智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

【摘要】文中對(duì)智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，報(bào)告了中央空調(diào)水系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理。同時(shí)，對(duì)當(dāng)前節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性及可操作性原則進(jìn)行闡述。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的詳細(xì)調(diào)查，涵蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化策略、系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng)方案以及先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用等方面，以期能夠有效提升智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)的能效，顯著減少能源消耗。

【關(guān)鍵詞】智慧建筑；中央空調(diào)水系統(tǒng)；節(jié)能優(yōu)化；環(huán)境保護(hù)

【中圖分類號(hào)】TU831.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0068-03

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗的重要組成部分，節(jié)能優(yōu)化潛力巨大，而中央空調(diào)水系統(tǒng)作為中央空調(diào)系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計(jì)與運(yùn)行效率直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能效。因此，對(duì)智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，不僅具有理論意義，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 中央空調(diào)水系統(tǒng)概述

中央空調(diào)水系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)冷熱源的傳輸和分配。為深入理解節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛力，首先需要對(duì)系統(tǒng)組成和工作原理有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

1.1 系統(tǒng)組成

中央空調(diào)水系統(tǒng)主要包括冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、水泵、管道及閥門(mén)控制器。①冷凍水系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送冷凍水至空調(diào)末端設(shè)備實(shí)現(xiàn)冷卻；②冷卻水系統(tǒng)則用于散熱；③水泵用于驅(qū)動(dòng)水循環(huán)；④管道傳輸通道，用于連接各個(gè)部分 ；⑤閥門(mén)控制器用于調(diào)節(jié)水流和溫度，以滿足系統(tǒng)需求。

1.2 工作原理

中央空調(diào)水系統(tǒng)的工作原理是冷凍水在系統(tǒng)中循環(huán)，經(jīng)過(guò)冷凍機(jī)（如冷水機(jī)組）進(jìn)行冷卻后，被輸送到各個(gè)空調(diào)末端設(shè)備，如風(fēng)機(jī)盤(pán)管吸收室內(nèi)的熱量，從而實(shí)現(xiàn)冷卻效果。

同時(shí)，冷卻水也在系統(tǒng)中循環(huán)，通過(guò)冷卻塔或其他冷卻設(shè)備進(jìn)行散熱，以維持冷凍機(jī)的正常運(yùn)行[2]。水泵作為系統(tǒng)的動(dòng)力源，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)冷凍水和冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而閥門(mén)控制器則根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求和運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)水流和溫度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能和高效運(yùn)行。

2 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性原則是智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的三大支柱。在未來(lái)的智慧建筑建設(shè)中，這些原則將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，向更加高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的空調(diào)系統(tǒng)邁進(jìn)。應(yīng)遵循以下3個(gè)基本原則，確保設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性[3]。

1）系統(tǒng)性原則。系統(tǒng)性原則強(qiáng)調(diào)在節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)中必須采取全局視角，將中央空調(diào)水系統(tǒng)視為一個(gè)有機(jī)整體，而非孤立部件的簡(jiǎn)單堆砌。設(shè)計(jì)師需深入理解各組件（如水泵、冷凍機(jī)、冷卻塔等）之間的內(nèi)在聯(lián)系與相互作用，確保它們之間的協(xié)同工作達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。此外，系統(tǒng)性原則還體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的把握上，如負(fù)荷變化時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，可以確保系統(tǒng)在不同工況下均能保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2）經(jīng)濟(jì)性原則。經(jīng)濟(jì)性原則要求節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)在追求高效能的同時(shí)，必須兼顧投資成本與長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。在方案制定過(guò)程中，需進(jìn)行詳盡的成本效益分析，綜合考量設(shè)備的購(gòu)置成本、安裝費(fèi)用、運(yùn)行能耗以及維護(hù)成本等因素[4]。因此，設(shè)計(jì)師需根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，靈活運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性原則，制定出既符合節(jié)能要求又經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化方案。

3）可操作性原則?？刹僮餍栽瓌t體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)便于安裝、調(diào)試、維護(hù)及后續(xù)升級(jí)。設(shè)計(jì)方案需充分考慮用戶的實(shí)際需求與操作習(xí)慣，確保系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)便，降低對(duì)專業(yè)技術(shù)的依賴[5]。同時(shí)，系統(tǒng)還需具備良好的可擴(kuò)展性和兼容性，以便在未來(lái)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功能升級(jí)或設(shè)備替換，保持系統(tǒng)的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。

