“科技”如何通过系统集成降低中央空调系统能耗？

2022-10-10

在公共建筑中，中央空调系统的能耗占建筑总能耗的30%～60%。冷源部分（主机+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔）的能耗占中央空调系统能耗的60%~90%。可见中央空调系统的能耗控制是非常必要的。本期我们将从系统设计的角度分享如何控制中央空调的能耗。

一、中央空调能耗控制的思路

中央空调能耗控制需要统筹考虑，从设计、施工、运维等各个环节进行精细化检查和服务：

1）超高效中央空调系统的精细化设计；

2）BIM精细化制图及施工监理；

3）M-BMS多智能体自适应节能控制系统的精细化监控；

4）详细讨论了暖通空调和自动控制系统的详细运行、调试和优化。

在这里，我们要特别提一下：

在大多数公共建筑中央空调系统中，能耗高的主要原因是设计问题。例如：

(1)冷热源选择不当；

（2）冰箱、水泵的容量选择过大；

（3）控制不精细；

上述问题还有很大的缺点：成型一旦投入使用，后期很难调整优化。

2.系统细化设计

2.1 年负荷模拟

方案设计前，我们建议根据建筑数据和暖通空调要求，通过仿真软件按小时、按天、按月计算建筑负荷，得到全年的准确数据：如总冷负荷、最小冷负荷，详细 建筑物的日负荷变化和年负荷变化。

2.2 变负荷条件下的年能效计算

中央空调系统是一个庞大而复杂的系统工程，各系统设备相互关联，相互影响。

建筑环境的变化是一个由多种因素共同决定的复杂过程，是由室外天气条件、室内外通风条件、室内各种热源供暖条件等因素共同决定的。

因此，建筑环境控制系统的运行也必须根据建筑环境的变化不断调整。我们建议通过计算机模拟来计算建筑物的年能源效率。

2.3 空调水系统优化设计

2.3.1 主机优化

根据设计院提供的设计负荷和业主提供的设备使用规则，对全年每小时冷负荷需求进行分析，并进行模型分析。结合空调系统群控设备的运行策略，选择综合能效最优的主机形式和组合。通常选用温差大的双级能效变频直驱主机和三级蒸发器，冷凝器采用两级工艺，自带橡皮球清洗端盖，保证自常年清扫，达到全周期保持能源效率的效果。

图1 高效变频直驱离心机组

2.3.2 冷冻水温差大及末端群空优化

目前常规空调冷冻水系统设计温差为5℃，高效机房一般采用不低于7℃的大温差设计，可降低运行成本的水泵。为了适应较大的温差，加大了端子选择，可以适应更广泛的输出能力要求，在负载变高甚至超过设计最大负载时也能轻松适应负载。可以通过提高出水温度和减少风机风量来实现节能。

2.3.3 空调管网优化选择

首先，需要将使用时间相同、使用负荷规律相同的端部与同一组管网连接起来，以尽量减少不同管道之间的相互影响。在此基础上，由于泵的功率与扬程成正比，降低水系统阻力是降低输水功率的有效途径。建议采取以下主要措施。

一、选择低阻力阀件

1）过滤器：市面上的Y型滤水器过滤面积小，阻力大变频器能耗管理，一般为1～3m。应首选防水性能小于 0.3 m 的篮式过滤器。您也可以选择直角过滤器，安装在泵的进口处，可以连接水平管道和垂直管道，节省弯头及其阻力损失。

2）止回阀：目前市场上常用的蝶形止回阀阻力较大，一般为1～2m，应优先选用防水阻力小于0.3m的静音止回阀。

二、管网低阻力优化

通过将泵的进出水口高度设置为与主机进出水口齐平，可以减少管道弯头。如果将泵入口处的弯头改为直角过滤器，或取消落地式分集水器的设计，也可以减少弯头。机房水管设置弯头时，尽量顺水设置弯头，阻力可降低50%。

