[建筑]商业建筑中央空调节能技术.doc

建筑节能 46 2007年第4期(总第35卷第194期) No.4in2007(TotalNo.194,Vol.35) 空调节能 AIR-CONDITIONINGENERGY-SAVING 商业建筑中央空调节能技术实现及投资模式分析 陈文,袁立新 (贵州汇通华城楼宇科技有限公司厦门办事处，福建厦门361004) 摘要:介绍了智能模糊控制技术在商业建筑节能改造中的实现与应用，从节能分析、技术原理、改造方案等方面进行了探讨，通过案 例对项目的经济收益和EMC商业模式进行分析，为同类型酒店、写字楼、大型商场等商业建筑的节能改造提供参考和借鉴。 关键词:中央空调节能；建筑节能；模糊控制；商业模式 中图分类号:TU831文献标志码:A文章编号:1673-7237(2007)04-0046-05 TheEnergy-savingReconstruction&InvestmentAnalysisofCentralAir-conditioninginCommercial Buildings CHENWen,YUANLi-xin (XiamenOfficeofGuizhouHuitongHuachengBuildingsTechnologyLTD.,Xiamen361004,Fujian,China) Abstract:Aimingtoenergy-savinganalysis,technologytheoryandreconstructionschemes,theapplicationofIntelligenceFuzzyControl technologyinenergy-savingreconstructionofcommercialbuildingsisintroduced.Theeconomyincomingandcommercialmode(EMC)arean-alyzedbysomecases,andsomereferencesaregiventothesamekindofcommercialbuildings,suchashotels,officesandlarge-scaleshopping malls. Keywords:energy-savingofcentralair-conditioning;buildingenergy-saving;FuzzyControl;commercialmode 0引言 中央空调是现代化建筑不可缺少的重要设备之 一，但中央空调在改善和提高建筑内部环境质量同 时，也带来了巨大的能源消耗，大大增加了建筑的运 营成本。据调查统计，在现代楼宇建筑中，中央空调的 能耗约占整个建筑物总能耗的50%左右，而酒店和综 合大楼等商业建筑可能要高达60%以上，如何既能满 足空调服务质量，又能降低空调的能耗，一直是管理 者们迫切盼望解决的一大难题，也成为商业建筑领域 节能的一个重要课题。 1节能潜力与技术背景分析 1.1节能潜力 随着经济的迅速发展，我国商业建筑(酒店、写字 楼、大型商场及综合性大楼等)的面积日趋增大，商业 建筑面积已占到全国房屋建筑面积的25.4%，目前已 建成的高级宾馆和大型写字楼有2000多幢，大型商 场800多家。据不完全统计，我国已安装中央空调的 建筑物约有7万栋左右，若能全部采用节能技术，预 计每年可节电500亿kW/h，节约电费开支378亿元。 由此可见，商业建筑具有巨大的节能潜力。 收稿日期:2007-01-24 1.2技术背景分析 中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极 端气候条件来计算其最大负荷，并以其最大冷(热)负 荷的1.21.5倍确定空调主机的装机容量及空调水 系统的供水流量。然而，实际上每年只有极短时间出 现最大冷负荷(或最大热负荷)的情况，绝大多数中央 空调系统在大部分时间是在部分(低)负荷状态下运 行，实际空调负荷平均只有设备设计能力的50%左 右，因此，出现了“大马拉小车”的现象，不但浪费大量 能源，而且还带来设备磨损，缩短寿命等一系列问题。 另一方面，商业建筑中央空调负荷具有较大变动 性，长期以来，由于季节交替、气候变幻、昼夜轮回、人 流量增减(宾馆入住率的变化)及使用场所等各种因素 变化的影响，在传统的定流量控制方式，仅依靠人工 手段对空调系统进行控制和管理，空调系统的运行不 能实现冷媒流量跟随末端负荷的变化而动态调节，势 必造成了巨大的能源浪费。 尽管现在许多空调主机已能够根据负荷变化自 动随之加载或减载，但与冷冻主机相匹配的冷冻泵、 冷却泵却不能跟随负荷的变化自动调节负载，始终在 额定功率下运行，仍然造成了输送能量的很大浪费。 4 冷冻(温)水出口温度 冷冻(温)水入口温度 冷冻(温)水流量 控制参量 冷冻(温)水控制子系统 冷冻(温)水泵 控制参量 模 糊 控 制 器 冷却水控制子系统 冷却水泵 冷冻(温)水系统压差 冷却水出口温度 冷却水入口温度 环境温度 空调主机工况 控制参量 冷却风控制子系统 冷却塔风机 运行参数 空调主机 图1系统控制原理框图 2节能技术概况与控制原理 2.1技术概况 近年来，随着自动化控制技术的发展，计算机技 术和变频技术日趋完善，智能模糊控制技术已被成功 引入和应用在中央空调控制领域。