水冷式中央空调节能控制系统的应用分析

朱肖晶

（苏州供电公司，江苏 苏州 215008）

1 水冷式中央空调系统基本原理

水冷式中央空调系统由冷热源系统和空气调节系统组成，包括冷热源、泵组、管路及分集水器、空调末端等，主要用来调节建筑内的室温。冷热源和空气调节2个系统通过管路和冷媒连通，利用水泵带动管内的水循环流动，促使冷热量的循环。民商用项目中最常见的中央空调系统结构形式是水冷式螺杆（离心）机组搭配锅炉或市政蒸汽，特别是以锅炉作热源的中央空调系统更为普遍。水冷式主机配锅炉的中央空调结构形式如图1所示。

2 水冷式中央空调能耗现状

水冷式中央空调的设计、系统配置及使用方式都会对系统的运行能耗产生重大影响。现阶段，我国的民商用水冷式中央空调系统的生命周期大致分为设计、施工和运行管理3个阶段，各阶段的实施团队几乎全部是相互独立，各环节很少存在有效的纵向沟通。

·从设计来看，针对大型公共建筑空调机房的设计几乎都是按最不利条件来选型，从而导致实际运行中，空调系统必然会常年在偏离设计条件的工况下运行，造成较大的能耗浪费。

·从施工来看，整个建设过程以施工单位为主，设计单位一般只会在施工出现变更时与施工团队沟通，而在事关系统性能的工程验收阶段又以工程监理单位为主导。

·从运行管理来看，系统完工后，中央空调系统的运行管理团队才会进场接收，施工单位与运行管理团队的交接以设备状态为主，空调系统的设计思路和特性少有涉及。

以上3个环节均存在一定程度的脱节，最终导致水冷式中央空调整体能耗较高。

2.1 水冷式中央空调建设过程中的能耗因素

水冷式中央空调系统在建设过程中，对系统能耗大小有关键性影响的因素是空调设备和管路系统选型，空调设备和管路的大小直接决定了系统制取和输送冷（热）量的多少，而设备本身的功耗与冷热量的供应成正比。

就民商用水冷式中央空调而言，空调设备和系统管路的选型取决于建筑冷热负荷的计算，特别是设计过程中，外界的环境温度和负荷大小的计算系数是空调负荷计算的主要依据。

2.1.1 空调设计环境温度

民商用建筑的中央空调为舒适性空调，空调冷热负荷以建筑室内外的热交换（室外环境温度）为主。空调设计时，负荷计算依据的室外环境温度接近于当地最冷和最热的天气。

以苏州为例，夏季空调调节室外计算温度34.8℃，冬季空调调节室外计算温度-2℃。苏州实际的夏季供冷时间从5月底到9月中下旬，即日最高气温高于28℃左右开始供冷；冬季供暖从11月下旬到第2年的3月中旬，即日最低气温在6～7℃开始供暖，实际供冷和供暖的外界环境大部分时间段是优于空调设计的负荷计算温度。图2为2014年日最低、最高气温趋势图。

图2 苏州2014年日最低、最高气温趋势图

从苏州市2014年全年气温分布情况来看，水冷式中央空调系统的配置在大部分情况下属于“大马拉小车”现象，冷热量的供应能力大于实际需求。

2.1.2 空调负荷计算系数

在设计阶段计算建筑的空调负荷有2种方式，一是根据建筑的热负荷构成逐项精确计算，二是根据不同类型的房间在当地的环境温度下单位面积的空调负荷经验值估算。2种方式的使用均较为普遍。

