中央空调系统节能改造实践及节能效果分析

（广东工业大学，广州 510006）

0 引言

以广州为代表的我国夏热冬暖地区，夏季湿热多雨，年平均气温21.8℃左右，故空调能耗在该地区公共机构/建筑能耗中占比很大。当前国家正在全力推进节约型公共机构示范单位创建和绿色校园建设，通过节能改造来降低空调能耗、提升空调能效显得尤为重要。

在中央空调系统节能改造实践研究方面，通过对具体改造案例的分析和研究可以更好地检验改造方案和选用技术的适用性。闫军威等［1］针对既有中央空调运行过程中存在的问题，建立了空调节能管理控制系统，改造后部分项目平均节能率达28%以上。刘金平等［2］通过采用冷水系统水力平衡及冷水机组优化控制、增加冷冻水泵及实现变频调节等措施的综合节能改造，节能率可达26.3%。贺淼淼等［3］对空调系统冷水供水温度、流量等运行参数建立基于功率的能耗模型，采用遗传算法进行运行策略优化，优化后空调系统节能13.24%。文献［4］通过对某变风量空调系统控制改造的研究，表明采用变静压变送风温度控制方法后室内热舒适性得到明显提高，且在部分负荷下节能效果较为明显。

在中央空调系统节能技术数学模型仿真研究方面，凌善旭等［5］在所建立的空调系统模型的基础上研究了部分负荷下系统冷冻水及冷却水流量等参数对系统调控的优先级与节能潜力，系统全局优化控制，节能率可达11.7%。文献［6］的研究结果表明，对集中供冷中央空调系统能耗影响最大的参数是温度、湿度，对于单栋建筑的系统耗冷量，室外温度、湿度两个变量就能够解释其超过90%的变化。王贺等［7］通过开展基于IMC-P的空调冷却水温度控制研究，发现基于育种算法的串级内模控制器系统的快速性和稳定性最好。此外，王跃等［8］在夏热冬暖地区建立了开式湖水源热泵空调系统，制冷能效比达到3.74 W/W。

以上空调系统节能改造项目，通过运用单一或综合节能技术初步达到了节能效果，但建立数学模型并与节能改造实践效果进行比较分析方面有待进一步研究。因此，本文针对某大型集中供冷中央空调系统特点及在实际运行过程中存在的主要问题，提出多种空调节能技术相耦合的节能改造方案，实现既有空调系统的远程集中控制和节能优化运行；建立基于多元线性回归统计法的中央空调系统基期能耗-影响因素数学模型，并对节能量进行计算和比较分析。本项目的实践及研究结果可为该地区中央空调系统节能改造提供参考和借鉴。

1 系统概况及存在问题

1.1 系统概况

本项目改造的中央空调系统供冷区域为6栋公共教学楼，总实际改造涉及供冷面积约为9.3万m2。该空调系统采用区域集中供冷系统技术，冷站将一次冷冻水输送到建筑内的板换间后通过板式换热器与二次侧冷冻水进行换热，再对教学楼内各教室进行供冷。其中一次侧冷冻水的设计温度为3/12.5 ℃，二次侧冷水设计温度为6.5/13.5 ℃，设计用冷指标为180 W/m2，总设计冷负荷2.38万kW。所有均采用上送上回的风方式空调系统。本系统换热设备及空气处理机等主要设备具体参数见表 1，2。

表1 换热设备具体参数

表2 空气处理机具体参数

空调系统主要运行时间为每年4月底至11月中旬，教学日每天运行约12 h（08：30-20：30）。教学楼建筑能耗主要由冷耗及电耗两部分组成，其中冷耗采用热能表积算器来计量。据统计，改造前空调冷耗所占能耗费用的比例为51%。因此有必要对空调系统（特别是冷源侧）进行分析和改造。

1.2 存在问题

在该系统物业管理中虽然配置了专人进行运行管理，但专业化程度低，且缺乏相匹配的智能化管理控制系统，无法保证空调系统运行在合理区间。由于空调冷负荷会随室内冷负荷需求、室外环境参数等动态变化，人工日常管理无法及时响应室内冷负荷变化，故存在能源利用率低、冷耗浪费严重等现象，空调系统有较大的节能优化潜力。具体存在问题分析如下：

（1）日常运行依靠人工现场操作，自动化程度低。建筑内空调机组及板换间设备依靠专职的管理人员每天现场开关机，工作量大、系统自动化程度低，亟待改善；板换间二次侧循环泵采用定供水压力经验值，存在设置不合理的现象；过渡季节无法补充室外的新风降低空调冷负荷。

