廣電中心中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

赫連軍

（山東省廣播電視傳輸保障中心，山東濟南 250011）

0.引言

廣電中心屬于大型公共建筑。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，這類大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)能耗可占到建筑總能耗的50%以上，因此有必要對廣電中心中央空調(diào)系統(tǒng)能耗展開全面分析，并據(jù)此進行合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。

1.項目概況

某廣電中心中央空調(diào)系統(tǒng)項目位于夏熱冬冷氣候區(qū)，集中供能面積約200000m2，設(shè)備眾多、位置分散、工藝復(fù)雜，冷熱負荷與日負荷變化均較大，用能時間不規(guī)律，不同區(qū)域的控制要求各不相同，時滯、時變和非線性特征強，負荷預(yù)測難度大，人工管理隨意性大。本項目設(shè)計夏、冬兩季峰值冷負荷分別為45888kW和33140kW，設(shè)計單位冷、熱負荷分別為117W/m2和105W/m2；共配置冷熱源及水力輸配設(shè)備182臺，總功率為26890kW；夏季供冷采用常規(guī)電制冷系統(tǒng)，能源中心按梯次配置安裝2臺單機頭離心機、5臺雙機頭離心機及1臺螺桿機；冷凍水泵和冷卻水泵一對一進行設(shè)置，共配置開式冷卻塔39臺；冷凍水設(shè)計為7℃大溫差運行模式，供回水溫度為6.0℃/13.0℃；冬季采用市政蒸汽換熱空調(diào)模式，內(nèi)區(qū)及工藝機房仍供冷，外區(qū)負責(zé)供熱，共配置全自動蒸汽換熱機組2組；系統(tǒng)形式采用區(qū)域3次泵分區(qū)、分段輸配系統(tǒng)，東西區(qū)共配置5個3級泵房，末端空調(diào)機房配置約376間，已安裝388臺空調(diào)機組、161臺新風(fēng)機組及2242臺風(fēng)機盤管。本項目自正式投入運行以來，因各種原因而一直未采用節(jié)能控制系統(tǒng)，只有蒸汽換熱機組可以進行自動調(diào)節(jié)運行，其余設(shè)備完全依靠人工管理運行；控制柜雖已安裝變頻器，但在實際運行中仍是采用定流量運行模式；夏季冷卻水存在大流量小溫差運行現(xiàn)象，更換冷機時冷卻塔經(jīng)常發(fā)生溢流，各級管路旁通由于缺乏控制，經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的混水及水力失調(diào)現(xiàn)象；全程電子水處理器運行存在故障；末端空調(diào)機組雖已安裝比例積分電動調(diào)節(jié)閥，但在實際運行中仍只能采用手動調(diào)節(jié)方式。

2.能耗分析

2.1 系統(tǒng)運行情況

根據(jù)本項目近年來的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：制冷機組全年24h運行約200d，冬季供暖24h運行約130d，冬季冷卻塔自然供冷24h運行約150d；夏季高溫期至多開啟制冷主機3臺，峰值負荷為18500kW，非高溫期一般開啟1～2臺，演播廳使用較多時適當(dāng)增加主機及區(qū)域水泵臺數(shù)供冷。

2.2 電能耗

根據(jù)本項目的值班運行記錄及演播廳節(jié)目保障單進行統(tǒng)計顯示：室內(nèi)設(shè)計溫度、室外溫濕度、新風(fēng)量、圍護結(jié)構(gòu)、人員密度等是影響中央空調(diào)系統(tǒng)負荷的主要因素；室外溫濕度是影響中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的最大參數(shù)；氣溫是影響中央空調(diào)系統(tǒng)用電量的主要因素，一年中最大用電量通常在8月、最少用電量通常在4月，年度平均占比約43.70%；冷熱源及輸配系統(tǒng)用電量占比約69.25%。

2.3 蒸汽能耗

根據(jù)本項目的值班運行記錄及演播廳節(jié)目保障單進行統(tǒng)計顯示：中央空調(diào)系統(tǒng)的年度蒸汽能耗平均值約為1000t；當(dāng)遭遇極寒天氣時，蒸汽用量會出現(xiàn)大幅度上升。

