基于某建筑的集中空調能效監控分析系統研究

張曉杰 劉書薈 劉東 印慧

1上海市質量監督檢驗技術研究院

2同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

對于一幢需要設置夏季供冷、冬季供熱的集中空調系統的公共建筑，暖通空調系統的能耗一般會占到該建筑總能耗的60%[1]，而中央空調的監控系統是樓宇自控系統的重要組成部分，約占60%以上的監控點，是實現大型公共建筑節能的重點[2]。如何及時掌握集中空調系統實際運行能效，提高其運行效率，是降低公共建筑能耗的關鍵。目前，集中空調監測控制系統大多作為樓宇設備自控系統（BA系統）或建筑能源管理系統（BEMS）的一部分，功能主要包含保障系統安全運行、調節主機運行、實時顯示系統關鍵參數以及計量總電耗，尚未實現集中空調系統運行能效的分析功能。本研究基于國家標準GB/T17981-2007《空氣調節系統經濟運行》[3]及相關設備經濟運行標準，提出并建立了對集中空調運行能效進行實時監測與分析的系統，為合理分析空調系統運行能效水平、優化系統運行模式、制定節能改造方案提供科學的數據支撐。

1 我國集中空調監控系統研究現狀

國內對集中空調的監控系統研究主要包括三個方面：1）對集中空調系統或系統中的某些組成設備運行情況的智能控制系統；2）對集中空調系統運行情況的監測及診斷；3）對集中空調遠程的能耗監測系統。集中空調的監控系統所采集的系統運行參數一般以實現設備的控制調節為目標，相應采集設備的部分運行參數。總體來看，目前的監控系統仍大多局限于系統運行的檢測和故障診斷或以系統設計參數為控制目標的控制系統。而在集中空調能耗方面的監測仍局限在計算集中空調各用戶端實時所需能耗并作為集中空調系統能量供應量的調控依據，實現以制冷主機最佳能效比曲線為目標的調節，或僅僅監測系統消耗的總電量，對于系統能效水平的監測分析研究甚少。

評價集中空調系統是否具有節能潛力，能否進一步優化以減少能耗，是當前監控系統無法做到的。這也是當前控制系統存在的一個比較突出的問題：目前絕大部分的樓宇并沒有形成一個運行數據監測、采集與分析的完整流程，系統中保存的大量基礎數據沒有充分發揮對工程的指導作用，更沒有發揮其對行業的參考作用[4]。因系統監測數據未被有效利用，導致無法分析系統運行能效情況，無法為系統節能運行提供指導。

國家標準GB/T17981-2007《空氣調節系統經濟運行》[3]出臺之后，對于系統能效水平的研究仍處于起步階段，對于集中空調系統能效水平的判斷大多數情況下依賴于設計初期的軟件模擬或實際運行單一工況的能效檢測，對于空調系統的節能評價也不盡相同[5]。為更好地研究集中空調系統的實際運行能效水平，建設能夠實時采集系統運行能效相關的所有參數并實現數據處理的監控分析系統是深入研究集中空調系統節能的重要基礎。

2 硬件系統

基于GB/T17981-2007《空氣調節系統經濟運行》[3]及相關設備經濟運行標準，集中空調能效監控與分析系統通過對系統中各組成設備與系統經濟運行相關的所有參數的實時采集、傳輸及存儲，依據標準給出的計算模型實現對各設備及系統能效的實時計算，通過與標準數據庫數據的比較，給出各設備和系統能效水平。其硬件基本架構分為三個層次：1）現場設備運行參數檢測；2）網絡通訊；3）數據分析與系統管理。

現場設備運行參數檢測層為各類傳感器/變送器以及數據采集卡，網絡通訊層為數據采集網絡、數據采集傳輸服務器及路由器；數據分析與系統管理層為終端監控分析設備，能夠實現實時數據顯示和分析、歷史數據查詢和調用、報表打印等功能。為實現集中空調系統運行能效的分析功能，監測對象包括：1）大氣環境溫、濕度；2）典型使用區域室內環境；3）冷熱源設備；4）輸送系統設備；5）末端（空氣處理）設備。以夏季制冷工況為例，具體監測參數見表1。

圖1 硬件基本構架

表1 采集的參數

表1中監測參數涵蓋了系統中能效相關的全部參數，與常規的監控系統相比，該系統擴展、深化了監控系統的基本功能，實現了連續測試數據的采集、存儲、分析、數據查詢和調用功能。

3 軟件系統

軟件的基本功能是對數據進行處理和計算，以對空調系統的性能進行對比和評價，生成各類曲線、圖表和報表。分析功能包括設備能效分析和系統能效分析兩大部分，所建立的模型分為三個層次：1）空調系統組成設備模型；2）空調子系統模型；3）空調系統模型。

為了分析各組成設備運行工況的能效水平，在對當前集中空調系統基本配置和設備生產商調研的基礎上，通過搜集典型的產品樣本，按照系統診斷分析模型的需要，建立了包含多種品牌各類設備的用于能效評價的能效相關參數數據庫。本系統依據現行的性能評價、經濟運行等國家標準對各設備運行能效進行評價，評價體系如圖2所示。

圖2 集中空調系統組成設備評價體系

對子系統及系統的評價體系見圖3。

圖3 集中空調系統及子系統評價體系

依據上述設計，本系統能夠實現對設備、子系統以及系統的全面評價，為管理者和運行操作人員提供更為直觀的系統運行能效水平管理平臺。

4 示范應用

該系統已于2012年7月在某一建筑面積為4萬m2的辦公建筑中得以應用，并作為該樓宇BA系統的擴展內容，為用戶實時提供系統能效監測與分析數據，見圖4～5所示。

圖4 冷水機組運行效率對比曲線圖

圖5 冷水機組冷凍水供水溫度對比曲線圖

5 結語

本研究實現了集中空調系統實時能效監測與分析，并得到了典型應用，填補了現有BA系統（BEMS系統）對集中空調系統能效監測與分析的空白，為集中空調系統能效分析與評價研究、節能設計、節能技術改造提供了科學的數據支撐。

[1]薛志峰,江億.商業建筑的空調系統能耗指標分析[J].暖通空調,2005,35(1):37-41

[2]李召潑,張小松,吳智深.大型公共建筑中央空調的節能與監控[J].建筑節能,2010,38(3):62-65

[3]中國人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.空氣調節系統經濟運行(GB/T 17981-2007)[S].北京:中國標準出版社,2008

[4]潘云鋼.我國暖通空調自動控制系統的現狀與發展[J].暖通空調,2012,42(11):1-8

[5]劉書薈.大型公共建筑集中空調系統節能評價[J].上海節能,2012,(7):25-27