高校空调系统控制节能改造效果研究

高翔

复旦大学

1 引言

高等学校承担着教学、科研以及生活的多重任务，随着学校办学规模扩大和生活水平提高，能耗强度不断提升，是建筑节能的重点领域[1]。特别是近10年以来，夏热冬冷地区的高校在教学楼、实验楼、办公楼、宿舍等区域都安装了空调系统，空调系统承担着夏季供冷冬季供热的双重任务，年空调使用率超过8个月，能耗占建筑能耗的比例非常大。但是高校不同空间的空调需求有着典型的间歇性和局部性，如能在满足正常教育科研生活条件的前提下，开展空调系统控制节能改造，降低空调系统能耗，对高校建筑节能具有重要的作用。

在财政部等有关部委支持下，复旦大学被列为节能综合改造示范高校，通过能耗现状分析和节能改造方案对比，复旦大学将空调系统控制节能改造作为本次节能改造的重点，取得了较好的效果。

2 改造建筑及能耗概况

本次复旦大学综合节能改造项目的改造总面积为254 228 m2，其中邯郸校区共有14栋建筑，面积为123 000 m2，江湾校区共有6栋建筑，面积为131 228 m2，各个建筑具体信息如表1所示：

表1 各建筑基本信息

复旦大学已建立了节能监管平台，通过平台数据得到以上建筑的总能耗及空调、照明、动力能耗、实验设备仪器能耗，建筑总能耗为2 777.98万kWh，各部分能耗占建筑能耗的具体比例如图1所示（由于分体空调用电从照明插座用电取电，无法通过安装电表获取分体空调用电，因此，分体空调用电量根据电流估算其用电情况）。按照《民用建筑能耗标准》(GB/T 51161-2016)[2]中对建筑能耗的定义，实验设备仪器能耗应不计入建筑能耗，用于计算建筑节能量的基数能耗为1 947万kWh，计算出空调能耗为建筑能耗的57.2%。因此空调系统节能是本次节能改造的重点。

图1 改造前建筑能耗构成情况

3 空调系统节能改造方案

由于本次空调改造范围广、体量大，故分为两期进行改造。改造主要包括VRV空调系统、风冷热泵冷源、史带楼中央空调末端设备及部分建筑分体空调。其中VRV空调室外机共571台，室内机2 806台；风冷热泵共20台；史带楼中央空调末端设备（包括22台风柜和62台风机盘管）；分体空调681台。

3.1 空调系统问题分析

根据现场查勘以及与空调管理人员调研，各个建筑空调主要存在以下几方面问题：

（1）多联机和分体空调需管理人员手动操作，工作量大，工作效率低，浪费严重。教学楼、食堂、图书馆等公共建筑，每天早晚均需人工逐一开启或关闭每台空调，造成空调管理人员的工作量大、工作效率低；对行政办公楼、实验室、教室等，工作人员/学生下班离开房间时忘记关闭空调现象普遍存在，造成电能浪费；教学楼教室从早晨管理人员开启空调后，不管教室有无上课、有无学生自习等，空调均处于开启状态，不能根据课室课程日程安排实现对空调的自动启停，造成能耗浪费；周末部分学生去教室上自习，经常出现某些教室仅有一个或者几个学生而把空调全部开启的现象。在夜间以及非高温、严寒过渡季节，时常会出现毋需开启空调而空调仍处于运行状态，即不能根据室外气候条件实现对空调的启停控制，造成空调用电浪费。

（2）空调温度设置不合理。房间经常出现冬天室内温度偏高或者夏天室内温度偏低的现象，不仅影响室内舒适度，且浪费了电能。

（3）空调设备维护保养严重缺乏。未能按时对设备进行定期维护保养，通常情况下，空调管理者仅在空调运行出现问题、无法运行等情况才对设备进行维护保养，以致空调运行效率下降、电耗上升。

（4）史带楼入口门厅、教室、学术报告厅等大空间房间采用全空气系统，办公室及小型会议室采用风机盘管+新风空调系统，无法根据末端需求对其水量进行自动调节；风柜阀均处于常开状态，不能调节阀的开度，未对供冷区域环境温度进行多点测量，无法准确检测和分析冷热不均匀状况，导致控温不科学、不合理；缺乏末端集中控制系统，管理人员统一管理各房间的空调开闭及温度设定，工作量大、工作效率低下，且随意性较大，造成能源浪费。

3.2 空调系统节能改造方案

1）针对VRV空调系统存在问题，增加VRV空调精细化管理控制系统，实现各个建筑VRV空调系统的节能优化运行。在原有空调系统中增加远程监控层、VRV空调管理控制系统，全面提升空调系统的精细化管理水平，优化系统运行过程，降低系统整体能耗。最终实现了学生食堂、教学楼等多栋建筑VRV空调系统的控制，根据学生食堂开放时间实现VRV空调的管理控制，根据教学楼各个教室的课程安排实现定时控制，根据室内人体热舒适性实现了室内温度的优化调节，同时VRV空调系统可进行室内机与室外机分组监控、数据分析、分时分区管理、故障报警、设备维护提醒等功能。