与传统的恒温差、 恒压差PID调节控制方式不同，中央空调智能模糊控 制系统将计算机技术、模糊控制技术、系统集成技术 和变频调速技术集合应用于中央空调的系统控制,为 用户提供了一个先进的智能化和个性化的中央空调 运行管理技术平台，实现了中央空调冷媒流量系统运 行的智能模糊控制，在保证空调服务质量的前提下实 现了中央空调系统的高效节能运行，可使空调主机节 能10%30%，水泵、风机节能60%80%(中央空调 系统综合节能达20%40%)。 2.2系统控制原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊 逻辑推理为基础的计算机智能控制，尤其适合于中央 空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。基 于模糊控制的变频调速可以实现中央空调水系统真 正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统 具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过 程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳 的控制效果。 率逼进不同负荷状态下的最佳值，保证中央空调系统 在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而实现 中央空调系统能耗最大限度地降低。 2.3系统功能与控制手段 2.3.1数据的集中监视和设备的自动控制 系统内部实现模糊控制器与各控制柜之间的通 信连接，将各水泵的状态以及中央空调系统中的主要 过程参数在统一的软件监视界面上分别显示出来(与 用户接口的监控界面为触摸屏操作方式的中文软件 界面)，进行集中监视。 2.3.2运行策略选择 系统提供了6种控制模式，在系统运行过程中， 可根据实际情况选择其中的一种来对中央空调系统 进行控制。包括：系统自动(主机人工干预)控制模式、 远程手动(软手动)控制模式、远程手动(标准方式)控 中央空调智能模糊控制系统采用了模糊预测算 法对冷冻水系统进行控制，当环境温度、空调末端负 荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和 流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器 将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依 据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时预 测计算出末端空调负荷所需的制冷量，以及各路冷冻 水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调 节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其 流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量 运行在模糊控制器给出的最优值。 系统对冷冻水系统采用了输出能量的动态控制， 使空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空 调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒 适性，又最大限度地节省了系统的能量消耗。 系统对中央空调冷却水及主机系统采用系统模 糊优化的控制方法，当环境温度、空调末端负荷发生 变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，系统的 最佳转换效率也随之变化。模糊控制器在动态预测控 制冷媒循环的前提下，依据所采集的空调系统实时数 据及系统的历史运行数据，计算出冷却水最佳进、出 口温度，并与检测到的实际温度进行比较，动态调节 冷却水的流量和冷却塔风量(见图1)，使系统转换效 制模式、第三方控制模式、就地手动调频控制模式、就 地旁路控制模式。 2.3.3机组群控功能 根据服务质量的要求及负荷的变化，控制机组投 入运行数量。 2.3.4服务质量控制功能 系统提供全天服务质量的查询和修改功能，用户 可根据空调实际负荷状况分级设定服务质量，实现输 出能量控制。 2.3.5状态监控 系统提供主机系统、冷温水系统、冷却水系统、 冷却塔系统和器件系统中的各设备运行参数的实时 监控。 2.3.6数据分析 系统提供能耗曲线、主机效率曲线、电耗累计值、 48 操作记录和故障记录等数据，以对整个中央空调系统 运行情况作全面分析。 2.3.7系统预加压功能 空调主机开机后，冷冻(温)水泵在上位机软件规 定的时间内先在允许的最高频率运行，使其至少完成 一个水循环周期，然后再进入系统自动调节模式，以 保证空调管路中无气阻现象。 