能耗浪費(fèi)；周末部分學(xué)生去教室上自習(xí)，經(jīng)常出現(xiàn)某些教室僅有一個(gè)或者幾個(gè)學(xué)生而把空調(diào)全部開啟的現(xiàn)象。在夜間以及非高溫、嚴(yán)寒過渡季節(jié)，時(shí)常會出現(xiàn)毋需開啟空調(diào)而空調(diào)仍處于運(yùn)行狀態(tài)，即不能根據(jù)室外氣候條件實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的啟?？刂?，造成空調(diào)用電浪費(fèi)。

（2）空調(diào)溫度設(shè)置不合理。房間經(jīng)常出現(xiàn)冬天室內(nèi)溫度偏高或者夏天室內(nèi)溫度偏低的現(xiàn)象，不僅影響室內(nèi)舒適度，且浪費(fèi)了電能。

（3）空調(diào)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)嚴(yán)重缺乏。未能按時(shí)對設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，通常情況下，空調(diào)管理者僅在空調(diào)運(yùn)行出現(xiàn)問題、無法運(yùn)行等情況才對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，以致空調(diào)運(yùn)行效率下降、電耗上升。

（4）史帶樓入口門廳、教室、學(xué)術(shù)報(bào)告廳等大空間房間采用全空氣系統(tǒng)，辦公室及小型會議室采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，無法根據(jù)末端需求對其水量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；風(fēng)柜閥均處于常開狀態(tài)，不能調(diào)節(jié)閥的開度，未對供冷區(qū)域環(huán)境溫度進(jìn)行多點(diǎn)測量，無法準(zhǔn)確檢測和分析冷熱不均勻狀況，導(dǎo)致控溫不科學(xué)、不合理；缺乏末端集中控制系統(tǒng)，管理人員統(tǒng)一管理各房間的空調(diào)開閉及溫度設(shè)定，工作量大、工作效率低下，且隨意性較大，造成能源浪費(fèi)。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案

1）針對VRV空調(diào)系統(tǒng)存在問題，增加VRV空調(diào)精細(xì)化管理控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)建筑VRV空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行。在原有空調(diào)系統(tǒng)中增加遠(yuǎn)程監(jiān)控層、VRV空調(diào)管理控制系統(tǒng)，全面提升空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)化管理水平，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行過程，降低系統(tǒng)整體能耗。最終實(shí)現(xiàn)了學(xué)生食堂、教學(xué)樓等多棟建筑VRV空調(diào)系統(tǒng)的控制，根據(jù)學(xué)生食堂開放時(shí)間實(shí)現(xiàn)VRV空調(diào)的管理控制，根據(jù)教學(xué)樓各個(gè)教室的課程安排實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制，根據(jù)室內(nèi)人體熱舒適性實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，同時(shí)VRV空調(diào)系統(tǒng)可進(jìn)行室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)分組監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、分時(shí)分區(qū)管理、故障報(bào)警、設(shè)備維護(hù)提醒等功能。

2）中央空調(diào)節(jié)能改造主要是建設(shè)冷熱源節(jié)能集成優(yōu)化管理控制系統(tǒng)，將科學(xué)管理理念、設(shè)備優(yōu)化、先進(jìn)控制技術(shù)融入系統(tǒng)節(jié)能，利用人體動態(tài)舒適性理論，以舒適性指標(biāo)為約束條件，以動態(tài)能效比最高為調(diào)節(jié)目標(biāo)，建立多變量非線性模型。通過在線負(fù)荷預(yù)測，實(shí)現(xiàn)冷熱源時(shí)變定量控制，具有自動化程度高、操作方便、運(yùn)行可靠、便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了史帶樓、美研中心等多棟建筑中央空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)冷熱泵、循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)盤管等設(shè)備的聯(lián)動控制。根據(jù)建筑的用冷特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)冷源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)與定時(shí)控制，根據(jù)人體熱舒適實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的溫度優(yōu)化調(diào)節(jié)，同時(shí)中央空調(diào)系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、運(yùn)行管理、故障報(bào)警、設(shè)備維護(hù)提醒等功能。

3）分體空調(diào)使用的區(qū)域，主要增加自動啟停控制、溫度設(shè)定兩個(gè)功能：通過設(shè)定空調(diào)自動啟?？刂茣r(shí)間，避免工作人員下班未關(guān)空調(diào)的現(xiàn)象，減少能耗的浪費(fèi)；為避免室內(nèi)溫度夏季溫度偏低或冬季室內(nèi)溫度偏高等現(xiàn)象，夏季設(shè)定空調(diào)溫度的最低溫度或冬季設(shè)定空調(diào)溫度的最高溫度。實(shí)現(xiàn)了理科圖書館、辦公樓等多棟建筑分體空調(diào)系統(tǒng)的控制，根據(jù)圖書館開閉館時(shí)間實(shí)現(xiàn)分體空調(diào)的管理控制，根據(jù)辦公樓各個(gè)辦公室用冷需求實(shí)現(xiàn)等級分類管理控制，根據(jù)室內(nèi)人體熱舒適性實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，同時(shí)分體空調(diào)系統(tǒng)可進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、分區(qū)分時(shí)分等級管理、故障報(bào)警、設(shè)備維護(hù)提醒等功能。