逐项精确计算建筑热负荷的方法中，建筑围护结构的热传递占空调负荷的比例超过一半，计算时，建筑材料的保温性能系数是计算结果精确性的关键。

我国目前的暖通设计手册均沿用20世纪70～80年代借鉴苏联的各种材料绝热性能系数，经多年的发展，建筑保温的工艺和材料已发生很大的变化，在计算新型保温围护结构的热负荷时，许多保温材料的绝热性能系数取值均是采用估算的方式，并不精确，计算结果偏差往往由设计人员的经验水平决定。为保证空调效果，设计人员在设计阶段会在建筑总负荷汇总后增加一定量的富余量，同时又因为设计人员很少参与空调系统施工及使用的后续阶段工作，对建筑的实际空调负荷大小的经验值并没有很好的积累和修正，进一步加剧了空调系统配置偏大的现象。表1为部分空调冷负荷指标。

表1 部分空调冷负荷指标（估算）

2.2 水冷式中央空调使用过程中的能耗因素

民商用水冷式中央空调的运行管理团队操作人员多由公司水电工兼任，整体技能水平不足的问题非常明显。很少有管理团队会接受系统的空调知识培训，而对系统管理的工作仅限于空调主机、水泵、冷却风机、管路阀门的开关或启停，操作方式简单，无法实现空调负荷随外界环境及内部使用情况而动态变化，导致使用过程中中央空调整体能耗上升。

3 水冷式中央空调节能控制系统的设计

水冷式中央空调节能控制系统设计以满足建筑的空调负荷为前提，包括水系统的状态参数监测、区域支管路的流量调节、冷冻水泵和热水泵的变流量控制、主机群控、冷却泵的优化控制、冷却风机台数控制等措施。

3.1 空调末端的冷（热）量平衡

民商建筑中，某个房间或区域的空调末端根据满足该区域最大冷热负荷的热交换能力来配置。空调末端运行期间，影响设备热交换（即冷热量供应）的因素主要有2点：房间温度和空调末端设备冷冻（热）水量。房间温度一般维持在设定温度上下2℃，对末端设备的热交换影响较小，其决定因素是空调末端设备从管路中获得的冷冻（热）水量。

现阶段，绝大部分民商用水冷式中央空调系统为定流量系统，空调末端在大部分时间内供冷（热）量大于空间实际需求，存在较大的冷（热）量浪费。为维持空调末端设备冷冻（热）水流量平衡，一般有3种调节方法：

·末端水管加装电动阀控制水的通断及大小，此种方式多与楼宇控制系统做成一体式；

·在各个空调区域的支管路加装电动调节阀，统一调节负荷特性相似的同一区域冷冻（热）水流量的供应；

·调节冷冻（热）水泵台数或运行频率，从而调整整个空调系统的流量供应。

3.2 冷冻（热）水泵变流量

当空调末端实际冷（热）量供需平衡后，作为末端整体冷热量载体的冷冻（热）水流量将随外界环境温度变化而变化。冷冻（热）水泵在变流量运行中，实际流量供应在大部分时间会低于工频定流量工况下的流量，从而使水泵功耗产生明显的下降。

3.3 基于COP优化的主机群控

水冷式（螺杆或离心）主机和锅炉作为空调系统的冷热源时，其冷热量的供应需匹配负荷需求，经过末端冷热量和流量的动态调节后，水冷式主机和锅炉也应该联动调节。因水冷式主机的能效随自身负载率的大小变化幅度大，通过控制主机的运行台数，优化组合主机的运行台数和单台主机的负载率，可大大提高主机的能效，在满足系统冷量需求的前提下降低水冷式主机的功耗。图3为离心机的能效随其负载率变动而变化趋势图。

图3 离心机的能效随其负载率变动而变化的趋势图

3.4 冷却水泵和冷却风机的优化控制

冷却水泵和冷却塔构成主机冷凝冷却系统，主要作用是为主机创造良好的运行环境。水冷式主机和冷却系统的总功耗与冷凝温度之间是非线性的关系，随冷却系统水温的降低而降低，存在一个总功耗最低的优化点。此优化点对应的主机冷凝温度称为最佳冷凝温度。冷却水泵和冷却风机的运行控制即围绕着最佳冷凝温度点进行调节，调节的方式是控制冷却水泵以及冷却风机的运行台数和频率。

