空调系统节能与网络集中空调

空调系统节能与网络集中空调摘要：本文通过对空调制冷系统存在问题及节能潜力的分析，提出了基于IT技术的网络中央空调理论，详细介绍了网络中央空调的技术构架，对网络控制与BACnet等空调自控进行了比较。针对节能问题，本文介绍了一些网络中央空调的节能技术，初步分析了其节能效益。本文最后通过具体实例分析，进一步阐述网络中央空调在实际工程中的应用。关键词：系统节能、COP.sys、网络中央空调、Internet、BACnet一、引言我国国民经济的持续快速发展带动了能源消费的高速增长，目前我国能源供给已呈现出紧张局面。由于国家大力倡导节能降耗，节能已成为我国国策，国家“十一五规划”提出要节能20％，建设部提出建筑节能要达到60％。降低空调系统运行能耗是建筑节能的重要内容，本文针对此现状，对空调系统存在问题和节能潜力进行了分析，并较详细地介绍了网络中央空调这一新技术。二、空调系统存在问题及节能潜力分析根据资料显示，北京市的宾馆、饭店、商厦、写字楼等大型公共建筑仅占民用建筑的5.4％，但全年用电量却接近全北京市居民生活用电量的40％，单位面积年均耗电量是普通住宅的10-15倍。据2004年有关专家调查结果显示，通过加强运行管理、对设备进行改造以及改善过渡季节设备运行方式等措施，可普遍节电10％到20％左右。此外，空调系统在设计上一般保险系数过大，设备之间不匹配，普遍存在“大马拉小车”现象，节能潜力约10％到20％。综合各项节能措施，大型公共建筑的节能潜力应在30％以上。而中央空调系统能耗约占建筑总能耗的40～60％[1]，是建筑耗能大户，具有巨大的节能潜力。目前空调制冷系统采用智能化控制的不足1/5，由于系统的开放性、兼容性和使用效果较差，普遍存在“重建设轻管理，重设备轻系统节能，空调系统与楼宇智能系统无法兼容，能耗高管理难”的现象。针对空调系统管理差、能耗大、控制成本高这一难题，博瑞公司利用先进的Internet技术，成功研发出了网络中央空调系统，该技术得到了国家科技部、建设部和中国制冷学会等相关部门和业内专家学者的认可和支持。网络中央空调具有优越的性价比，它不仅造价低，还可以通过网络中央空调的能量管理系统最大限度的减少能量消耗，降低运行管理成本,提升了国内空调系统的运行管理水平。三、网络中央空调技术构架经过科学分析论证,本文提出了网络中央空调创新概念，其技术构架由三个层面组成。=1\*GB3①网络设备层：采用通用网络控制器(nDDC)，将Internet中广泛应用的TCP/IP技术和微处理器集成在通用直接数字控制器中，使传统DDC发生了质的飞跃---即通用网络DDC(nDDC)。nDDC具有智能采集控制执行能力和网络连接能力，从而便捷地实现了设备与中央控制柜的联网，使空调制冷设备升级为网络型设备。=2\*GB3②网络控管层：以用户局域网络为基础，建立局域网络空调控制管理系统（BCNS）。网络控管系统（BCNS）是网络中央空调的核心控制和管理层，它负责对各个设备信息采集、数据存储分析和指挥管理控制，对网络化设备层发来的数据进行分类存储、分析判断、处理诊断，并通能量管理系统过对空调系统进行系统节能化控制，按最优运行策略实现对空调系统的远程控制，达到智能化运行，专家管理系统对可能出现的故障进行预警，为空调系统的运行维护和优化调整积累基础数据，使空调系统的运行维护更加科学化、专业化，确保系统在安全、可靠、经济的状态下运行。=3\*GB3③在线管理层：网络中央空调在线管理系统(BCMS)是博瑞网络中央空调系统的在线支持与服务系统，它可以通过Internet在任何地域实时掌控用户空调系统运行状况、各机组负荷曲线、各关键地点的温度变化曲线等相关运行技术参数，了解空调系统的健康状况、协助用户解决系统不能处理的技术问题，处理空调系统的疑难故障，在需要时还可以人为地干预控制空调系统的运行。空调管理人员还可以随时了解当前消耗的电量、累计能耗、热转换效率等各种经济指标，为企业管理提供细致的基础数据。