4 改造效果分析

按照示范項(xiàng)目管理要求，對項(xiàng)目開展了第三方節(jié)能量審核，第三方審核機(jī)構(gòu)按照《節(jié)能項(xiàng)目節(jié)能量審核指南》[3]和《節(jié)能量測量和驗(yàn)證技術(shù)通則》[4]要求，進(jìn)行了現(xiàn)場測評，根據(jù)項(xiàng)目改造前后設(shè)備的耗電量確定節(jié)電率。

測評采用節(jié)能對比測試方式進(jìn)行操作，操作過程包括兩個(gè)模式，分別為節(jié)能系統(tǒng)手動模式（以下稱為“手動模式”）和節(jié)能系統(tǒng)投入模式（以下稱為“自動模式”）。手動模式指空調(diào)系統(tǒng)按照節(jié)能改造前的操作方式運(yùn)行，控制系統(tǒng)不對任何設(shè)備進(jìn)行控制；自動模式指空調(diào)系統(tǒng)由節(jié)能改造后的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制與調(diào)節(jié)。采用2天測試日，1天為手動模式，1天為自動模式；由節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)自動記錄手動模式（改造前）和自動模式（改造后）空調(diào)系統(tǒng)用電量。通過對比改造前后用電量統(tǒng)計(jì)節(jié)電率和節(jié)電量。其中VRV空調(diào)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)用電量直接采集電表數(shù)據(jù)，由于分體空調(diào)用電從照明插座用電取電，無法通過安裝電表獲取分體空調(diào)用電數(shù)，因此，分體空調(diào)用電量根據(jù)電流計(jì)算其用電情況。

第三方審核機(jī)構(gòu)選擇了四幢代表性建筑，于2017年7月4日（手動模式測試日）和5日（自動模式測試日）進(jìn)行了對比測試。分別記錄手動模式空調(diào)系統(tǒng)總用電量、自動模式空調(diào)系統(tǒng)總用電量，通過對比改造前后用電量得到節(jié)電率和節(jié)電量。在測試前用電測儀與電表進(jìn)行現(xiàn)場與遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)比對，確保電表讀數(shù)在允許誤差范圍內(nèi)測試。同時(shí)記錄兩天的室外溫度情況并進(jìn)行對比，避免因氣候條件變化影響評價(jià)結(jié)果的可靠性，如圖2所示。最終測評數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 對比測試兩日室外溫度對比

表2 典型建筑節(jié)能量測試情況

根據(jù)建筑能耗能源審計(jì)報(bào)告及能耗數(shù)據(jù)分析，復(fù)旦大學(xué)綜合節(jié)能改造項(xiàng)目2014年10月至2015年9月改造的建筑能耗為1 944.6萬kWh(實(shí)驗(yàn)設(shè)備能耗)，按照建筑常規(guī)能耗1 947萬kWh計(jì)算，空調(diào)占57.2%計(jì)算，空調(diào)年耗電為1 114萬kWh?？照{(diào)用電節(jié)能量按空調(diào)系統(tǒng)對比測試的節(jié)能率38.06%計(jì)算，空調(diào)年節(jié)電量為424萬kWh，改造建筑綜合節(jié)能率21.8%。按照上海市《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ08-107-2012）[5]中規(guī)定的電力折標(biāo)煤系數(shù)，年節(jié)能量為1 148t標(biāo)準(zhǔn)煤。

5 結(jié)論及建議

復(fù)旦大學(xué)節(jié)能改造示范項(xiàng)目將“互聯(lián)網(wǎng)+”、“物聯(lián)網(wǎng)”、“大數(shù)據(jù)”及“云計(jì)算”等新興技術(shù)和綠色運(yùn)維管理相結(jié)合，采用空調(diào)負(fù)荷動態(tài)預(yù)測技術(shù)、動態(tài)熱舒適性建模技術(shù)、冷源能效在線優(yōu)化控制技術(shù)等先進(jìn)的空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)，建立了復(fù)旦大學(xué)邯鄲和江灣校區(qū)20棟建筑的多類型空調(diào)集成優(yōu)化管理控制平臺，實(shí)現(xiàn)了從校級-建筑-房間的逐級監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)系統(tǒng)、VRV空調(diào)系統(tǒng)、分體空調(diào)系統(tǒng)的定點(diǎn)、定時(shí)、定溫、定量的各類空調(diào)精細(xì)化集成優(yōu)化調(diào)節(jié)，取得了較好的節(jié)能效果。從投入使用情況來看，仍有較大的節(jié)能挖潛空間，需加強(qiáng)以下三方面工作：

（1）加強(qiáng)空調(diào)管理人員培訓(xùn)，提高空調(diào)管理人員空調(diào)專業(yè)知識及節(jié)能技術(shù)水平，提高空調(diào)集成優(yōu)化管理控制平臺水平。

（2）加強(qiáng)制度建設(shè)，激勵不同層級管理人員主動使用控制系統(tǒng)。

（3）開展調(diào)研，優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力。