高校空調系統控制節能改造效果研究

高翔

復旦大學

1 引言

高等學校承擔著教學、科研以及生活的多重任務，隨著學校辦學規模擴大和生活水平提高，能耗強度不斷提升，是建筑節能的重點領域[1]。特別是近10年以來，夏熱冬冷地區的高校在教學樓、實驗樓、辦公樓、宿舍等區域都安裝了空調系統，空調系統承擔著夏季供冷冬季供熱的雙重任務，年空調使用率超過8個月，能耗占建筑能耗的比例非常大。但是高校不同空間的空調需求有著典型的間歇性和局部性，如能在滿足正常教育科研生活條件的前提下，開展空調系統控制節能改造，降低空調系統能耗，對高校建筑節能具有重要的作用。

在財政部等有關部委支持下，復旦大學被列為節能綜合改造示范高校，通過能耗現狀分析和節能改造方案對比，復旦大學將空調系統控制節能改造作為本次節能改造的重點，取得了較好的效果。

2 改造建筑及能耗概況

本次復旦大學綜合節能改造項目的改造總面積為254 228 m2，其中邯鄲校區共有14棟建筑，面積為123 000 m2，江灣校區共有6棟建筑，面積為131 228 m2，各個建筑具體信息如表1所示：

表1 各建筑基本信息

復旦大學已建立了節能監管平臺，通過平臺數據得到以上建筑的總能耗及空調、照明、動力能耗、實驗設備儀器能耗，建筑總能耗為2 777.98萬kWh，各部分能耗占建筑能耗的具體比例如圖1所示（由于分體空調用電從照明插座用電取電，無法通過安裝電表獲取分體空調用電，因此，分體空調用電量根據電流估算其用電情況）。按照《民用建筑能耗標準》(GB/T 51161-2016)[2]中對建筑能耗的定義，實驗設備儀器能耗應不計入建筑能耗，用于計算建筑節能量的基數能耗為1 947萬kWh，計算出空調能耗為建筑能耗的57.2%。因此空調系統節能是本次節能改造的重點。

圖1 改造前建筑能耗構成情況

3 空調系統節能改造方案

由于本次空調改造范圍廣、體量大，故分為兩期進行改造。改造主要包括VRV空調系統、風冷熱泵冷源、史帶樓中央空調末端設備及部分建筑分體空調。其中VRV空調室外機共571臺，室內機2 806臺；風冷熱泵共20臺；史帶樓中央空調末端設備（包括22臺風柜和62臺風機盤管）；分體空調681臺。

3.1 空調系統問題分析

根據現場查勘以及與空調管理人員調研，各個建筑空調主要存在以下幾方面問題：

（1）多聯機和分體空調需管理人員手動操作，工作量大，工作效率低，浪費嚴重。教學樓、食堂、圖書館等公共建筑，每天早晚均需人工逐一開啟或關閉每臺空調，造成空調管理人員的工作量大、工作效率低；對行政辦公樓、實驗室、教室等，工作人員/學生下班離開房間時忘記關閉空調現象普遍存在，造成電能浪費；教學樓教室從早晨管理人員開啟空調后，不管教室有無上課、有無學生自習等，空調均處于開啟狀態，不能根據課室課程日程安排實現對空調的自動啟停，造成能耗浪費；周末部分學生去教室上自習，經常出現某些教室僅有一個或者幾個學生而把空調全部開啟的現象。在夜間以及非高溫、嚴寒過渡季節，時常會出現毋需開啟空調而空調仍處于運行狀態，即不能根據室外氣候條件實現對空調的啟停控制，造成空調用電浪費。

（2）空調溫度設置不合理。房間經常出現冬天室內溫度偏高或者夏天室內溫度偏低的現象，不僅影響室內舒適度，且浪費了電能。

（3）空調設備維護保養嚴重缺乏。未能按時對設備進行定期維護保養，通常情況下，空調管理者僅在空調運行出現問題、無法運行等情況才對設備進行維護保養，以致空調運行效率下降、電耗上升。

（4）史帶樓入口門廳、教室、學術報告廳等大空間房間采用全空氣系統，辦公室及小型會議室采用風機盤管+新風空調系統，無法根據末端需求對其水量進行自動調節；風柜閥均處于常開狀態，不能調節閥的開度，未對供冷區域環境溫度進行多點測量，無法準確檢測和分析冷熱不均勻狀況，導致控溫不科學、不合理；缺乏末端集中控制系統，管理人員統一管理各房間的空調開閉及溫度設定，工作量大、工作效率低下，且隨意性較大，造成能源浪費。

3.2 空調系統節能改造方案

1）針對VRV空調系統存在問題，增加VRV空調精細化管理控制系統，實現各個建筑VRV空調系統的節能優化運行。在原有空調系統中增加遠程監控層、VRV空調管理控制系統，全面提升空調系統的精細化管理水平，優化系統運行過程，降低系統整體能耗。最終實現了學生食堂、教學樓等多棟建筑VRV空調系統的控制，根據學生食堂開放時間實現VRV空調的管理控制，根據教學樓各個教室的課程安排實現定時控制，根據室內人體熱舒適性實現了室內溫度的優化調節，同時VRV空調系統可進行室內機與室外機分組監控、數據分析、分時分區管理、故障報警、設備維護提醒等功能。