3.空调水系统仿真建模

暖通空调系统一般是由许多管道、设备等装置通过各种连接方式组合而成的网络。在整个网络中，每个部分都是独立的，相互影响，它们各自的物理参数不能单独求解，需要同时求解整个网络中的所有物理量。通过管网建模仿真软件，可以针对更复杂的系统快速有效地建立准确的系统模型，并进行完整的分析。通过管道参数和阻力元件的设置，以及主机和终端设备的动态水阻力曲线设置，在给定的设计流量下，模拟了系统在该流量下的总压降，为泵的选择提供了依据。计算变流量工况下10%~100%工况下的泵扬程，输出系统中所有设备的模拟参数，包括流量、流量、压降等。

图2 机房空调水系统仿真建模

2.3.4 冷却塔性能优化

据测算，冷凝温度每升高1℃，单位制冷量的耗电量约增加2%～3%。因此，降低冷却系统的供回水温度，可以显着提高冷水机组的COP值。但是，为了实现这一点，需要采取以下措施：

1）提高冷凝器冷却水侧放热系数：提高放热系数的有效途径是降低水侧结垢热阻，有效处理冷却水补给。

2）增加冷却塔型号：考虑一定的余量系数，根据工程最不利的局部区域适当增加冷却塔型号，力求减少冷却塔逼近设计条件为3℃以下。

2.3.5 泵优化

空调水系统输电能耗约占空调系统能耗的20%，优化空间较大。主要措施有：

1）优化泵头的选择：以空调水系统最不利回路阻力加上机房各设备阻力之和作为确定泵头的依据。大管径可以减小泵头。

2）降低冷却塔水头：冷却塔顶部进水管高度与集水盘液面高度之差即为塔水头，直接影响水头泵，所以尽量选择塔头小的产品。

3、BIM精细化制图及施工监理

由于超高效冷源系统机房管线往往较为复杂，施工费时费力，而且这个过程很容易造成很多施工隐患。因此，在这个过程中，现在很多单位和团队都在使用BIM技术。

BIM技术实际上是使用工具来更好地在施工中进行沟通和协作。其优点如下：

1）3D可视化和精准定位：

传统的机房使用CAD软件来表达管道的位置。BIM模型可以三个维度表达，清晰表达超高效机房系统中各种斜管的位置，及时发现施工设计问题。

2）设备参数的复杂计算：

超高效中央空调系统安装过程中，由于管道的深入设计和路线调整，在此过程中会增加或减少部分管道的长度和弯头的数量，这将有对原系统阻力参数有一定影响。BIM技术可以避免这个问题。

3）传感器的定位：

利用BIM技术，传感器可以在图纸上准确定位，提前判断安装空间和位置是否满足要求。如不符合要求，可及时调整管路系统，以保证自控传感器的顺利安装，为后续准确数据采集提供保障，避免传感器安装空间和位置不符合规范要求，而后续操作采集的数据存在较大误差问题。

4. M-BMS多智能体自适应节能控制系统精细化监控

我们先来了解一下什么是M-BMS多智能体？

M-BMS多智能体是一定数量的自治个体通过相互合作和自组织。在这个系统中，所有的单元（子系统）都是独立平等的，可以独立完成各自的任务，不需要其他单元的干预。同时，各单元还可以协同工作，实现整个系统的运行。

由主机综合节能控制系统、水泵智能节能控制系统、冷却塔智能节能控制系统、终端智能节能控制系统等模块以多Agent形式组成自我协调，形成一个统一的整体。

硬件形式可根据模块组合的类型和数量而有所不同，适用于不同形式的机房系统。同时也适用于强弱电一体化解决方案和弱电强电解决方案。此外，它还可以与云端进行实时交互、检测和分析。如果某台设备出现故障，也可以通过智能识别禁止打开故障设备，使用其他设备进行补偿操作。

图 3 M-BMS 多智能体自适应节能控制系统架构图

M-BMS多智能体自适应节能控制系统的作用：

（1）主机集成节能控制系统模块会根据建筑负荷实时变化，使空调主机自动调节空调组合和输出负荷，控制质量/空调水系统的冷热量，使空调主机在高能效状态下运行。保证冷冻水泵和冷却水泵处于低能耗状态，保证系统性能系数最高（即系统整体能耗最低）。