（2）人工管理存在开关机滞后性，无法实现精益化管理。由于供冷面积较大，且各功能区域温度设定要求略有所不同，人工管理难免存在疏漏，人工“一刀切式”现场管理无法进行各功能区差别化及个性化供冷需求，存在“大流量、小温差”等现象，导致中央空调系统整体运行能效未得到充分发挥。

（3）缺乏对重要参数的实时监控，空调舒适性和能源利用率难以保障。系统缺乏温度实时监控，室温控制仅通过采集单点回风温度确定，难以对实际供冷效果、冷热不均（最大达4 ℃左右）等问题进行全局性判断。根据现场调研，个别反映室内温度偏低，不仅影响人体舒适感，同时造成了冷量严重浪费。板换间设备无法依据建筑冷负荷等参数（二次侧供水回路压力和温度、室内外温度及末端负荷等）的变化来按需实时自动调节二次侧水泵机组运行状态和供水温度难以保持高效运行。此外，未对实际用冷量、用电量进行采集监测和分析，不利于深入挖掘空调系统的节能潜力。

（4）空调末端机组控制老化，且未进行变频运行控制。空调机组水阀为电动通断阀，仅能实现水阀的开关，无法对水量进行精确调节。空调机末端组仅采用老式机械面板/旋钮开关控制，精度低、故障率偏高。

（5）尚未进行空调系统调适，系统工况没有运行在最佳状态。

为有效解决以上问题，亟需对空调系统进行综合节能改造，建立中央空调节能控制系统，全面提高空调自动化、智能化管理水平，在保障满足末端用冷舒适性的前提下有效降低空调耗能。

2 节能改造方案及思路

2.1 改造方案整体思路

针对该空调系统存在的主要问题，重点提高板换间设备的自动化运行管理水平，建立集中供冷中央空调节能控制系统，实现空调冷源系统无人值守、节能运行。

控制系统提供远程与本地监控功能，采用移动信号进行数据通讯和传输；同时采用双系统设计理念，提供的本地监控功能可确保系统在网络通讯等出现故障时紧急切换为本地人工应急控制模式，确保教学楼中央空调系统正常稳定运行。

控制系统能够依据建筑冷负荷（二次侧供水回路压力和温度、室内外温度及末端负荷等）参数的变化来按需实时自动调节二次侧水泵机组运行状态和供水温度，实现系统整体节能。二次侧水泵控制和供水温度控制采用多种控制优化方案，设置最不利点参数监测，在保证满足最不利点压力需求的前提下，进行水温/压差优化控制。（1）二次侧供水温度的优化控制：通过比较二次供水温度设定值与实际供水温度，将结果输入PID 控制器，PID控制器则通过精确控制一次侧电磁调节阀的开度来控制板式换热器一次侧冷水流量，进而达到调节二次侧供水温度的目的。（2）二次侧水泵优化变频控制［9］：通过二次侧供回水管压差来动态调节其运行频率，实现水泵的优化变频控制，通常变化范围在30～50 Hz区间内。

控制系统采用直观的监控界面，以系统原理图形式，确保系统界面可视化效果好，便于远程及本地运维操作及管理。

充分考虑系统的可扩展性和兼容性，可与未来其它节能控制系统相互融合及对接。

2.2 节能控制系统架构

节能控制系统主要包括运维监控层、现场控制层以及硬件设备层等组成，控制系统架构如图1所示。其中运维监控层由数据服务器及运维管理等各功能客户端组成；现场控制层即智能现场控制柜，主要完成空调系统运行参数和状态的实时监测，完成采集数据和指令的上传及下发；硬件设备层主要由位于一、二次侧的换热器、水泵、变频器、电磁阀、水温传感器、压差传感器及电量冷量计量表具等部分组成。

图1 系统架构示意

系统功能模块主要包括换热器控制模块、二次侧循环水泵控制模块、电动调节阀控制模块等3部分，如图2所示。

图2 系统功能模块

2.3 系统具体功能

集中供冷中央空调节能控制系统具体功能包括现场控制和监控软件两部分。

2.3.1 现场控制

（1）实时采集一、二次侧水温、压力、调动调节阀开度、室外温湿度等参数，完成数模转换及传输；（2）检测二次侧循环泵运行状态，包括远程状态、工频状态，实现冷冻水循环泵变频运行和运行台数控制；（3）根据室外温湿度和空调末端负荷需求的变化，根据系统设定动态调节一次侧供冷量；（4）控制器可按需求扩展I/O模块，可实现远程联网通讯，具备以太网接口以及手自动切换应急控制模式；（5）触控屏可进行实时监控及现场操作。