2.4 節(jié)能空間估算

根據(jù)本項目的相關(guān)能耗數(shù)據(jù)并結(jié)合中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗進行分析顯示：經(jīng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后的中央空調(diào)系統(tǒng)，水泵節(jié)能可達到40%～70%，冷水機組節(jié)能可達到10%～20%，蒸汽節(jié)能可達到約10%，綜合節(jié)能率可達到21.4%左右，按平均電價計算年節(jié)省費用可達到約1765000元。

3.節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

3.1 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計原則

在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，需遵循幾點基本原則[1-2]：（1）綠色環(huán)保原則。當(dāng)今時代，綠色環(huán)保理念越來越深入人心，尤其是自黨的十八屆五中全會提出“綠色發(fā)展”后，對綠色環(huán)保方面的要求日益提高，在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中需充分遵循綠色環(huán)保原則，致力于實現(xiàn)節(jié)約資源、減少污染、保護環(huán)境、與自然和諧共生，打造健康、適用、高效的中央空調(diào)系統(tǒng)。（2）功能達標(biāo)原則。中央空調(diào)系統(tǒng)的主要功能是為室內(nèi)提供采暖及進行通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)，由于不同區(qū)域的采暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)各不相同，在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中需充分遵循功能達標(biāo)原則，確保中央空調(diào)系統(tǒng)的功能達到各區(qū)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）經(jīng)濟適用原則。之所以要對中央空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，一是為了降低能耗、節(jié)省能源。二是為了減少能源花費、降低成本，在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中需充分遵循經(jīng)濟適用原則，盡可能采取相適宜的、較為經(jīng)濟性的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方案，而不能為了實現(xiàn)節(jié)能目的而一味增加成本。（4）安全可靠原則。廣電中心中辦公人員眾多，采暖、通風(fēng)等需求量大，在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中需充分遵循安全可靠原則，切實保證系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，最大程度避免系統(tǒng)故障的發(fā)生。

3.2 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)本項目的特點及能耗情況，提出其節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方案為[3-4]：（1）重點對冷熱源和水力輸配系統(tǒng)進行節(jié)能控制，選用先進、可靠的軟硬件控制方案，且在評估方案可行性和可靠性之時充分參考類似建筑體量及工藝復(fù)雜程度的成功項目案例。（2）同期建設(shè)系統(tǒng)能耗綜合監(jiān)測平臺，用以實時進行各受控設(shè)備的用能計量，并動態(tài)生成系統(tǒng)COP曲線，自動提供詳細的節(jié)能報表，便于了解設(shè)備能耗情況。（3）根據(jù)實際負荷自適應(yīng)調(diào)節(jié)各類設(shè)備臺數(shù)，并采用水泵變頻自動控制，提高水力平衡效果。（4）在系統(tǒng)中設(shè)置氣候補償節(jié)能裝置，一方面實現(xiàn)供能水溫與室外溫度變化的自動補償，另一方面實現(xiàn)分時、分溫控制。（5）加強施工風(fēng)險防控，盡可能減少對廣電中心正常辦公和節(jié)目安全播出的影響，如在管道上開孔安裝溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等設(shè)備時，需采用帶壓在線安裝工藝，并在短暫的過渡季節(jié)開展放水作業(yè)。（6）優(yōu)先使用不與外網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備管理專用網(wǎng)絡(luò)來進行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制，或者也可以采用空調(diào)能源管理云系統(tǒng)，但注意需加強網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護管理。（7）根據(jù)保障重要性程度的不同對末端空調(diào)機組采用不同的控制配置方案，盡量簡化其功能，只需滿足基本的溫控、新風(fēng)、定時運行以及手自動切換等功能即可，以方便維護和降低成本。（8）敷設(shè)400m的保溫管道，將冬季采暖產(chǎn)生的50℃～60℃的蒸汽冷凝水引至餐廳后堂進行使用，以節(jié)約水資源。（9）在系統(tǒng)中加設(shè)2套自動加藥裝置用來處理水質(zhì)中的粘泥、結(jié)垢、水藻等，避免造成盤管堵塞或管路附件腐蝕，引起換熱效率降低和能耗增加。

