关于制造企业中央空调能耗的研究

赵 宇

（中国联合网络通信有限公司深圳市分公司，广东 深圳 518042）

0 引 言

我国幅员辽阔，生产制造型企业众多，曾有“世界工厂”的称号。制造业是我国国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。据不完全统计，我国年收入2 000万以上的工厂有300万座，年收入2 000万以下的工厂数不胜数。

新中国成立后，尤其是改革开放以来，我国制造业持续快速发展，建成了门类齐全、独立完整的产业体系，有力推动了工业化和现代化进程，显著增强了综合国力。

制造企业对于能源的需求非常庞大，有了丰富的能源供应，企业才能将产能提升至新的高度。而能源是当今国内经济发展的物质基础，作为世界上最大的发展中国家，能源短缺已成为我国亟待解决的问题[1]。在这种情况下，对能源进行监管便十分必要，进一步帮助企业降本增效，才能打造更加完善的智慧工厂。

1 深圳工业制造企业现状

深圳是中国特色社会主义先行示范区，在工业与信息化领域起着领头羊的作用。

作为拥有众多大型制造企业的一线城市，深圳积极响应国家“碳达峰”“碳中和”的号召。2020年，深圳市工业和信息化局发布了《2020年重点用能单位能源管理中心建设工作方案的通知》，年消耗5 000吨标准煤及以上的企业需自建能源管理中心，并且与市能源管理中心公共平台互联互通。深圳市重点用能企业达113家，现阶段实现对接的有58家，其余重点耗能企业待启动。能耗系统的推进工作取得了阶段性的成果，未来仍有很大的推动空间。

2 使用能耗管理系统的必要性

能耗系统利用信息技术推动节能降耗，是提升企业精细化管理水平的重要举措，为企业准确把握和分析节能降耗发展趋势，科学利用能源提供技术支撑[2]。

对于制造型企业而言，为直接或间接降低产生的温室气体排放总量，实现二氧化碳的“零排放”，需要执行错峰用电，即根据电网负荷特性，通过行政、技术、经济等手段将电网用电高峰时段的部分负荷转移到用电低谷时段，从而减少电网的峰谷负荷差，优化资源配置，提高电网安全性和经济性。对于制造型企业而言，实行错峰用电会对生产形成较大影响。为保障碳排放量达标且不影响企业生产目标的实现，通过物联网、远程控制等技术，实现机械自动抄表，由计算机实时监控能耗数据并进行相应调节，以帮助企业节省成本，减少碳排放，实现绿色生产。

3 能耗重点—中央空调

在生产制造型企业中，中央空调是重点耗能设备，通常占企业整体能耗的50%以上。相较于其他耗能设备，中央空调的能耗管控以及改造成本较小，且不会对生产造成影响。

随着物联网基础设备的普及和传感器信息采集的多样化，物联网底层信息采集节点所产生的数据量正呈指数级增长，如何合理有效的处理和利用这些数据，使其成为工业生产和管理的依据，是目前迫切需要解决的问题[3]。

中央空调结构如图1所示。中央空调主要包括冷冻泵、主机、冷却泵和冷却塔，通过现场数采模块将采集的数据进行算法分析，提高数据的利用效率，是大多数企业采用的生产能耗管控策略。计算机端基于管控策略完成能耗控制，为企业节省能耗成本。

图1 中央空调结构

3.1 中央空调的问题分析

中央空调包括以下7方面问题。

（1）水温设置。主机的出水温度设置不能与室外天气温湿度关联，无法进行精细化调节，存在能源浪费。

（2）温差控制。主机运行在大流量、小温差（1～3 ℃）的不利工况下，效率下降、能耗增加。

（3）水泵变频。10台冷冻水泵、冷却水泵定频运行，能耗浪费严重。

（4）人工加、减机。制冷站依靠人工经验进行加、减机操作，不及时且不准确，存在能源浪费。

（5）故障报警。现场故障报警，无法远程及时获取报警信息，应急反应滞后，导致损失扩大。

（6）数据分析。空调系统运行数据离散、不准确、无能效数据，依靠人工经验分析，费时费力且偏差大。

（7）运维效率。依靠人工巡检、抄表，无能耗细分计量，无能源管理系统，有待通过数字化工具提升运维效率。

3.2 中央空调能耗分类

中央空调的能耗主要由末端和冷源产生。末端包括风机盘管、组合式空调机组、新风机、吊柜风机，所有能耗占比约为30%；冷源包括主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔，能耗占比约为70%。