2.3.2 监控软件

（1）远程监控功能：实现以系统原理图的形式直观的实时监测冷源系统的各运行参数；针对冷源系统运行的实时室内外温度及供回水、压力、流量、用电量、用冷量等数据进行直观界面展示；实现远程在线集中控制，包括设备启停、参数设置、控制模式、系统总览等；（2）能耗分析功能：实现对冷源系统运行的电耗、冷耗等数据进行实时监测和分析统计；（3）节能控制功能：包括实现依照设定的启停时间（如教学日历、节假日等）进行启停控制及温度设置；针对随室外温度和室内负荷的变化自动调整二次侧循环泵运行频率、供水温度，增加二次侧供回水压差优化调节；综合监测最不利回路的系统压差，系统采用模糊算法判定是否满足该回路的运行要求并做出反应；（4）报警提示功能：实现网络通讯状态异常报警、系统参数超限报警、运行能耗超限报警等；具备故障记录、查询及导出功能；（5）数据查询及导出：提供所有设备状态参数、系统能耗（用电、用冷量）参数、控制参数等历史数据的多种报表查询及导出；（6）权限管理功能：支持对不同角色人员（如管理员、物业操作人员、维修人员等）分配不同的用户权限，匹配各岗位功能需求，并最小化原则控制用户权限，保障系统安全性和实操便捷性；帮助文档：在线查询系统操作手册，便于系统操作及参数设置。

改造后的系统控制界面主要包括冷源监控、运行管理、参数设置、能耗监测、设备管理、故障报警、系统管理及帮助等部分。通过本系统可按需将中央空调设定在远程、应急和停止状态。

3 节能效果分析

GB/T 28750-2012［10］中给出了 3 种节能量的测量及验证方法：基期能耗-影响因素模型法、直接比较法和模拟软件法。文献［11］中指出对于集中供冷中央空调系统而言，由于系统整体能耗受室外温湿度、人员及运行管理方式等外部因素影响较大，而改造过程中一般采取多项节能技术相叠加，它们之间存在显著的相互影响。故测算空调系统改造前后的整体节能效果，宜采用基期能耗-影响因素模型法。为了从时间维度全面考察节能改造的实际效果，本文分别采用了基期能耗-影响因素模型法和直接比较法进行分析。

3.1 基期能耗-影响因素模型的建立与验证

参考文献［11］，采用多元线性回归分析方法，建立集中供冷中央空调系统的基期能耗-影响因素数学模型并进行验证，为集中供冷中央空调系统节能改造的节能量计算提供参考。

3.1.1 基期能耗-影响因素模型的建立

（1）基期内空调系统日实测能耗：既有教学楼建筑集中供冷中央空调系统能耗的影响因素有环境温度、相对湿度、教室使用率等，现选取以上3个关键因素（主要考虑用冷量，暂不考虑空调末端用电量），采用多元线性回归分析方法建立中央空调系统基期能耗-影响因素模型，如下：

式中Eb，d——基期内空调系统日实测冷耗；

β0，β1，β2，β3——多元线性回归系数；

tb，d，φb，d，Zb，d——基期内室外环境日平均温度、平均相对湿度及教室使用率。

（2）基期内空调系统日校准能耗：

式中Ea，d——空调系统日校准冷耗；

Sr——统计报告期内空调系统供冷面积；

Sb——基期内空调系统供冷面积；

Tr——统计报告期内的空调系统日运行时间；

Tb——基期内的空调系统日运行时间；

tr，d，φr，d，Zr，d——统计报告期内室外环境日平均温度、平均相对湿度以及教室使用率。

（3）统计报告期内节能量：

式中Er，d——统计报告期内空调系统日实测冷耗。

3.1.2 模型验证

空调系统进行节能改造后，于2018年6月投入节能运行，2019年9月对改造后的系统进行了节能量测量。综合考虑教学楼用能规律，尽可能减少其他因素影响，现选取2017年9月的4个正常教学周（09.03～09.30）作为基期，2018年9月的4个正常教学周（09.02～09.29）作为统计报告期。该周期内教学安排全部开放中央空调，故教学楼内各教室的有效使用率等同于课室空调的开放率，以教学课程安排为准，另外，根据实际测算增加10%自习使用时间加以修正。采用SPSS 17.0数据统计分析软件进行多元线性回归分析，计算得到该空调系统的基期能耗-影响因素数学模型。