3 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）水力平衡設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段，為實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行，需重視水力平衡設(shè)計(jì)，精確計(jì)算和選擇水系統(tǒng)的管道、閥門(mén)、水泵等組件。采用合理的管道布局和閥門(mén)設(shè)置，確保水系統(tǒng)在不同負(fù)荷下水流分布均勻，避免局部水流過(guò)大或過(guò)小導(dǎo)致的能耗浪費(fèi)。同時(shí)，選擇高效、節(jié)能、揚(yáng)程、流量匹配的水泵，確保其運(yùn)行在高效區(qū)，以實(shí)現(xiàn)能耗最小化。對(duì)水泵的變頻進(jìn)行調(diào)速設(shè)計(jì)，使其能根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持水力平衡。

2）控制方式優(yōu)化?？刂品绞綄?duì)于中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行具有重要影響，傳統(tǒng)控制方式存在響應(yīng)速度慢、精度低等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗較高[6]。因此，采用先進(jìn)的控制技術(shù)，如PID控制、模糊控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水系統(tǒng)的精確控制。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求和運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速、閥門(mén)開(kāi)度等參數(shù)，確保系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)。通過(guò)引入智能控制算法，如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等，實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)水系統(tǒng)更加智能化、自適應(yīng)化的控制。

3）系統(tǒng)布局優(yōu)化。系統(tǒng)布局的優(yōu)化也是設(shè)計(jì)階段需要考慮的重要因素，合理的系統(tǒng)布局可以降低能耗，提升系統(tǒng)的整體效率。根據(jù)建筑的實(shí)際需求和空間布局，合理地安排冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、水泵等組件的位置和連接方式。例如，將冷凍水系統(tǒng)布置在靠近空調(diào)末端設(shè)備的位置，可以縮短管道長(zhǎng)度，減少水流阻力，從而降低能耗。同時(shí)，還可以采用分布式布局方式，將水泵等組件分散布置在建筑的不同區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)更加均衡的水流分布和更低的能耗[7]。

3.2 運(yùn)行優(yōu)化

1）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。除設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化措施外，運(yùn)行階段的優(yōu)化同樣重要。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、負(fù)荷匹配以及能耗監(jiān)測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)能降耗。實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵手段之一，通過(guò)安裝傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，如水溫、水流、壓力等。然后根據(jù)參數(shù)的變化和實(shí)際需求，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速、閥門(mén)的開(kāi)度等參數(shù)，以確保系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)。例如，當(dāng)室外溫度降低時(shí)，適當(dāng)降低冷凍水的溫度，減少冷凍機(jī)的能耗。同時(shí)，可以利用先進(jìn)的控制算法和模型預(yù)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制。

2）負(fù)荷匹配。負(fù)荷匹配是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的重要手段。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于建筑負(fù)荷的變化和外部環(huán)境的影響，中央空調(diào)水系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷存在較大的差異。因此，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷情況，實(shí)時(shí)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速、冷凍機(jī)的輸出等參數(shù)，確保系統(tǒng)始終運(yùn)行在負(fù)荷匹配的狀態(tài)下，以避免系統(tǒng)因過(guò)負(fù)荷或欠負(fù)荷運(yùn)行而導(dǎo)致的能耗浪費(fèi)。

3）能耗監(jiān)測(cè)。能耗監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的必要手段之一。通過(guò)安裝能耗監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能耗情況，包括冷凍機(jī)、水泵、冷卻塔等各個(gè)組件的能耗數(shù)據(jù)。然后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，找出能耗異常和浪費(fèi)的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施進(jìn)行改進(jìn)[8]。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)水泵的能耗異常高時(shí)，檢查運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，通過(guò)能耗監(jiān)測(cè)措施的實(shí)施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)中的能耗問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)能耗的進(jìn)一步降低。

3.3 維護(hù)與保養(yǎng)

1）定期維護(hù)，預(yù)防勝于治療。在中央空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行中，定期維護(hù)是預(yù)防故障、保持高效的重要手段，包括對(duì)水泵、閥門(mén)、管道等關(guān)鍵部件的定期檢查、清潔和緊固。通過(guò)定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問(wèn)題，如水泵的軸承磨損、閥門(mén)的密封性下降等，從而避免這些問(wèn)題逐漸惡化，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降或故障停機(jī)。此外，定期維護(hù)還包括對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和處理，水質(zhì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的換熱效率和設(shè)備的壽命。因此，定期對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，如添加水質(zhì)穩(wěn)定劑、進(jìn)行殺菌滅藻等，以確保水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)。

