淺析超高層建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)負荷預(yù)判技術(shù)

王瑾烽 錢曉陽

摘 要：超高層建筑的能耗問題是全球性的難題。超高層建筑中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備龐大繁雜， 幾乎遍及樓宇每一角落，通過對超高層建筑的各個耗能設(shè)備運行參數(shù)進行實時跟蹤，動態(tài)研判負荷需求，對中央空調(diào)冷凍（熱）水系統(tǒng)進行動態(tài)控制，使中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制更加準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：超高層建筑 中央空調(diào) 節(jié)能 控制

隨著中國綜合國力的增強和城市化進程的不斷推進，超高層建筑在我國的各大城市遍地開花。中國成為繼美國之后超高層建筑最多的國家，成為世界建筑業(yè)的標(biāo)桿。超高層建筑的外墻，基本采用玻璃幕墻。為了營造一個舒適良好的辦公、生活環(huán)境，超高層建筑內(nèi)部通常安裝大型中央空調(diào)系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)在有效調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部溫度的同時，也消耗了大量的能源。

一、我國超高層建筑的能耗狀況

超高層建筑中央空調(diào)系統(tǒng)包含上千臺機電設(shè)備，主要由供冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等組成。中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的控制原理是對冷凍機房內(nèi)的全部設(shè)備，包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔等設(shè)備進行優(yōu)化控制，通過各設(shè)備運行參數(shù)的檢測與反饋，尋找冷凍機房的最低總能耗，控制各機房設(shè)備運行在最低能耗工況。由于尋優(yōu)方式的不同，一般不能保證每一臺套設(shè)備都運行在最低能耗，而是根據(jù)當(dāng)前的負荷需求，尋找整個冷水機房的最佳效率點，控制不同的臺數(shù)組合總的運行效率最低，從而保證每臺冷水機組運行在最佳效率點附近。由于現(xiàn)存的中央空調(diào)系統(tǒng)存在著時滯性、非線形、時變性和不確定性等多個缺點，傳統(tǒng)控制方式的局限性制約了節(jié)能控制不能穩(wěn)定運行在最佳效率點。[1]

建筑能耗主要是由建筑物內(nèi)部的耗能設(shè)備如風(fēng)機、水泵和照明等電氣設(shè)備運行產(chǎn)生的，其中采暖、空調(diào)能耗約占60%-70%。大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，空調(diào)系統(tǒng)占一般賓館、寫字樓總能耗的 30%～40%，一些大型中央商場甚至占建筑總能耗的 50%左右。建筑耗能、工業(yè)耗能和交通耗能是現(xiàn)階段我國的三大“耗能大戶”。1我國每年建造大量的新建建筑，只有3%左右是節(jié)能建筑。如果再不采取節(jié)能措施，2020年建筑能耗將達到11億頓標(biāo)準(zhǔn)煤。

二、常見超高層建筑的中央空調(diào)節(jié)能控制方式

我國現(xiàn)階段超高層建筑中央空調(diào)節(jié)能主要的控制模式有三類。

第一類的機房群控系統(tǒng)，其控制原理是對水泵進行變頻控制，通過對冷卻塔和冷水機組的起動、運行和停止的控制達到節(jié)能目的。

第二類是機房節(jié)能控制系統(tǒng)，其控制原理是尋找空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)效率點，從而對整個冷水機房的運行進行優(yōu)化協(xié)調(diào)。

第三類是中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)集成化管理。一套完整的中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)和散熱水塔組成。組成部件較多，須進行有序的集成化管理，提高節(jié)能減排的效果。

無論哪種模式其核心為智能化變頻控制。中央空調(diào)的能量循環(huán)離不開水與風(fēng)的循環(huán)，而水泵和風(fēng)機是不可或缺的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，水泵、風(fēng)機都是按系統(tǒng)最大流量和壓差進行配置的，但現(xiàn)場環(huán)境不總是運行在最大狀態(tài)，而且是非線性變化的，因此，只用變頻控制很難達到最優(yōu)控制。現(xiàn)代建筑是一個智能化的建筑體，廣泛采用樓宇智能化設(shè)備，具有自動化辦公與通訊、自動化消防與保安、自動化設(shè)備運行等功能。在智能化大樓內(nèi)對中央空調(diào)的運行采用智能化控制和管理，更大地提高了設(shè)備運行的經(jīng)濟性和可靠性，其節(jié)能效果在國際上已普遍認可。

三、超高層建筑的動態(tài)負荷預(yù)判技術(shù)

針對超高層建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)分布點數(shù)量大、設(shè)備龐大繁雜的特點，采用了智能化集成、分布式群控的中央空調(diào)控制系統(tǒng)。通過完善中央空調(diào)系統(tǒng)集中控制平臺，對離心式冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、熱水泵、冷卻塔等耗電設(shè)備設(shè)置能量檢測，遠程監(jiān)控。

由于中央空調(diào)系統(tǒng)是一個變負荷的系統(tǒng)，空調(diào)負荷隨外界環(huán)境變化及空調(diào)使用量的變化而變化。另外，中央空調(diào)的負荷隨著氣候及外界溫濕度變化而波動，在中央空調(diào)的節(jié)能控制中采用先進的冷凍（熱）水負荷動態(tài)控制，對負荷進行預(yù)判斷，有效的解決中央空調(diào)冷凍（熱）水系統(tǒng)的時滯性和大惰性問題，實現(xiàn)中央空調(diào)能源管理控制系統(tǒng)多區(qū)域冷熱量均衡分配，實現(xiàn)離心冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、熱水泵、冷卻塔風(fēng)機的智能管理及節(jié)能優(yōu)化，保證冷水機房動態(tài)地運行在最佳效率點上，實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。具體實現(xiàn)路徑：

（一）完善中央空調(diào)系統(tǒng)能耗計量，完善集中控制平臺

根據(jù)超高層建筑各樓層用戶的特點，查找人為控制很難解決的能耗浪費現(xiàn)象。通過設(shè)置能量檢測系統(tǒng)實現(xiàn)能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集與傳輸，經(jīng)過集中控制平臺，對水泵、冷水機組、冷卻水系統(tǒng)和冷卻塔等設(shè)備實現(xiàn)無人值守運行自動控制。

（二）構(gòu)建智能化集成、分布式群控的中央空調(diào)系統(tǒng)

構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的集中控制平臺，設(shè)置模糊能效控制，達到能量平衡分配。通過分布式控制子網(wǎng)，實現(xiàn)對區(qū)域冷（熱）量均衡控制，對泵組的優(yōu)選組合控制以及基于COP優(yōu)化的主機群控。

四、結(jié)語

通過對超高層建筑物各樓層的耗能設(shè)備實際運行參數(shù)（如：電量、水量、氣量、集中供熱量、供冷量）和環(huán)境變化（如溫度、濕度等）的實時跟蹤，在滿足高品質(zhì)的公共建筑環(huán)境要求的前提下，以管理為抓手，以技術(shù)創(chuàng)新的突破口，通過負荷動態(tài)預(yù)判解決中央空調(diào)系統(tǒng)時滯性、非線性和不確定性問題，使中央空調(diào)控制系統(tǒng)更加準(zhǔn)確。實現(xiàn)自適應(yīng)性智能化集中控制，改善能源緊缺的局面，實現(xiàn)節(jié)能、減排，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠的意義。

參考文獻

[1]陳永順.中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)集成化管理在高鐵站的應(yīng)用[J].技術(shù)經(jīng)濟與管理，2017（3）.