2.3.8冷冻水供水低温保护 当空调主机冷冻水供水温度低于设定的下限值 时，一级泵系统的冷冻水泵或二级泵系统的一次冷冻 水泵应立即进入低温保护运行模式，快速提高冷冻水 供水温度，直至温度值不低于设定的下限值为止，以 保障空调主机蒸发器不致因温度过低而结冰冻管。 2.3.9冷冻水低流量保护 当空调主机冷冻水供水流量低于设定的下限值 时，一级泵系统的冷冻水泵或二级泵系统的一次冷冻 水泵应立即进入低流量保护运行模式，快速增大冷冻 水流量，直至流量值不低于设定的下限值为止，以保 障空调主机蒸发器的安全。 2.3.10冷冻(温)水供回水低压差保护 当冷冻(温)水供回水压差小于设定的下限值时， 系统应自动采取增大冷冻(温)水供回水压差的措施， 直至压差值不低于设定的下限值为止，以保障用户空 调末端的空调效果。 2.3.11冷冻(温)水供回水高压差保护 当冷冻(温)水供回水压差大于设定的上限值时， 系统应自动采用减小冷冻(温)水供回水压差的措施， 直至压差值不高于设定的上限值为止，以保障管路系 统的安全。 2.3.12冷却水出水高温保护 当空调主机冷却水的出水温度高于其设定的上 限值时，系统应自动采取措施，降低冷却水的出水温 度，直到冷却水出水温度不高于设定的上限值为止， 以保障主机安全运行。 2.3.13电气保护 系统执行机构变频器具有以下保护功能：电源缺 相保护、过电压保护、过电流保护、欠电压保护、输出 短路保护、接地故障保护。 2.3.14工变频切换 当控制系统故障后，为了保证空调系统的正常使 用，智能控制柜中设置有一套电气互锁的工变频转换 装置。当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时 间内不能恢复或置换时，可方便快捷地切换为原工频 状态运行。 2.3.15电量累计 智能控制柜中设置有电能表，可时实计量控制对 象的用电量。 3节能改造的具体方案 3.1系统情况 某综合性大厦，地处厦门，楼高38层，空调使用 面积约48000m2，大厦内设有四星级酒店、写字楼、商 场和娱乐场所等设施，空调设计总制冷量1800冷t， 配置离心式空调机组4台，冷冻水泵4台，电机功率 75kW；冷却水泵4台，电机功率75kW；冷却塔4台， 风机电机功率15kW。中央空调系统原设计为定流量 运行，无自动控制系统和BA系统。 大厦中央空调全年运行280d左右，平均运行时 间在(1422)h/d，中央空调系统年平均总耗电约220 万kWh，电费支出185万元左右。2006年使用智能 模糊控制技术对该大厦中央空调系统(主机、冷冻水 泵、冷冻水泵、冷却塔风机)进行了变流量节能改造。 3.2系统配置及构成 3.2.1系统选型 依据大厦中央空调系统的具体配置，并按用户的 双电源供电的要求，中央空调智能模糊控制系统的设 备作了相应的配置。 一台型号为BKS2003型模糊控制柜； 一台编号为MKX，型号为MKX2003-4B型现 场模糊控制箱； 一台编号为LWK-1，型号为FBQ2003T-75型冷 冻水泵智能控制柜； 一台编号为LWK-2，型号为FBQ2003T-75型冷 冻水泵智能控制柜； 一台编号为LQK-1，型号为FBQ2003T-75型冷 却水泵智能控制柜； 一台编号为LQK-2，型号为FBQ2003T-75型冷 却水泵智能控制柜； 一台编号为FJX-1，型号为FJX-4型冷却塔风机 智能控制箱。 装设流量计、水温传感器件、水流压差传感器等， 对中央空调运行参数进行采集(见图2某大厦中央空 调智能模糊控制系统原理图)。 3.2.2系统配置 (1)冷冻水模糊控制系统 一次冷冻水泵变流量模糊控制系统配置了编号 为LWK1-1、LWK1-2，型号为FBQ2003T-75型2套冷 冻水泵智能控制柜分别切换控制CP1-1、CP1-2、 CP1-3、CP1-4四台75kW冷冻水泵。 于冷冻水供、回水总管、支管上分别安装水温传 感器。于冷冻水供、回水总管间配置有水流压差传感 器。于冷冻水供水总管上配置有流量计。 (2)冷却水模糊控制系统 冷却水变流量模糊控制系统配置了编号为 LQK-1、LQK-2，型号为FBQ2003T-75型2套冷却水 泵智能控制柜分别控制CTP-1、CTP-2、CTP-3、CTP-4 四台75kW冷却水泵。 4 冷冻水出水冷冻水回水 P M 分水箱集水箱 MKX2003-4D 现场模糊控制箱 75kW 75kW75kW75kW FJX2003T-4 智能风机控制箱 3T TT 75kW75kW75kW75kW T Q1 TTT T41 T31 T21 T11 空调主机 1 空调主机 4 空调主机 3 空调主机 2 12T22T32T42 TTT 12切换智能水泵控制柜FBQ2003T-75 4321 原水泵启动控制柜 4321D1D2D3D4 空调机组配电柜 1234 原一次冷冻水泵启动控制柜 原风机启动控制柜21 切换智能水泵控制柜 FBQ2003T-75 三相电子式电能表 MKG2003T-4模糊控制柜 图2某大厦中央空调智能模糊控制系统原理图 每年可减排： CO2排放：540000900/106=486t； SO2排放：54000011/106=5.94t； N2O3排放：5400003/106=1.62t； 由此可见，本项目的实施不仅节约了大量的能 源，还大大减少了煤炭燃烧所产生的废气排放和温室 气体排放，对环境保护起到了巨大的作用。 