2）水處理，水質(zhì)決定系統(tǒng)效率。水處理是中央空調(diào)水系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng)的另一個(gè)重要方面。水質(zhì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的換熱效率和設(shè)備的壽命，采取有效的水處理措施，可以保障水質(zhì)，提升系統(tǒng)效率。水處理的主要方法包括化學(xué)處理、物理處理和生物處理。①化學(xué)處理是通過(guò)向水中添加化學(xué)藥劑，以去除水中的雜質(zhì)和微生物，這種方法可以快速有效地改善水質(zhì)，但需要注意藥劑的種類和用量，以免對(duì)系統(tǒng)造成不良影響 ；②物理處理是利用過(guò)濾、沉淀等物理方法去除水中的懸浮物和顆粒物，這種方法適用于去除水中的大顆粒雜質(zhì)，但對(duì)于微生物和溶解性物質(zhì)則效果有限[9] ；③生物處理是利用微生物的降解作用去除水中的有機(jī)物和污染物，這種方法對(duì)環(huán)境友好，但需要注意微生物的培養(yǎng)和管理。在實(shí)際操作中，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，選擇合適的水處理方法，還需要定期對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和分析，以確保水質(zhì)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過(guò)有效的水處理措施，可以保障中央空調(diào)水系統(tǒng)的水質(zhì)，從而提升系統(tǒng)的換熱效率和整體性能。

3.4 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

3.4.1 高效換熱技術(shù)的深度應(yīng)用

高效換熱技術(shù)是提升中央空調(diào)水系統(tǒng)能效的關(guān)鍵。除了板式換熱器和螺旋板式換熱器，還有一種名為“微通道換熱器”的新型高效換熱設(shè)備。微通道換熱器采用微小的通道結(jié)構(gòu)，增加換熱面積，提高換熱效率。例如，在某智慧辦公大樓中，采用微通道換熱器替代傳統(tǒng)的板式換熱器。實(shí)施后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)能效的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)換熱效率提升約20%，同時(shí)冷凍水的進(jìn)出口溫差減小1.5 ℃ ，這表明系統(tǒng)的換熱性能得到顯著提升。在連續(xù)一年的運(yùn)行中，大樓的中央空調(diào)水系統(tǒng)能耗降低約15%，年節(jié)約電能達(dá)到20萬(wàn) kW .h，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.4.2 智能化控制技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐

智能化控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的重要途徑。除了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和負(fù)荷匹配功能，智能化控制系統(tǒng)還可以集成大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和高效的節(jié)能控制。例如，某智慧建筑通過(guò)引入智能化控制系統(tǒng)，對(duì)中央空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，自動(dòng)優(yōu)化水泵的轉(zhuǎn)速、閥門(mén)的開(kāi)度等參數(shù)，確保系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)水系統(tǒng)的全面優(yōu)化。在投入使用后的半年內(nèi)，系統(tǒng)能耗降低約18%，其中水泵的能耗降低22%，冷凍機(jī)的能耗降低15%。此外，系統(tǒng)的維護(hù)成本也由于智能化控制減少了人工干預(yù)而降低約10%，這些充分證明了智能化控制技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能中的巨大潛力。

3.4.3 變頻調(diào)速技術(shù)的拓展應(yīng)用與節(jié)能潛力挖掘

變頻調(diào)速技術(shù)是中央空調(diào)水系統(tǒng)中常用的節(jié)能技術(shù)之一。除了根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速的功能外，還可以與智能化控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的節(jié)能控制。例如，通過(guò)引入變頻調(diào)速器和智能化控制系統(tǒng)，可以對(duì)中央空調(diào)水系統(tǒng)中的多個(gè)水泵進(jìn)行協(xié)同控制。根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷情況和各水泵的運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整各水泵的轉(zhuǎn)速和輸出流量，確保整個(gè)水系統(tǒng)始終運(yùn)行在高效區(qū)。這種拓展應(yīng)用不僅提高了水泵的運(yùn)行效率，還降低了能耗和運(yùn)行成本。例如，為進(jìn)一步挖掘變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能潛力，在某大型醫(yī)院項(xiàng)目中實(shí)施了多水泵協(xié)同控制策略。通過(guò)智能化控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速器的結(jié)合使用，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整各水泵的運(yùn)行狀態(tài)。在項(xiàng)目實(shí)施后的第一年，整個(gè)中央空調(diào)水系統(tǒng)的能耗降低約22%，其中水泵的能耗降低25%。同時(shí)，由于系統(tǒng)始終運(yùn)行在高效區(qū)，設(shè)備的維護(hù)成本也顯著降低。據(jù)估算，項(xiàng)目的年節(jié)約電能達(dá)到30萬(wàn) kW .h ，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益均十分顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的深入研究，得出一系列具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。首先，明確中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性原則，為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供指導(dǎo)。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化、維護(hù)與保養(yǎng)以及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用等多方面的綜合措施，實(shí)現(xiàn)了智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)的能效顯著提升和能源消耗的有效降低。

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[作者簡(jiǎn)介]周偉財(cái)（1993—），男，廣東汕尾人，本科，助理工程師，研究方向：暖通空調(diào)。