3.5 整体控制

空调系统各个部分之间相互影响，需要相互协调才能保证设备的运行安全和效果，因此，中央空调的节能控制系统需要一个能源控制中心来汇总空调系统各个部分的运行参数，并参与整个系统的协调控制。

4 中央空调节能控制系统案例

4.1 案例概况

4.1.1 原系统配置

苏州某商业酒店建筑面积约6万m2，水冷式中央空调系统配置2台水冷式离心机组加1台水冷式螺杆机组做系统的冷源，配置2台3.2 MW的燃气热水锅炉做系统的热源，空调系统的配置情况如表2所示。

表2 苏州某商业酒店水冷式中央空调系统配置表

4.1.2 原系统使用情况

该项目水冷式中央空调制冷运行时间为每年5月中旬到10月初，采暖运行时间为每年11月底至次年3月底，全年共计约10个月，运行能源费用预估在260万元左右。

4.2 节能控制系统改造方案

根据该项目水冷式中央空调系统的能耗诊断及设备配置情况，节能控制系统改造方案针对中央空调系统设备的节能降耗、科学管理和优化组合运行而设计。控制系统对中央空调系统设备进行智能管理及节能优化控制，采用专用控制器，在系统实行自动控制、远程和就地3种方式的情况下实现对主机、循环水泵、末端空调机组的连锁控制，并配上远程系统专用智能操作平台，实现中央空调控制的智能管理和节能优化。改造方案如表3。

中央空调节能控制原理如图4所示。

表3 中央空调系统能耗诊断及节能改造方案

图4 中央空调节能控制系统原理图

其中，冷热源机房自控中心为整个中央空调系统的控制中心，热源系统的区域环路调节阀和热水泵自适应节能仪直接受热源机房自控箱控制，热源机房自控箱与冷热源机房自控中心用信号线相连通信，受自控中心协调控制。自控中心通过网线与能源管理中心通信，能源管理中心由工控机和显示屏相连，在显示界面上可直观的查看中央空调系统的运行状态和能耗参数。

4.3 节能效果

本项目中水冷式中央空调节能控制系统的节能效果采用对比法测试得出。对比法是指在相同时间段内（1到3天），在具有代表性的相近外界环境温湿度情况下，测试在原系统运行方式和节能控制系统管理下的系统能耗，对比计算得出节能率。

经测试，并考虑天气、负载以及锅炉燃烧效率等因素，水冷式中央空调在节能控制系统投入使用后的综合节能收益在23%～25%之间，具体节能效果如下：

经济效益：采用中央空调节能控制系统后，空调机房每年可节电74.8万kWh，每年节省天燃气2.9万m3，总节省费用74万元。

环境效益：每年可以节省标准煤2 992 t（1 kWh=0.35 kgce），减少CO2排放7 457.56 t（1 kWh=0.823 kg CO2）。

5 结束语

当前，水冷式中央空调系统在大型民商用建筑中的应用中占主导地位，而现有中央空调的设计、施工及管理过程中存在较大的能源浪费。对已有的水冷式中央空调系统应从空调末端冷热量供需平衡、冷热水流量及水冷式主机群控等多个方面着手进行整体式的自控改造，通过合理的动态管理模式，在保障建筑空调效果的前提下提高设备能效，降低系统功耗。展望未来，从社会整体效益及行业前景出发，一站式的能源托管模式将是水冷式中央空调最经济节能的投资和运行管理模式。由结合资本和技术力量的专业运营管理公司来整合中央空调生命周期各个阶段的资源，实施水冷式中央空调的设计、施工及后期运行管理，最终用户通过长期购买的方式，直接向中央空调的运行管理公司购买冷热量来满足自身的空调需求。运营管理公司出于利润考虑，必将不断创新中央空调节能技术和管理手段，从而推动全社会中央空调能效水平的提升，实现企业利益与社会效益双赢。

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