5商业模式与投资收益分析 5.1EMC合作方式 作为一种基于市场的、全新的节能投资机制和节 FJX-1型号为FJX-4型1套冷却塔风机智能控制箱分 别控制CT-1、CT-3、CT-4、CT-2、CT-5四台冷却塔风机。 4应用效果 4.1安全可靠性和节能效果 该大厦中央空调系统通过安装智能模糊控制系 统实施节能改造后，实际运行结果表明： 系统运行安全、稳定、可靠，功能指标到达设备 技术要求； 系统直观，自动化程度较高，能及时、准确地自 动跟踪末端空调负荷运行； 系统实现了空调泵组的软启动、软停止、运行平 滑稳定，较大地改善了设备的启停性能和运行磨损； 系统具有强大的管理功能和安全保护功能，确 保整个空调系统优化、安全的运行； 实现了中央空调系统最大限度的节能，系统 (主机、冷冻水泵、冷冻水泵、冷却塔风机)综合节电率 达24.89%。 4.2节能效果及社会效益 于冷却水进、出总管上分别安装水温传感器。 (3)冷却塔风机模糊控制系统 冷却塔风机变流量模糊控制系统配置了编号为 能消费方式“合同能源管理”(亦称为“能源合同 管理”)在1996年被引入我国。“合同能源管理(EMC)” 是目前国际上最先进的能源管理模式和节能资本投 资机制，是国家发改委、世界银行与全球环境基金会 合作的中国节能促进项目，由专业投资机构为中国的 节能专业公司担保，提供国内银行贷款，在实施节能 项目投资的客户与专门的盈利性节能(能源管理)公司 之间签订能源服务合同，采用先进的节能技术及全新 的服务机制来为客户实施能源管理和服务，并与客户 共同分享项目实施节能后产生的经济效益。节能服务 商同时为客户提供节能项目设计、设备选购、安装调 节能改造前，该项目年耗电220万kW/h，电费 185万元。 实施节能改造后，每年节约电量54万kWh，每年 减少电费支出45万元人民币(按系统综合节能率 24.89%，综合电价0.848元/(kWh)计算)。 按照现行标准折算，即每年可节约216t标准煤， 试、设备管理维护、管理培训等一系列增值服务。 本项目合作方式是节能服务商前期免费将产品 安装在该大厦的中央空调系统中，产品安装、调试完 毕后，进入产品投资回报期，项目投资合作期为4年。 在投资合作期间，中央空调系统所取得的实际节能收 益由节能服务商与大厦按比例分享，投资风险由节能 投资收益 100 50 0 -50 -100 -150 投资收益 期初第1年第2年第3年第4年 -100-55-103580 图3投资收益时间表 投资收益-100-55-103580 从分析结果(见图3)可以看出，该大厦中央空调 50 服务商承担，即：无论前4年产生多少节能收益，4年 投资合作期结束后，该大厦都将拥有设备产权及全部 节能收益。 5.2项目投资收益分析 5.2.1投资回收期分析 根据本项目的实际节能数据进行投资回收期分 析，结果如下： 单位：万元 年限期初第1年第2年第3年第4年 节能项目可在23年以内收回所有投资，并可获得 较好的节能收益。 5.2.2投资收益分析 按年节能45万元，年折现率10%，期初投资按当 时一次购买该产品的市场价100万元，根据净现值折 现方法计算： NPV=45 45 45 45 (1+0.10)2+ (1+0.10)3+ 1+0.10+ (1+0.10)4 =143(万元) 4年的投资收益现值为：143-100=43(万元) (上接第39页)不仅浪费了资源还污染了环境。农作物 剩余资源的开发和利用是我国即将面临的重要课题。 秸秆是可再生资源，其再生周期短，基本为一年 投资收益=43/100=43% 从计算结果可以看出，按4年计算的投资收益率 高达43%。该系统运行按1015年计算，可获得更大 的经济收益，属于收益较高的投资项目。 6结语 随着国内的高档酒店、宾馆、大型商场等商业建 筑的大量兴建，中央空调能耗已成为商业建筑设计和 运营过程中亟待解决的重要课题。新型商业模式和先 进节能技术的成功引入和推广，为各行业客户带来巨 大的节能经济收益和社会效益，同时也必将推动我国 节能投资机制的深入变革，为节能产品在建筑节能领 域的推广和应用提供良好的发展前景。 参考文献: 1何耀东,何青.中央空调M.冶金工业出版社,2001. (HEYao-dong,HEQing.CentralAir-conditioningM.ChineseMetallur-gicalIndustryPress,2001.) 2国家旅游局.2004年中国星级饭店统计公报R.2005. (ChineseNationalTourismAdministration.Star-hotelStatisticCommu-niqueinChinain2004R.2005.) 3贵州汇通华城楼宇科技有限公司.BKS2003中央空调管理专家系统 技术规范S.2005. (GuizhouHuitonHuachengBuildingScience&TechnologyCo.Ltd.The TechnicalCodeofBKS2003ExpertSystemofCentralAir-conditio