廣電中心中央空調系統能耗分析

赫連軍

（山東省廣播電視傳輸保障中心，山東濟南 250011）

0.引言

廣電中心屬于大型公共建筑。據相關數據統計顯示，這類大型公共建筑的中央空調系統能耗可占到建筑總能耗的50%以上，因此有必要對廣電中心中央空調系統能耗展開全面分析，并據此進行合理的節能優化設計。

1.項目概況

某廣電中心中央空調系統項目位于夏熱冬冷氣候區，集中供能面積約200000m2，設備眾多、位置分散、工藝復雜，冷熱負荷與日負荷變化均較大，用能時間不規律，不同區域的控制要求各不相同，時滯、時變和非線性特征強，負荷預測難度大，人工管理隨意性大。本項目設計夏、冬兩季峰值冷負荷分別為45888kW和33140kW，設計單位冷、熱負荷分別為117W/m2和105W/m2；共配置冷熱源及水力輸配設備182臺，總功率為26890kW；夏季供冷采用常規電制冷系統，能源中心按梯次配置安裝2臺單機頭離心機、5臺雙機頭離心機及1臺螺桿機；冷凍水泵和冷卻水泵一對一進行設置，共配置開式冷卻塔39臺；冷凍水設計為7℃大溫差運行模式，供回水溫度為6.0℃/13.0℃；冬季采用市政蒸汽換熱空調模式，內區及工藝機房仍供冷，外區負責供熱，共配置全自動蒸汽換熱機組2組；系統形式采用區域3次泵分區、分段輸配系統，東西區共配置5個3級泵房，末端空調機房配置約376間，已安裝388臺空調機組、161臺新風機組及2242臺風機盤管。本項目自正式投入運行以來，因各種原因而一直未采用節能控制系統，只有蒸汽換熱機組可以進行自動調節運行，其余設備完全依靠人工管理運行；控制柜雖已安裝變頻器，但在實際運行中仍是采用定流量運行模式；夏季冷卻水存在大流量小溫差運行現象，更換冷機時冷卻塔經常發生溢流，各級管路旁通由于缺乏控制，經常出現嚴重的混水及水力失調現象；全程電子水處理器運行存在故障；末端空調機組雖已安裝比例積分電動調節閥，但在實際運行中仍只能采用手動調節方式。

2.能耗分析

2.1 系統運行情況

根據本項目近年來的運行數據統計顯示：制冷機組全年24h運行約200d，冬季供暖24h運行約130d，冬季冷卻塔自然供冷24h運行約150d；夏季高溫期至多開啟制冷主機3臺，峰值負荷為18500kW，非高溫期一般開啟1～2臺，演播廳使用較多時適當增加主機及區域水泵臺數供冷。

2.2 電能耗

根據本項目的值班運行記錄及演播廳節目保障單進行統計顯示：室內設計溫度、室外溫濕度、新風量、圍護結構、人員密度等是影響中央空調系統負荷的主要因素；室外溫濕度是影響中央空調系統能耗的最大參數；氣溫是影響中央空調系統用電量的主要因素，一年中最大用電量通常在8月、最少用電量通常在4月，年度平均占比約43.70%；冷熱源及輸配系統用電量占比約69.25%。

2.3 蒸汽能耗

根據本項目的值班運行記錄及演播廳節目保障單進行統計顯示：中央空調系統的年度蒸汽能耗平均值約為1000t；當遭遇極寒天氣時，蒸汽用量會出現大幅度上升。

2.4 節能空間估算

根據本項目的相關能耗數據并結合中央空調系統節能優化設計的相關經驗進行分析顯示：經節能優化設計后的中央空調系統，水泵節能可達到40%～70%，冷水機組節能可達到10%～20%，蒸汽節能可達到約10%，綜合節能率可達到21.4%左右，按平均電價計算年節省費用可達到約1765000元。