(2)水泵智能节能控制系统模块通过变频器灵活启动水泵。水泵启动后，根据控制器输出的控制参数值，加减最优效率，调整各水泵变频器的输出频率，控制水泵的输出频率。旋转速度。冷冻水泵组将使系统在保证终端空调用户舒适度的同时，实现最大程度的节能。冷却水泵组将优化冷却传递系数。

(3)冷却塔智能节能控制系统模块根据采集的实时气象数据和系统历史运行数据计算出最佳冷却水温度，并与检测到的实际参数进行比较，控制冷却风扇根据其偏差值。启停变速运行，从而改变冷却塔的散热，使冷却水系统的回水温度趋于最佳值。

(4)终端智能节能控制系统可通过室内温湿度调节模块内部的送风温度、水阀开度和风机频率。最大限度地减少风扇能耗。

5、暖通空调及自控系统的精细化运行、调试和优化

5.1 空调设备的精细调试

5.1.1 主机精细调试

冷水机完成主机的运行和调试，并提供调试报告、最佳部分负荷率电子表格或曲线、最大和最小冷冻和冷却水流量条件、最大和最小冷却水入口温度和冷冻水出口温度。确定主机的能效状态以确定每个主机的最佳运行负载段。并出具冷水机组诊断分析报告。

5.1.2 制冷、冷却水泵的精细调试

根据优化的机房平面布置、管网设计图、外购设备技术参数，进行精确计算对比，试验确定所有泵的最佳运行技术参数. 并出具泵诊断、分析报告。

5.1.3 冷却塔精调试

根据冷水机组的最佳部分负荷率电子表格或曲线，测试运行中的冷却塔数量和不同负荷段的冷却效果。并出具冷却塔诊断、分析报告。

5.1.4 冷源机房系统精细调试

待机房系统中所有设备完成单台设备的精细调试后，启动所有冷源机房系统，在最优效率点测试各负荷段各设备协同运行性能参数。并出具冷源机房系统诊断分析报告。

5.1.5 终端系统诊断与分析

机房冷源系统精调试完成后，在冷冻水供水温度达到设计值±0.5℃，终端系统全负荷和部分负荷运行的情况下，温度冷冻水主管供回水温差大于等于设计温差-0.5℃，确定终端系统运行在不同负荷区间，冷冻水供回水温差可达≥设计温差-0.5℃，出具终端系统诊断分析报告。

5.2 节能控制系统调试

5.2.1 传感器校准

根据传感器技术要求数据，对系统中的温度、流量等传感器进行标定，满足技术文件要求。

5.2.2 半自动模式调试

单机自动运行模式，一键启动机组，机组内冷却、冷冻水泵、电动阀、冷却塔自动联锁，自动控制系统自动调节冷冻、冷却水泵流量实现单机高效运行。

5.2.3 全自动模式调试

(1) 主机优化控制

根据最佳部分负荷率电子表格或曲线确定机组的最佳负荷值，对应冷却水入口温度和冷冻水出口温度设定值。根据终端负荷的实测需求，计算出需要投入的机组规格和台数，实现机组台数的优化控制。

(2)冷冻水泵变频控制

根据最终测得的冷冻水流量需求、最不利回路的压差变化、冷冻水进出口温差、流量分布和水泵运行频率控制，保证冷冻水的供回水温差大于或等于设计值，避免大流量小温差不节能的现象。

(3)冷却水泵变频控制

根据实测水流量需求和冷却水进出口温差，准确控制冷水机并联回路的动态压力平衡和水泵的运行频率，冷却水供回水不低于设计值，防止大流量、小温差节能低效现象。并能保证冷水机在最高效率范围内运行。

(4) 冷却塔自控系统调试

根据测得的冷却水流量自动控制投入运行的冷却塔数量；根据出水温度与室外湿球温度的差值控制风机的运行频率，确保接近在合理的水平。