關(guān)于制造企業(yè)中央空調(diào)能耗的研究

趙 宇

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司深圳市分公司，廣東 深圳 518042）

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，生產(chǎn)制造型企業(yè)眾多，曾有“世界工廠”的稱號(hào)。制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年收入2 000萬(wàn)以上的工廠有300萬(wàn)座，年收入2 000萬(wàn)以下的工廠數(shù)不勝數(shù)。

新中國(guó)成立后，尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門(mén)類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動(dòng)了工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)了綜合國(guó)力。

制造企業(yè)對(duì)于能源的需求非常龐大，有了豐富的能源供應(yīng)，企業(yè)才能將產(chǎn)能提升至新的高度。而能源是當(dāng)今國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，能源短缺已成為我國(guó)亟待解決的問(wèn)題[1]。在這種情況下，對(duì)能源進(jìn)行監(jiān)管便十分必要，進(jìn)一步幫助企業(yè)降本增效，才能打造更加完善的智慧工廠。

1 深圳工業(yè)制造企業(yè)現(xiàn)狀

深圳是中國(guó)特色社會(huì)主義先行示范區(qū)，在工業(yè)與信息化領(lǐng)域起著領(lǐng)頭羊的作用。

作為擁有眾多大型制造企業(yè)的一線城市，深圳積極響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰”“碳中和”的號(hào)召。2020年，深圳市工業(yè)和信息化局發(fā)布了《2020年重點(diǎn)用能單位能源管理中心建設(shè)工作方案的通知》，年消耗5 000噸標(biāo)準(zhǔn)煤及以上的企業(yè)需自建能源管理中心，并且與市能源管理中心公共平臺(tái)互聯(lián)互通。深圳市重點(diǎn)用能企業(yè)達(dá)113家，現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)接的有58家，其余重點(diǎn)耗能企業(yè)待啟動(dòng)。能耗系統(tǒng)的推進(jìn)工作取得了階段性的成果，未來(lái)仍有很大的推動(dòng)空間。

2 使用能耗管理系統(tǒng)的必要性

能耗系統(tǒng)利用信息技術(shù)推動(dòng)節(jié)能降耗，是提升企業(yè)精細(xì)化管理水平的重要舉措，為企業(yè)準(zhǔn)確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢(shì)，科學(xué)利用能源提供技術(shù)支撐[2]。

對(duì)于制造型企業(yè)而言，為直接或間接降低產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”，需要執(zhí)行錯(cuò)峰用電，即根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性，通過(guò)行政、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等手段將電網(wǎng)用電高峰時(shí)段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到用電低谷時(shí)段，從而減少電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷差，優(yōu)化資源配置，提高電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于制造型企業(yè)而言，實(shí)行錯(cuò)峰用電會(huì)對(duì)生產(chǎn)形成較大影響。為保障碳排放量達(dá)標(biāo)且不影響企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)抄表，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，以幫助企業(yè)節(jié)省成本，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

3 能耗重點(diǎn)—中央空調(diào)

在生產(chǎn)制造型企業(yè)中，中央空調(diào)是重點(diǎn)耗能設(shè)備，通常占企業(yè)整體能耗的50%以上。相較于其他耗能設(shè)備，中央空調(diào)的能耗管控以及改造成本較小，且不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。

隨著物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的普及和傳感器信息采集的多樣化，物聯(lián)網(wǎng)底層信息采集節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，如何合理有效的處理和利用這些數(shù)據(jù)，使其成為工業(yè)生產(chǎn)和管理的依據(jù)，是目前迫切需要解決的問(wèn)題[3]。

中央空調(diào)結(jié)構(gòu)如圖1所示。中央空調(diào)主要包括冷凍泵、主機(jī)、冷卻泵和冷卻塔，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)采模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析，提高數(shù)據(jù)的利用效率，是大多數(shù)企業(yè)采用的生產(chǎn)能耗管控策略。計(jì)算機(jī)端基于管控策略完成能耗控制，為企業(yè)節(jié)省能耗成本。

圖1 中央空調(diào)結(jié)構(gòu)

3.1 中央空調(diào)的問(wèn)題分析

中央空調(diào)包括以下7方面問(wèn)題。

（1）水溫設(shè)置。主機(jī)的出水溫度設(shè)置不能與室外天氣溫濕度關(guān)聯(lián)，無(wú)法進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)，存在能源浪費(fèi)。

（2）溫差控制。主機(jī)運(yùn)行在大流量、小溫差（1～3 ℃）的不利工況下，效率下降、能耗增加。

（3）水泵變頻。10臺(tái)冷凍水泵、冷卻水泵定頻運(yùn)行，能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。

（4）人工加、減機(jī)。制冷站依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加、減機(jī)操作，不及時(shí)且不準(zhǔn)確，存在能源浪費(fèi)。

（5）故障報(bào)警?，F(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)警，無(wú)法遠(yuǎn)程及時(shí)獲取報(bào)警信息，應(yīng)急反應(yīng)滯后，導(dǎo)致?lián)p失擴(kuò)大。

（6）數(shù)據(jù)分析。空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)離散、不準(zhǔn)確、無(wú)能效數(shù)據(jù)，依靠人工經(jīng)驗(yàn)分析，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且偏差大。