该回归模型的变异系数R2=0.954＞0.75，说明模型的拟合度满足要求。线性回归模型的显著性检验结果导出见表3，4。

表3 模型显著性检验

表4 回归系数显著性检验

取α=0.05，即95%的置信区间，查F分布表得Fα（p，n-p-1）=F0.05（3，24）=3.01，从表 3 可以看出，F=185.749＞F0.05（3，24），故模型的线性回归显著。查t分布表得tα/2（n-p-1）=t0.025（24）=2.064，模型项前的回归系数及其t检验值的绝对值分别为 2.251，5.837，2.536，22.728 均大于t0.025（24），说明室外环境温度、相对湿度及教室有效使用率等3个关键因素的变化能较好地反应中央空调系统冷耗的变化，模型的线性关系亦显著。

计算得到改造前基期内4个完整的教学周的空调系统用冷量估计值，并与实际用冷量数据进行对比，如图3所示。两者的平均相对误差为7.89%，验证了本能耗模型具有较好的准确性和适用性。因此，对于影响因素较多并且复杂的中央空调系统来讲，该模型可以在一定程度上为其能耗预测提供参考。

图3 基期实测用冷量与模型估计用冷量对比

统计报告期内系统节能量Es及节能率S：

计算得到Es=-98 074 kW·h，S=19.28%。即通过基期能耗-影响因素模型计算得出该系统改造后的节能率为19.28%。

3.2 直接比较法

直接比较法的测试主要依据为GB/T 31349-2014、GB/T 28750-2012 等标准和规范［12-20］。

由系统导出的2018年9月14日（改造后）运行参数及采集的2017年9月13日（改造前）运行参数进行具体分析，如图4所示。由图4可以看出，改造前后室内温度基本稳定在25～27 ℃之间，即改造后空调系统完全满足使用需求；改造后的逐时用冷量均低于改造前，特别是下午13：00课前时段逐时节能率达到47.71%，分析原因主要得益于改造后系统能够依据建筑冷负荷的变化，通过参数补偿来实时调节系统运行工况，最大程度减少不必要的浪费。（两天气象条件及教室使用率基本一致，2018年9月14日，温度为26～35 ℃，雷阵雨转晴；2017年9月13日，温度为27～36℃，多云转晴。）

图4 改造前后逐时用冷量及室内外温度变化曲线

图5 改造前后2个供冷周期年度用冷量对比

如图5所示，直观地对比分析系统改造前后2个完整的供冷周期（通常为每年4月下旬至11月中上旬）的每月统计数据，可以看出2019年节能改造后教学楼的实际用冷量为243.18万kW·h，折算用冷费用为188.54万元，2017年节能改造前的用冷量为316.38万kW·h，折算用冷费为245.29万元，每年节约用冷费56.75万，实测节能率经计算为23.14%。除2019年8月份暑假教学楼开放考研自习室增加了用冷量以外，其余月份均呈现下降趋势，且过渡季节（4月、11月）更为明显，其中4月份的月节能率达到46.13%。

本项目改造后的实测节能率为23.14%，考虑到年气候变化及教室冷负荷实际需求的影响，该节能率与基期能耗-影响因素模型法计算得出的理论节能率19.28%可认为基本一致。由于项目节能改造前能耗数据统计很难做到完整、连续，故可尝试优先选用基期能耗-影响因素模型法计算出的节能量/节能率应用到中央空调合同能源管理节能改造项目中。

本项目改造投资成本约70万，每年节约用冷费56.75万，即不到1.5 a就可以收回项目改造成本，具有良好明显的节能示范和经济效益。

4 结论

（1）针对某集中供冷中央空调系统自动化程度低、冷耗浪费严重等问题，对其进行了节能改造，建立了集中供冷中央空调节能控制系统，实现空调冷源系统无人值守、节能运行。

（2）控制系统能够依据建筑冷负荷（二次侧供水回路压力和温度、室内外温度及末端负荷等）参数的变化来按需实时自动调节二次侧水泵机组运行状态和供水温度，实现系统整体节能；系统同时具备本地监控功能，确保空调系统正常稳定运行。

（3）采用多元线性回归分析方法，建立集中供冷中央空调系统的基期能耗-影响因素数学模型并进行验证，模型的线性回归显著，可为集中供冷中央空调系统节能改造的节能量计算提供参考。

（4）系统改造后每年可节约用冷费56.75万，不到1.5 a就可以收回项目改造成本，具有良好的节能示范作用和经济效益。

（5）系统改造后的实测节能率为23.14%，与基期能耗-影响因素模型法计算得出的节能率19.28%基本一致。