關于制造企業中央空調能耗的研究

趙 宇

（中國聯合網絡通信有限公司深圳市分公司，廣東 深圳 518042）

0 引 言

我國幅員遼闊，生產制造型企業眾多，曾有“世界工廠”的稱號。制造業是我國國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。據不完全統計，我國年收入2 000萬以上的工廠有300萬座，年收入2 000萬以下的工廠數不勝數。

新中國成立后，尤其是改革開放以來，我國制造業持續快速發展，建成了門類齊全、獨立完整的產業體系，有力推動了工業化和現代化進程，顯著增強了綜合國力。

制造企業對于能源的需求非常龐大，有了豐富的能源供應，企業才能將產能提升至新的高度。而能源是當今國內經濟發展的物質基礎，作為世界上最大的發展中國家，能源短缺已成為我國亟待解決的問題[1]。在這種情況下，對能源進行監管便十分必要，進一步幫助企業降本增效，才能打造更加完善的智慧工廠。

1 深圳工業制造企業現狀

深圳是中國特色社會主義先行示范區，在工業與信息化領域起著領頭羊的作用。

作為擁有眾多大型制造企業的一線城市，深圳積極響應國家“碳達峰”“碳中和”的號召。2020年，深圳市工業和信息化局發布了《2020年重點用能單位能源管理中心建設工作方案的通知》，年消耗5 000噸標準煤及以上的企業需自建能源管理中心，并且與市能源管理中心公共平臺互聯互通。深圳市重點用能企業達113家，現階段實現對接的有58家，其余重點耗能企業待啟動。能耗系統的推進工作取得了階段性的成果，未來仍有很大的推動空間。

2 使用能耗管理系統的必要性

能耗系統利用信息技術推動節能降耗，是提升企業精細化管理水平的重要舉措，為企業準確把握和分析節能降耗發展趨勢，科學利用能源提供技術支撐[2]。

對于制造型企業而言，為直接或間接降低產生的溫室氣體排放總量，實現二氧化碳的“零排放”，需要執行錯峰用電，即根據電網負荷特性，通過行政、技術、經濟等手段將電網用電高峰時段的部分負荷轉移到用電低谷時段，從而減少電網的峰谷負荷差，優化資源配置，提高電網安全性和經濟性。對于制造型企業而言，實行錯峰用電會對生產形成較大影響。為保障碳排放量達標且不影響企業生產目標的實現，通過物聯網、遠程控制等技術，實現機械自動抄表，由計算機實時監控能耗數據并進行相應調節，以幫助企業節省成本，減少碳排放，實現綠色生產。

3 能耗重點—中央空調

在生產制造型企業中，中央空調是重點耗能設備，通常占企業整體能耗的50%以上。相較于其他耗能設備，中央空調的能耗管控以及改造成本較小，且不會對生產造成影響。

隨著物聯網基礎設備的普及和傳感器信息采集的多樣化，物聯網底層信息采集節點所產生的數據量正呈指數級增長，如何合理有效的處理和利用這些數據，使其成為工業生產和管理的依據，是目前迫切需要解決的問題[3]。

中央空調結構如圖1所示。中央空調主要包括冷凍泵、主機、冷卻泵和冷卻塔，通過現場數采模塊將采集的數據進行算法分析，提高數據的利用效率，是大多數企業采用的生產能耗管控策略。計算機端基于管控策略完成能耗控制，為企業節省能耗成本。

圖1 中央空調結構

3.1 中央空調的問題分析

中央空調包括以下7方面問題。

（1）水溫設置。主機的出水溫度設置不能與室外天氣溫濕度關聯，無法進行精細化調節，存在能源浪費。

（2）溫差控制。主機運行在大流量、小溫差（1～3 ℃）的不利工況下，效率下降、能耗增加。

（3）水泵變頻。10臺冷凍水泵、冷卻水泵定頻運行，能耗浪費嚴重。

（4）人工加、減機。制冷站依靠人工經驗進行加、減機操作，不及時且不準確，存在能源浪費。

（5）故障報警?，F場故障報警，無法遠程及時獲取報警信息，應急反應滯后，導致損失擴大。

（6）數據分析。空調系統運行數據離散、不準確、無能效數據，依靠人工經驗分析，費時費力且偏差大。

（7）運維效率。依靠人工巡檢、抄表，無能耗細分計量，無能源管理系統，有待通過數字化工具提升運維效率。

3.2 中央空調能耗分類

中央空調的能耗主要由末端和冷源產生。末端包括風機盤管、組合式空調機組、新風機、吊柜風機，所有能耗占比約為30%；冷源包括主機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔，能耗占比約為70%。