（7）運(yùn)維效率。依靠人工巡檢、抄表，無(wú)能耗細(xì)分計(jì)量，無(wú)能源管理系統(tǒng)，有待通過(guò)數(shù)字化工具提升運(yùn)維效率。

3.2 中央空調(diào)能耗分類

中央空調(diào)的能耗主要由末端和冷源產(chǎn)生。末端包括風(fēng)機(jī)盤(pán)管、組合式空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)、吊柜風(fēng)機(jī)，所有能耗占比約為30%；冷源包括主機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔，能耗占比約為70%。

同時(shí)，以下方面也影響著空調(diào)能耗。

（1）設(shè)計(jì)、安裝：末端冷熱不均、水力不平衡、遠(yuǎn)端壓力不足、風(fēng)量不夠、主機(jī)滿載等；

（2）單個(gè)設(shè)備的效率：主機(jī)、水泵、冷卻塔更換高效設(shè)備，節(jié)能率達(dá)10%～30%，但投入較大；

（3）運(yùn)行控制：提高控制運(yùn)行效率，節(jié)能率達(dá)10%～30%，投入較??；

（4）維保：水處理、主機(jī)通炮、冷卻塔清洗及主機(jī)、水泵維修等。

從企業(yè)的改造成本以及能耗管控的性價(jià)比角度考慮，在運(yùn)行控制部分進(jìn)行節(jié)能是目前最為理想的方法。

3.3 中央空調(diào)節(jié)能原理

空調(diào)制冷量：

式中：M代表冷凍水流（m3/h）；△T代表冷凍水進(jìn)出的溫差（℃）。

相同制冷量Q=冷凍水流量M上升量×冷凍水溫差△T下降量=冷凍水流量M下降量×冷凍水溫差△T上升量，即（現(xiàn)有運(yùn)行模式）大流量×小溫差=（改造后運(yùn)行模式）小流量×大溫差，兩種運(yùn)行模式下制冷量相同，不影響末端供冷。

兩種運(yùn)行模式下的能效差別：溫差△T每增加1 ℃，主機(jī)效率提升3%；冷凍水流量（M）∝水泵轉(zhuǎn)速（V）∝水泵頻率（H），水泵功率（P）∝水泵頻率（H3），即水泵功率與水泵頻率立方成正比。水泵頻率H下降10%，水泵功率下降27.1%；水泵頻率H下降20%，水泵功率下降48.8%；水泵頻率H下降30%，水泵功率下降65.7%。

結(jié)論：改造后，小流量、大溫差運(yùn)行不僅能夠保障供冷量，且能效更高！

4 降低中央空調(diào)能耗的討論

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)加裝無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊，與壓力傳感器、水溫傳感器、溫濕度傳感器、物聯(lián)控制器、邊緣服務(wù)器等相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)快速采集與實(shí)時(shí)分析處理。物聯(lián)網(wǎng)模塊內(nèi)部連接如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)模塊內(nèi)部連接

將用戶使用數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、空調(diào)故障數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等上傳并存儲(chǔ)至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器基于大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)對(duì)手機(jī)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[4]。

能源監(jiān)管后臺(tái)也是企業(yè)進(jìn)行能耗管控的重要部分。能源源點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代通信、數(shù)據(jù)庫(kù)等，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的水、電、天然氣等能源（資源）消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)設(shè)備能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量、分析、診斷的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]。能源監(jiān)管后臺(tái)界面如圖3所示。

圖3 能源監(jiān)管后臺(tái)

4.2 中央空調(diào)節(jié)能操作

開(kāi)關(guān)機(jī)：準(zhǔn)確按照需求開(kāi)關(guān)機(jī)，杜絕浪費(fèi)，可節(jié)能5%～10%；加減機(jī)：根據(jù)負(fù)荷變化精準(zhǔn)加減，節(jié)能5%～10%；水溫設(shè)置：根據(jù)氣溫變化，自動(dòng)設(shè)置水溫，提升主機(jī)能效，節(jié)能3%～9%；溫差控制：控制進(jìn)回水溫差達(dá)到或接近標(biāo)準(zhǔn)5 ℃溫差，主機(jī)能效提升3%～9%；水泵、風(fēng)機(jī)變頻：依據(jù)水溫自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)，節(jié)能10%～15%。

4.3 預(yù)期目標(biāo)

通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程巡檢，節(jié)省了人力資源，降低了巡檢成本[6-8]?，F(xiàn)場(chǎng)邊緣服務(wù)器如圖4所示。系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定最優(yōu)的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間，并按時(shí)間進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)操作，確保中央空調(diào)運(yùn)行開(kāi)關(guān)時(shí)間最優(yōu)。各種運(yùn)行工況下的綜合能效優(yōu)化需根據(jù)室外溫度變化、末端冷量需求變化調(diào)節(jié)冷水機(jī)冷凍水出水溫度，降低冷水機(jī)能耗，確保運(yùn)行效率最優(yōu)[9-11]。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)邊緣服務(wù)器

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中央空調(diào)的冷凍泵、冷卻塔、冷卻泵、主機(jī)等能耗單元進(jìn)行監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，大幅降低企業(yè)用能與用人成本，為企業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展持續(xù)提供動(dòng)力，為環(huán)保做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。