淺析超高層建筑的中央空調系統的動態負荷預判技術

王瑾烽 錢曉陽

摘 要：超高層建筑的能耗問題是全球性的難題。超高層建筑中央空調系統設備龐大繁雜， 幾乎遍及樓宇每一角落，通過對超高層建筑的各個耗能設備運行參數進行實時跟蹤，動態研判負荷需求，對中央空調冷凍（熱）水系統進行動態控制，使中央空調系統的節能控制更加準確。

關鍵詞：超高層建筑 中央空調 節能 控制

隨著中國綜合國力的增強和城市化進程的不斷推進，超高層建筑在我國的各大城市遍地開花。中國成為繼美國之后超高層建筑最多的國家，成為世界建筑業的標桿。超高層建筑的外墻，基本采用玻璃幕墻。為了營造一個舒適良好的辦公、生活環境，超高層建筑內部通常安裝大型中央空調系統。中央空調系統在有效調節建筑內部溫度的同時，也消耗了大量的能源。

一、我國超高層建筑的能耗狀況

超高層建筑中央空調系統包含上千臺機電設備，主要由供冷系統、供熱系統、供水系統、供風系統以及自動控制系統等組成。中央空調節能系統的控制原理是對冷凍機房內的全部設備，包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔等設備進行優化控制，通過各設備運行參數的檢測與反饋，尋找冷凍機房的最低總能耗，控制各機房設備運行在最低能耗工況。由于尋優方式的不同，一般不能保證每一臺套設備都運行在最低能耗，而是根據當前的負荷需求，尋找整個冷水機房的最佳效率點，控制不同的臺數組合總的運行效率最低，從而保證每臺冷水機組運行在最佳效率點附近。由于現存的中央空調系統存在著時滯性、非線形、時變性和不確定性等多個缺點，傳統控制方式的局限性制約了節能控制不能穩定運行在最佳效率點。[1]

建筑能耗主要是由建筑物內部的耗能設備如風機、水泵和照明等電氣設備運行產生的，其中采暖、空調能耗約占60%-70%。大量的統計數據表明，空調系統占一般賓館、寫字樓總能耗的 30%～40%，一些大型中央商場甚至占建筑總能耗的 50%左右。建筑耗能、工業耗能和交通耗能是現階段我國的三大“耗能大戶”。1我國每年建造大量的新建建筑，只有3%左右是節能建筑。如果再不采取節能措施，2020年建筑能耗將達到11億頓標準煤。

二、常見超高層建筑的中央空調節能控制方式

我國現階段超高層建筑中央空調節能主要的控制模式有三類。

第一類的機房群控系統，其控制原理是對水泵進行變頻控制，通過對冷卻塔和冷水機組的起動、運行和停止的控制達到節能目的。

第二類是機房節能控制系統，其控制原理是尋找空調系統的最優效率點，從而對整個冷水機房的運行進行優化協調。

第三類是中央空調節能系統集成化管理。一套完整的中央空調系統主要由制冷機、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、風機盤管系統和散熱水塔組成。組成部件較多，須進行有序的集成化管理，提高節能減排的效果。

無論哪種模式其核心為智能化變頻控制。中央空調的能量循環離不開水與風的循環，而水泵和風機是不可或缺的一個環節。根據設計規范，水泵、風機都是按系統最大流量和壓差進行配置的，但現場環境不總是運行在最大狀態，而且是非線性變化的，因此，只用變頻控制很難達到最優控制。現代建筑是一個智能化的建筑體，廣泛采用樓宇智能化設備，具有自動化辦公與通訊、自動化消防與保安、自動化設備運行等功能。在智能化大樓內對中央空調的運行采用智能化控制和管理，更大地提高了設備運行的經濟性和可靠性，其節能效果在國際上已普遍認可。

三、超高層建筑的動態負荷預判技術

針對超高層建筑的中央空調系統分布點數量大、設備龐大繁雜的特點，采用了智能化集成、分布式群控的中央空調控制系統。通過完善中央空調系統集中控制平臺，對離心式冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、熱水泵、冷卻塔等耗電設備設置能量檢測，遠程監控。

由于中央空調系統是一個變負荷的系統，空調負荷隨外界環境變化及空調使用量的變化而變化。另外，中央空調的負荷隨著氣候及外界溫濕度變化而波動，在中央空調的節能控制中采用先進的冷凍（熱）水負荷動態控制，對負荷進行預判斷，有效的解決中央空調冷凍（熱）水系統的時滯性和大惰性問題，實現中央空調能源管理控制系統多區域冷熱量均衡分配，實現離心冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、熱水泵、冷卻塔風機的智能管理及節能優化，保證冷水機房動態地運行在最佳效率點上，實現最佳節能效果。具體實現路徑：

（一）完善中央空調系統能耗計量，完善集中控制平臺

根據超高層建筑各樓層用戶的特點，查找人為控制很難解決的能耗浪費現象。通過設置能量檢測系統實現能耗監測數據實時采集與傳輸，經過集中控制平臺，對水泵、冷水機組、冷卻水系統和冷卻塔等設備實現無人值守運行自動控制。

（二）構建智能化集成、分布式群控的中央空調系統

構建基于工業以太網的集中控制平臺，設置模糊能效控制，達到能量平衡分配。通過分布式控制子網，實現對區域冷（熱）量均衡控制，對泵組的優選組合控制以及基于COP優化的主機群控。

四、結語

通過對超高層建筑物各樓層的耗能設備實際運行參數（如：電量、水量、氣量、集中供熱量、供冷量）和環境變化（如溫度、濕度等）的實時跟蹤，在滿足高品質的公共建筑環境要求的前提下，以管理為抓手，以技術創新的突破口，通過負荷動態預判解決中央空調系統時滯性、非線性和不確定性問題，使中央空調控制系統更加準確。實現自適應性智能化集中控制，改善能源緊缺的局面，實現節能、減排，促進國民經濟可持續發展具有重要而深遠的意義。

參考文獻

[1]陳永順.中央空調節能系統集成化管理在高鐵站的應用[J].技術經濟與管理，2017（3）.