同时，以下方面也影响着空调能耗。

（1）设计、安装：末端冷热不均、水力不平衡、远端压力不足、风量不够、主机满载等；

（2）单个设备的效率：主机、水泵、冷却塔更换高效设备，节能率达10%～30%，但投入较大；

（3）运行控制：提高控制运行效率，节能率达10%～30%，投入较小；

（4）维保：水处理、主机通炮、冷却塔清洗及主机、水泵维修等。

从企业的改造成本以及能耗管控的性价比角度考虑，在运行控制部分进行节能是目前最为理想的方法。

3.3 中央空调节能原理

空调制冷量：

式中：M代表冷冻水流（m3/h）；△T代表冷冻水进出的温差（℃）。

相同制冷量Q=冷冻水流量M上升量×冷冻水温差△T下降量=冷冻水流量M下降量×冷冻水温差△T上升量，即（现有运行模式）大流量×小温差=（改造后运行模式）小流量×大温差，两种运行模式下制冷量相同，不影响末端供冷。

两种运行模式下的能效差别：温差△T每增加1 ℃，主机效率提升3%；冷冻水流量（M）∝水泵转速（V）∝水泵频率（H），水泵功率（P）∝水泵频率（H3），即水泵功率与水泵频率立方成正比。水泵频率H下降10%，水泵功率下降27.1%；水泵频率H下降20%，水泵功率下降48.8%；水泵频率H下降30%，水泵功率下降65.7%。

结论：改造后，小流量、大温差运行不仅能够保障供冷量，且能效更高！

4 降低中央空调能耗的讨论

4.1 物联网技术

现场通过加装无线物联网传输模块，与压力传感器、水温传感器、温湿度传感器、物联控制器、边缘服务器等相连，实现现场数据快速采集与实时分析处理。物联网模块内部连接如图2所示。

图2 物联网模块内部连接

将用户使用数据、能耗数据、环境数据、空调故障数据、维护数据等上传并存储至云端服务器，云端服务器基于大数据的存储平台和计算平台对手机具体数据进行分析处理[4]。

能源监管后台也是企业进行能耗管控的重要部分。能源源点动态监测系统是利用物联网技术，结合现代通信、数据库等，对企业生产过程中的水、电、天然气等能源（资源）消耗数据进行采集，对设备能耗进行动态测量、分析、诊断的监测系统[5]。能源监管后台界面如图3所示。

图3 能源监管后台

4.2 中央空调节能操作

开关机：准确按照需求开关机，杜绝浪费，可节能5%～10%；加减机：根据负荷变化精准加减，节能5%～10%；水温设置：根据气温变化，自动设置水温，提升主机能效，节能3%～9%；温差控制：控制进回水温差达到或接近标准5 ℃温差，主机能效提升3%～9%；水泵、风机变频：依据水温自动变频调节，节能10%～15%。

4.3 预期目标

通过传感器实现对机械设备的远程巡检，节省了人力资源，降低了巡检成本[6-8]。现场边缘服务器如图4所示。系统根据标准设定最优的开关机时间，并按时间进行开关机操作，确保中央空调运行开关时间最优。各种运行工况下的综合能效优化需根据室外温度变化、末端冷量需求变化调节冷水机冷冻水出水温度，降低冷水机能耗，确保运行效率最优[9-11]。

图4 现场边缘服务器

5 结 语

通过对中央空调的冷冻泵、冷却塔、冷却泵、主机等能耗单元进行监控管理，实现节能减排，大幅降低企业用能与用人成本，为企业的长久发展持续提供动力，为环保做出应有贡献。