3.節能優化設計

3.1 節能優化設計原則

在本項目的節能優化設計中，需遵循幾點基本原則[1-2]：（1）綠色環保原則。當今時代，綠色環保理念越來越深入人心，尤其是自黨的十八屆五中全會提出“綠色發展”后，對綠色環保方面的要求日益提高，在本項目的節能優化設計中需充分遵循綠色環保原則，致力于實現節約資源、減少污染、保護環境、與自然和諧共生，打造健康、適用、高效的中央空調系統。（2）功能達標原則。中央空調系統的主要功能是為室內提供采暖及進行通風、空氣調節，由于不同區域的采暖、通風、空氣調節標準各不相同，在本項目的節能優化設計中需充分遵循功能達標原則，確保中央空調系統的功能達到各區域的相關標準要求。（3）經濟適用原則。之所以要對中央空調系統進行節能優化設計，一是為了降低能耗、節省能源。二是為了減少能源花費、降低成本，在本項目的節能優化設計中需充分遵循經濟適用原則，盡可能采取相適宜的、較為經濟性的節能優化設計方案，而不能為了實現節能目的而一味增加成本。（4）安全可靠原則。廣電中心中辦公人員眾多，采暖、通風等需求量大，在本項目的節能優化設計中需充分遵循安全可靠原則，切實保證系統運行的安全性與可靠性，最大程度避免系統故障的發生。

3.2 節能優化設計方案

根據本項目的特點及能耗情況，提出其節能優化設計方案為[3-4]：（1）重點對冷熱源和水力輸配系統進行節能控制，選用先進、可靠的軟硬件控制方案，且在評估方案可行性和可靠性之時充分參考類似建筑體量及工藝復雜程度的成功項目案例。（2）同期建設系統能耗綜合監測平臺，用以實時進行各受控設備的用能計量，并動態生成系統COP曲線，自動提供詳細的節能報表，便于了解設備能耗情況。（3）根據實際負荷自適應調節各類設備臺數，并采用水泵變頻自動控制，提高水力平衡效果。（4）在系統中設置氣候補償節能裝置，一方面實現供能水溫與室外溫度變化的自動補償，另一方面實現分時、分溫控制。（5）加強施工風險防控，盡可能減少對廣電中心正常辦公和節目安全播出的影響，如在管道上開孔安裝溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等設備時，需采用帶壓在線安裝工藝，并在短暫的過渡季節開展放水作業。（6）優先使用不與外網聯網的設備管理專用網絡來進行系統網絡控制，或者也可以采用空調能源管理云系統，但注意需加強網絡建設及維護管理。（7）根據保障重要性程度的不同對末端空調機組采用不同的控制配置方案，盡量簡化其功能，只需滿足基本的溫控、新風、定時運行以及手自動切換等功能即可，以方便維護和降低成本。（8）敷設400m的保溫管道，將冬季采暖產生的50℃～60℃的蒸汽冷凝水引至餐廳后堂進行使用，以節約水資源。（9）在系統中加設2套自動加藥裝置用來處理水質中的粘泥、結垢、水藻等，避免造成盤管堵塞或管路附件腐蝕，引起換熱效率降低和能耗增加。

3.3 節能優化設計重點

（1）供暖系統。在本項目的節能優化設計中，應重點對供暖系統進行節能優化設計。在實踐中，可在供暖系統中同步配置散熱器與空調，使兩者進行主次供暖。同時，根據廣電中心各區域的建筑結構特點與實際供暖需求，對供暖管路的布局方案進行合理優化，盡量縮短管路距離，優先選擇立式單雙管布置形式或者垂直隔斷布置形式。經節能優化設計后的供暖系統既能夠大大提高熱能使用效率、降低能耗，又具有供暖效果好、成本低廉、使用靈活等優點。

（2）冷凍水系統。在本項目的節能優化設計中，應重點對冷凍水系統進行節能優化設計。在實踐中，可通過合理調整水泵運行工況來提高其負荷變化適應能力，以使其能夠在部分負荷運轉工況下有效滿足實際運行需求。具體的措施有控制閥門開啟度、設置變頻水泵設備、優化多水泵葉輪直徑、調整冷卻塔設備運行參數等，應結合實際情況綜合運用多種措施，以使冷凍水系統的節能效果達到最優化。經節能優化設計后的冷凍水系統，能夠有效降低能耗、提高能源利用效率、節約用電成本。

（3）通風系統。在本項目的節能優化設計中，應重點對通風系統進行節能優化設計。在實踐中，應對通風系統形式進行合理選擇，在面積較大的區域中，可優先選擇應用全空氣空調系統，并設置變風量末端裝置，這樣可以根據實際需求來有效調節送風量，減少風機與制冷機組的運行能耗，達到良好的節能效果。在高大空間中，可基于送風射流卷吸原理進行分層空調系統設計，即在垂直方向上將區域劃分為一個空調系統，分層面為送風口中心線，分層面上部為非空調區域、下部為空調區域，由于非空調區域的溫度比空調區域的溫度高，所以兩個區域會持續形成對流與輻射熱轉移負荷，從而起到節省冷量的效果。再者，還可結合實際情況靈活應用單區、雙風道及多區再熱等通風系統形式。經節能優化設計后的通風系統，能夠在保證良好通風效果的同時達到有效的節能目的。