2）中央空調節能改造主要是建設冷熱源節能集成優化管理控制系統，將科學管理理念、設備優化、先進控制技術融入系統節能，利用人體動態舒適性理論，以舒適性指標為約束條件，以動態能效比最高為調節目標，建立多變量非線性模型。通過在線負荷預測，實現冷熱源時變定量控制，具有自動化程度高、操作方便、運行可靠、便于擴展等優點，實現了史帶樓、美研中心等多棟建筑中央空調系統中風冷熱泵、循環泵、風機盤管等設備的聯動控制。根據建筑的用冷特點實現冷源系統優化調節與定時控制，根據人體熱舒適實現室內的溫度優化調節，同時中央空調系統可進行遠程監控、數據分析、運行管理、故障報警、設備維護提醒等功能。

3）分體空調使用的區域，主要增加自動啟停控制、溫度設定兩個功能：通過設定空調自動啟停控制時間，避免工作人員下班未關空調的現象，減少能耗的浪費；為避免室內溫度夏季溫度偏低或冬季室內溫度偏高等現象，夏季設定空調溫度的最低溫度或冬季設定空調溫度的最高溫度。實現了理科圖書館、辦公樓等多棟建筑分體空調系統的控制，根據圖書館開閉館時間實現分體空調的管理控制，根據辦公樓各個辦公室用冷需求實現等級分類管理控制，根據室內人體熱舒適性實現了室內溫度的優化調節，同時分體空調系統可進行定點監控、數據分析、分區分時分等級管理、故障報警、設備維護提醒等功能。

4 改造效果分析

按照示范項目管理要求，對項目開展了第三方節能量審核，第三方審核機構按照《節能項目節能量審核指南》[3]和《節能量測量和驗證技術通則》[4]要求，進行了現場測評，根據項目改造前后設備的耗電量確定節電率。

測評采用節能對比測試方式進行操作，操作過程包括兩個模式，分別為節能系統手動模式（以下稱為“手動模式”）和節能系統投入模式（以下稱為“自動模式”）。手動模式指空調系統按照節能改造前的操作方式運行，控制系統不對任何設備進行控制；自動模式指空調系統由節能改造后的控制系統實現遠程自動控制與調節。采用2天測試日，1天為手動模式，1天為自動模式；由節能監控系統自動記錄手動模式（改造前）和自動模式（改造后）空調系統用電量。通過對比改造前后用電量統計節電率和節電量。其中VRV空調和風冷熱泵系統用電量直接采集電表數據，由于分體空調用電從照明插座用電取電，無法通過安裝電表獲取分體空調用電數，因此，分體空調用電量根據電流計算其用電情況。

第三方審核機構選擇了四幢代表性建筑，于2017年7月4日（手動模式測試日）和5日（自動模式測試日）進行了對比測試。分別記錄手動模式空調系統總用電量、自動模式空調系統總用電量，通過對比改造前后用電量得到節電率和節電量。在測試前用電測儀與電表進行現場與遠程采集數據比對，確保電表讀數在允許誤差范圍內測試。同時記錄兩天的室外溫度情況并進行對比，避免因氣候條件變化影響評價結果的可靠性，如圖2所示。最終測評數據如表2所示。

圖2 對比測試兩日室外溫度對比

表2 典型建筑節能量測試情況

根據建筑能耗能源審計報告及能耗數據分析，復旦大學綜合節能改造項目2014年10月至2015年9月改造的建筑能耗為1 944.6萬kWh(實驗設備能耗)，按照建筑常規能耗1 947萬kWh計算，空調占57.2%計算，空調年耗電為1 114萬kWh。空調用電節能量按空調系統對比測試的節能率38.06%計算，空調年節電量為424萬kWh，改造建筑綜合節能率21.8%。按照上海市《公共建筑節能設計標準》（DGJ08-107-2012）[5]中規定的電力折標煤系數，年節能量為1 148t標準煤。

5 結論及建議

復旦大學節能改造示范項目將“互聯網+”、“物聯網”、“大數據”及“云計算”等新興技術和綠色運維管理相結合，采用空調負荷動態預測技術、動態熱舒適性建模技術、冷源能效在線優化控制技術等先進的空調節能控制技術，建立了復旦大學邯鄲和江灣校區20棟建筑的多類型空調集成優化管理控制平臺，實現了從校級-建筑-房間的逐級監控管理，實現了中央空調系統、VRV空調系統、分體空調系統的定點、定時、定溫、定量的各類空調精細化集成優化調節，取得了較好的節能效果。從投入使用情況來看，仍有較大的節能挖潛空間，需加強以下三方面工作：

（1）加強空調管理人員培訓，提高空調管理人員空調專業知識及節能技術水平，提高空調集成優化管理控制平臺水平。

（2）加強制度建設，激勵不同層級管理人員主動使用控制系統。

（3）開展調研，優化控制系統參數設置，進一步挖掘節能潛力。