3.3 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計重點

（1）供暖系統(tǒng)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)重點對供暖系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。在實踐中，可在供暖系統(tǒng)中同步配置散熱器與空調(diào)，使兩者進行主次供暖。同時，根據(jù)廣電中心各區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)特點與實際供暖需求，對供暖管路的布局方案進行合理優(yōu)化，盡量縮短管路距離，優(yōu)先選擇立式單雙管布置形式或者垂直隔斷布置形式。經(jīng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后的供暖系統(tǒng)既能夠大大提高熱能使用效率、降低能耗，又具有供暖效果好、成本低廉、使用靈活等優(yōu)點。

（2）冷凍水系統(tǒng)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)重點對冷凍水系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。在實踐中，可通過合理調(diào)整水泵運行工況來提高其負荷變化適應(yīng)能力，以使其能夠在部分負荷運轉(zhuǎn)工況下有效滿足實際運行需求。具體的措施有控制閥門開啟度、設(shè)置變頻水泵設(shè)備、優(yōu)化多水泵葉輪直徑、調(diào)整冷卻塔設(shè)備運行參數(shù)等，應(yīng)結(jié)合實際情況綜合運用多種措施，以使冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能效果達到最優(yōu)化。經(jīng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后的冷凍水系統(tǒng)，能夠有效降低能耗、提高能源利用效率、節(jié)約用電成本。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)重點對通風(fēng)系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。在實踐中，應(yīng)對通風(fēng)系統(tǒng)形式進行合理選擇，在面積較大的區(qū)域中，可優(yōu)先選擇應(yīng)用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，并設(shè)置變風(fēng)量末端裝置，這樣可以根據(jù)實際需求來有效調(diào)節(jié)送風(fēng)量，減少風(fēng)機與制冷機組的運行能耗，達到良好的節(jié)能效果。在高大空間中，可基于送風(fēng)射流卷吸原理進行分層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，即在垂直方向上將區(qū)域劃分為一個空調(diào)系統(tǒng)，分層面為送風(fēng)口中心線，分層面上部為非空調(diào)區(qū)域、下部為空調(diào)區(qū)域，由于非空調(diào)區(qū)域的溫度比空調(diào)區(qū)域的溫度高，所以兩個區(qū)域會持續(xù)形成對流與輻射熱轉(zhuǎn)移負荷，從而起到節(jié)省冷量的效果。再者，還可結(jié)合實際情況靈活應(yīng)用單區(qū)、雙風(fēng)道及多區(qū)再熱等通風(fēng)系統(tǒng)形式。經(jīng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后的通風(fēng)系統(tǒng)，能夠在保證良好通風(fēng)效果的同時達到有效的節(jié)能目的。

（4）空調(diào)自控系統(tǒng)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)重點對空調(diào)自控系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以進一步提升中央空調(diào)系統(tǒng)的智能化和自動化程度，更好地實現(xiàn)節(jié)能目的?？照{(diào)自控系統(tǒng)的主要功能是對中央空調(diào)系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)和控制。在實踐中，除應(yīng)用螺桿式冷水機組的區(qū)域外，均可采用一次泵負荷和冷熱源側(cè)定流量系統(tǒng)，在供回水總管內(nèi)和回水管上分別設(shè)置壓差旁通裝置和電動二通閥，在新風(fēng)管、排風(fēng)管及回風(fēng)管上設(shè)置溫濕度傳感器與電動風(fēng)閥。同時，還可采取多工況空調(diào)運行模式來對風(fēng)機和電動閥門進行實時控制，以進一步提高中央空調(diào)系統(tǒng)的運行效率、降低其運行能耗。