（4）空調自控系統。在本項目的節能優化設計中，應重點對空調自控系統進行優化設計，以進一步提升中央空調系統的智能化和自動化程度，更好地實現節能目的。空調自控系統的主要功能是對中央空調系統進行自動調節和控制。在實踐中，除應用螺桿式冷水機組的區域外，均可采用一次泵負荷和冷熱源側定流量系統，在供回水總管內和回水管上分別設置壓差旁通裝置和電動二通閥，在新風管、排風管及回風管上設置溫濕度傳感器與電動風閥。同時，還可采取多工況空調運行模式來對風機和電動閥門進行實時控制，以進一步提高中央空調系統的運行效率、降低其運行能耗。

3.4 節能技術應用

（1）地源熱泵技術。在本項目的節能優化設計中，應合理地應用地源熱泵技術，以更好地實現節能目的。地源熱泵可將低品位熱能轉換為高品位熱能，其主要是以各類水資源，如地下水、水庫水、江河湖海水等，或是土壤源來充當冷熱源。同時，地源熱泵還能夠通過吸收建筑本身的熱量來降低其溫度。地源熱泵裝置具體又有3種類型：地埋管型、地下水源型、地表水源型。在中央空調系統中，最常應用的當屬地埋管型，其包括埋管和換熱器2部分，主要原理是通過介質循環來進行傳熱。總的來說，地源熱泵的特點有：（1）可再生性。其夏季降溫與冬季供暖功能均是利用可再生能源而實現的。（2）環保節能。其對自然環境的污染小，而且可以節省大量電能。（3）便于維護。其裝置部件多是布置在室內或者地下，且少有機械運動部件，多為自動化部件，耐久性好、壽命長以及便于維護。在地源熱泵技術的實際應用中，應靈活地根據區域氣候特征而對熱泵供熱進行調整，以最大化發揮出其作用與功能。

（2）余熱循環技術。在本項目的節能優化設計中，應合理地應用余熱循環技術，以更好地實現節能目的。余熱循環技術是一種新型節能技術，其主要原理是基于熱傳遞效應、借助循環系統，使余熱從某部分傳遞到其他部分。在中央空調系統中應用余熱循環技術之后，能夠顯著降低系統能耗，還可以大大減少系統在運行過程中所產生的空氣污染，因為其動力系統與熱傳輸系統的回路是各不相同的，這點使得其可以有效避免在熱傳遞過程中液體受放射性影響而產生動力回路污染。

（3）變頻節能技術。在本項目的節能優化設計中，應合理地應用變頻節能技術，以更好地實現節能目的。變頻節能技術是一種把直流電逆變成不同頻率的交流電的轉換技術，其主要有2種工作模式：一種是先把交流電變成直流電，然后再把直流電逆變成不同頻率的交流電。另一種是先把直流電變成交流電，然后再把交流電變成直流電，無論哪種模式，期間都只存在頻率的變化，而電能本身是沒有變化的。變頻節能技術在中央空調系統中的具體應用是在相關設備上安裝變頻器。變頻器的主要組成是：整流、濾波、逆變、驅動單元、制動單元、檢測單元以及微處理單元等。借助變頻器，可以靈活地根據實際需要對相關設備的運行狀態進行調節，從而既能夠降低設備運行能耗，又能夠提高設備運行效率[5]。另外，在變頻節能技術中還應用了智能功率模塊IPM和人工神經網絡與模糊自適應控制，基于智能功率模塊IPM可以有效實現功率變頻，基于人工神經網絡與模糊自適應控制可以有效形成集成系統及專用集成電路。在實踐中，以中央空調系統的冷凍水泵為例：冷凍水泵在長時間運行狀態下往往都保持著最大水流量，受季節溫度變化影響，其實際負載往往會低于預定負載。所以一般需要將其溫度設置得相對較高，但這樣會大大增加能耗，而應用變頻節能技術后則能夠智能化管理冷凍水泵的流量，從而達到降低能耗的效果。

4.結語

廣電中心中央空調系統能耗極大，且在實踐中多為粗放管理，必須要對廣電中心中央空調系統進行合理的節能優化設計，盡可能降低系統能耗，為我國的綠色發展和節能減排做出貢獻。