2）中央空调节能改造主要是建设冷热源节能集成优化管理控制系统，将科学管理理念、设备优化、先进控制技术融入系统节能，利用人体动态舒适性理论，以舒适性指标为约束条件，以动态能效比最高为调节目标，建立多变量非线性模型。通过在线负荷预测，实现冷热源时变定量控制，具有自动化程度高、操作方便、运行可靠、便于扩展等优点，实现了史带楼、美研中心等多栋建筑中央空调系统中风冷热泵、循环泵、风机盘管等设备的联动控制。根据建筑的用冷特点实现冷源系统优化调节与定时控制，根据人体热舒适实现室内的温度优化调节，同时中央空调系统可进行远程监控、数据分析、运行管理、故障报警、设备维护提醒等功能。

3）分体空调使用的区域，主要增加自动启停控制、温度设定两个功能：通过设定空调自动启停控制时间，避免工作人员下班未关空调的现象，减少能耗的浪费；为避免室内温度夏季温度偏低或冬季室内温度偏高等现象，夏季设定空调温度的最低温度或冬季设定空调温度的最高温度。实现了理科图书馆、办公楼等多栋建筑分体空调系统的控制，根据图书馆开闭馆时间实现分体空调的管理控制，根据办公楼各个办公室用冷需求实现等级分类管理控制，根据室内人体热舒适性实现了室内温度的优化调节，同时分体空调系统可进行定点监控、数据分析、分区分时分等级管理、故障报警、设备维护提醒等功能。

4 改造效果分析

按照示范项目管理要求，对项目开展了第三方节能量审核，第三方审核机构按照《节能项目节能量审核指南》[3]和《节能量测量和验证技术通则》[4]要求，进行了现场测评，根据项目改造前后设备的耗电量确定节电率。

测评采用节能对比测试方式进行操作，操作过程包括两个模式，分别为节能系统手动模式（以下称为“手动模式”）和节能系统投入模式（以下称为“自动模式”）。手动模式指空调系统按照节能改造前的操作方式运行，控制系统不对任何设备进行控制；自动模式指空调系统由节能改造后的控制系统实现远程自动控制与调节。采用2天测试日，1天为手动模式，1天为自动模式；由节能监控系统自动记录手动模式（改造前）和自动模式（改造后）空调系统用电量。通过对比改造前后用电量统计节电率和节电量。其中VRV空调和风冷热泵系统用电量直接采集电表数据，由于分体空调用电从照明插座用电取电，无法通过安装电表获取分体空调用电数，因此，分体空调用电量根据电流计算其用电情况。

第三方审核机构选择了四幢代表性建筑，于2017年7月4日（手动模式测试日）和5日（自动模式测试日）进行了对比测试。分别记录手动模式空调系统总用电量、自动模式空调系统总用电量，通过对比改造前后用电量得到节电率和节电量。在测试前用电测仪与电表进行现场与远程采集数据比对，确保电表读数在允许误差范围内测试。同时记录两天的室外温度情况并进行对比，避免因气候条件变化影响评价结果的可靠性，如图2所示。最终测评数据如表2所示。

图2 对比测试两日室外温度对比

表2 典型建筑节能量测试情况

根据建筑能耗能源审计报告及能耗数据分析，复旦大学综合节能改造项目2014年10月至2015年9月改造的建筑能耗为1 944.6万kWh(实验设备能耗)，按照建筑常规能耗1 947万kWh计算，空调占57.2%计算，空调年耗电为1 114万kWh。空调用电节能量按空调系统对比测试的节能率38.06%计算，空调年节电量为424万kWh，改造建筑综合节能率21.8%。按照上海市《公共建筑节能设计标准》（DGJ08-107-2012）[5]中规定的电力折标煤系数，年节能量为1 148t标准煤。

5 结论及建议

复旦大学节能改造示范项目将“互联网+”、“物联网”、“大数据”及“云计算”等新兴技术和绿色运维管理相结合，采用空调负荷动态预测技术、动态热舒适性建模技术、冷源能效在线优化控制技术等先进的空调节能控制技术，建立了复旦大学邯郸和江湾校区20栋建筑的多类型空调集成优化管理控制平台，实现了从校级-建筑-房间的逐级监控管理，实现了中央空调系统、VRV空调系统、分体空调系统的定点、定时、定温、定量的各类空调精细化集成优化调节，取得了较好的节能效果。从投入使用情况来看，仍有较大的节能挖潜空间，需加强以下三方面工作：

（1）加强空调管理人员培训，提高空调管理人员空调专业知识及节能技术水平，提高空调集成优化管理控制平台水平。

（2）加强制度建设，激励不同层级管理人员主动使用控制系统。

（3）开展调研，优化控制系统参数设置，进一步挖掘节能潜力。