3.4 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

（1）地源熱泵技術(shù)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)合理地應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，以更好地實現(xiàn)節(jié)能目的。地源熱泵可將低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品位熱能，其主要是以各類水資源，如地下水、水庫水、江河湖海水等，或是土壤源來充當(dāng)冷熱源。同時，地源熱泵還能夠通過吸收建筑本身的熱量來降低其溫度。地源熱泵裝置具體又有3種類型：地埋管型、地下水源型、地表水源型。在中央空調(diào)系統(tǒng)中，最常應(yīng)用的當(dāng)屬地埋管型，其包括埋管和換熱器2部分，主要原理是通過介質(zhì)循環(huán)來進行傳熱。總的來說，地源熱泵的特點有：（1）可再生性。其夏季降溫與冬季供暖功能均是利用可再生能源而實現(xiàn)的。（2）環(huán)保節(jié)能。其對自然環(huán)境的污染小，而且可以節(jié)省大量電能。（3）便于維護。其裝置部件多是布置在室內(nèi)或者地下，且少有機械運動部件，多為自動化部件，耐久性好、壽命長以及便于維護。在地源熱泵技術(shù)的實際應(yīng)用中，應(yīng)靈活地根據(jù)區(qū)域氣候特征而對熱泵供熱進行調(diào)整，以最大化發(fā)揮出其作用與功能。

（2）余熱循環(huán)技術(shù)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)合理地應(yīng)用余熱循環(huán)技術(shù)，以更好地實現(xiàn)節(jié)能目的。余熱循環(huán)技術(shù)是一種新型節(jié)能技術(shù)，其主要原理是基于熱傳遞效應(yīng)、借助循環(huán)系統(tǒng)，使余熱從某部分傳遞到其他部分。在中央空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用余熱循環(huán)技術(shù)之后，能夠顯著降低系統(tǒng)能耗，還可以大大減少系統(tǒng)在運行過程中所產(chǎn)生的空氣污染，因為其動力系統(tǒng)與熱傳輸系統(tǒng)的回路是各不相同的，這點使得其可以有效避免在熱傳遞過程中液體受放射性影響而產(chǎn)生動力回路污染。

（3）變頻節(jié)能技術(shù)。在本項目的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)合理地應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，以更好地實現(xiàn)節(jié)能目的。變頻節(jié)能技術(shù)是一種把直流電逆變成不同頻率的交流電的轉(zhuǎn)換技術(shù)，其主要有2種工作模式：一種是先把交流電變成直流電，然后再把直流電逆變成不同頻率的交流電。另一種是先把直流電變成交流電，然后再把交流電變成直流電，無論哪種模式，期間都只存在頻率的變化，而電能本身是沒有變化的。變頻節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用是在相關(guān)設(shè)備上安裝變頻器。變頻器的主要組成是：整流、濾波、逆變、驅(qū)動單元、制動單元、檢測單元以及微處理單元等。借助變頻器，可以靈活地根據(jù)實際需要對相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，從而既能夠降低設(shè)備運行能耗，又能夠提高設(shè)備運行效率[5]。另外，在變頻節(jié)能技術(shù)中還應(yīng)用了智能功率模塊IPM和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊自適應(yīng)控制，基于智能功率模塊IPM可以有效實現(xiàn)功率變頻，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊自適應(yīng)控制可以有效形成集成系統(tǒng)及專用集成電路。在實踐中，以中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水泵為例：冷凍水泵在長時間運行狀態(tài)下往往都保持著最大水流量，受季節(jié)溫度變化影響，其實際負載往往會低于預(yù)定負載。所以一般需要將其溫度設(shè)置得相對較高，但這樣會大大增加能耗，而應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)后則能夠智能化管理冷凍水泵的流量，從而達到降低能耗的效果。

4.結(jié)語

廣電中心中央空調(diào)系統(tǒng)能耗極大，且在實踐中多為粗放管理，必須要對廣電中心中央空調(diào)系統(tǒng)進行合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，盡可能降低系統(tǒng)能耗，為我國的綠色發(fā)展和節(jié)能減排做出貢獻。