同時，以下方面也影響著空調能耗。

（1）設計、安裝：末端冷熱不均、水力不平衡、遠端壓力不足、風量不夠、主機滿載等；

（2）單個設備的效率：主機、水泵、冷卻塔更換高效設備，節能率達10%～30%，但投入較大；

（3）運行控制：提高控制運行效率，節能率達10%～30%，投入較?。?/p>

（4）維保：水處理、主機通炮、冷卻塔清洗及主機、水泵維修等。

從企業的改造成本以及能耗管控的性價比角度考慮，在運行控制部分進行節能是目前最為理想的方法。

3.3 中央空調節能原理

空調制冷量：

式中：M代表冷凍水流（m3/h）；△T代表冷凍水進出的溫差（℃）。

相同制冷量Q=冷凍水流量M上升量×冷凍水溫差△T下降量=冷凍水流量M下降量×冷凍水溫差△T上升量，即（現有運行模式）大流量×小溫差=（改造后運行模式）小流量×大溫差，兩種運行模式下制冷量相同，不影響末端供冷。

兩種運行模式下的能效差別：溫差△T每增加1 ℃，主機效率提升3%；冷凍水流量（M）∝水泵轉速（V）∝水泵頻率（H），水泵功率（P）∝水泵頻率（H3），即水泵功率與水泵頻率立方成正比。水泵頻率H下降10%，水泵功率下降27.1%；水泵頻率H下降20%，水泵功率下降48.8%；水泵頻率H下降30%，水泵功率下降65.7%。

結論：改造后，小流量、大溫差運行不僅能夠保障供冷量，且能效更高！

4 降低中央空調能耗的討論

4.1 物聯網技術

現場通過加裝無線物聯網傳輸模塊，與壓力傳感器、水溫傳感器、溫濕度傳感器、物聯控制器、邊緣服務器等相連，實現現場數據快速采集與實時分析處理。物聯網模塊內部連接如圖2所示。

圖2 物聯網模塊內部連接

將用戶使用數據、能耗數據、環境數據、空調故障數據、維護數據等上傳并存儲至云端服務器，云端服務器基于大數據的存儲平臺和計算平臺對手機具體數據進行分析處理[4]。

能源監管后臺也是企業進行能耗管控的重要部分。能源源點動態監測系統是利用物聯網技術，結合現代通信、數據庫等，對企業生產過程中的水、電、天然氣等能源（資源）消耗數據進行采集，對設備能耗進行動態測量、分析、診斷的監測系統[5]。能源監管后臺界面如圖3所示。

圖3 能源監管后臺

4.2 中央空調節能操作

開關機：準確按照需求開關機，杜絕浪費，可節能5%～10%；加減機：根據負荷變化精準加減，節能5%～10%；水溫設置：根據氣溫變化，自動設置水溫，提升主機能效，節能3%～9%；溫差控制：控制進回水溫差達到或接近標準5 ℃溫差，主機能效提升3%～9%；水泵、風機變頻：依據水溫自動變頻調節，節能10%～15%。

4.3 預期目標

通過傳感器實現對機械設備的遠程巡檢，節省了人力資源，降低了巡檢成本[6-8]?，F場邊緣服務器如圖4所示。系統根據標準設定最優的開關機時間，并按時間進行開關機操作，確保中央空調運行開關時間最優。各種運行工況下的綜合能效優化需根據室外溫度變化、末端冷量需求變化調節冷水機冷凍水出水溫度，降低冷水機能耗，確保運行效率最優[9-11]。

圖4 現場邊緣服務器

5 結 語

通過對中央空調的冷凍泵、冷卻塔、冷卻泵、主機等能耗單元進行監控管理，實現節能減排，大幅降低企業用能與用人成本，為企業的長久發展持續提供動力，為環保做出應有貢獻。