网络中央空调的软硬件组成如图1所示，主要包括：(1)BORRY中央空调管理系统服务器(2)LC2000NT通用网络控制器(nDDC)（适用于网络型冷水机组、空调机组、新风机组、机房辅助设备的网络化控制）(3)INTERNET网络(4)BORRYBCNS局域网络空调控管系统(包括能量管理系统和专家管理系统)(5)WWW.ChinaB网络中央空调在线管理系统(BCMS)。图1网络中央空调软硬件组成四、网络中央空调与其他类似技术的比较和分析楼宇自动化系统BAS出现于20世纪70年代末期。由于市场原因，各个厂家开发独立的通信协议，造成不同厂家控制设备之间的通信非常困难，最终用户的系统性能和投资效益受到损失。社会需求推动着技术向前发展，开发和使用开放的、统一的通信协议是社会和技术发展的必然趋势。目前我国BAS中使用两种主要通讯协议：LonWork和BACnet。这两种协议在通讯数据结构、数据传输方式、控制方式、成本、兼容性等方面与Internet网络还存在较大的区别。基于BACnet和LonWork的空调系统网络化控制与INTERNET网络中央空调对比如下：自控协议BACnetLonWorkTCP/IP提出者ASHRAE美国Echelon公公司Internett／BORRYY制定时间二十世纪九十年代代二十世纪八十年代代1999年发展趋势平稳下滑缓慢增长快速增长技术特点监控设备之间的通通讯数据结构构开放式分布式控制制网络监控网络设备间的的数据传输在在InterrnetTCCP/IP平平台上开放性性、标准化高高、容易实现现各种控制通讯介质专线和桥架专线和桥架通用网线扩展性较难较难很容易数据容量有限有限无限复杂程度中高低施工难度难难易厂商美国Honeywelll、Johnsson、Siemeens；技术实力力雄厚，各厂厂家协议不同同，产品兼容容性差，造价价昂贵，局限较大大微软，INTELL，思科等国国际著名公司司提供技术平平台，BORRY为运用服务务商性价比价格较贵，性能局局限，兼容较较差价格低廉，兼容性性强,性能卓越网络中央空调打破了以往BA技术由少数国际大公司垄断，互换性差、造价昂贵及操作管理十分复杂的局面；更重要的是它可以实现“OA＋CA＋BA”三网合一，真正实现了数字楼宇；同时先进的网络中央空调在线管理系统(BCMS)，可以为广大的中央空调客户提供在线的专家级管理服务。五、网络中央空调能量管理系统在空调系统节能中的应用网络中央空调是以系统节能为目的，它不是仅考虑单机的COP值，而是引入系统的COP.sys值，以系统高效节能为控制目标，将传统的单机能量控制提升到机群的能量控管，通过网络控制可便利地采用变水量、变水温、变风量、新风控制及蓄能等综合节能技术，实现系统节能。本文在此就网络中央空调的节能技术进行简要介绍。5.1冷水机群及冷站的能调节能机群运行状态及系统效率COP.sys冷水机组是空调系统的主要用能设备，其能耗夏季一般占到系统能耗的60%左右，是节能研究的主要对象。对于多台机组的冷冻站，网络中央空调可以根据实际空调负荷，通过控制系统调节机群运行状态及开启台数，使机组在效率较高的负荷工作区域内运行，始终高效节能，该措施一般可实现系统节能15％左右。网络中央空调不仅要求冷水机组的COP值高，而且要求系统的COP.sys也高，控制方法依据如下：网络中央空调通过实时监测负荷侧冷冻水的供、回水温度及冷冻水总流量，按下式即可计算出空调实际冷负荷，由此可得出空调系统要求机组提供的制冷量，从而决定开停冷水机组的台数、负荷调节及机组运行状态。式中Q—空调冷负荷，KWC—冷冻水的比热，W—冷冻水流量，kg/sth—冷冻水回水温度，℃tg—冷冻水供水温度，℃对于整个冷冻站，如果以、表示各台机组的制冷量，以、表示每台机组的功耗（以轴功率表示），以、表示其它运转设备（水泵、冷却塔、风机等）的功耗（以轴功率表示），、表示空调系统末端各设备的功耗，可以实时计算出以下数据：机群总制冷量：机群总功耗：所有冷站设备总功耗：空调系统所有设备总功耗：冷水机群值：冷站系统值：空调系统值：网络中央空调能量管理系统，以COP.sys为控制目标，可以实时监测及动态控制调节能量，可以定性定量的控制系统COP.sys以达到空调系统的高效节能。冷冻水变水温、变水量调节在制冷系统中，冷凝温度不变时，蒸发温度越低，制冷机的效率越低。在房间负荷减小时，网络中央空调通过适当提高空调供冷水的温度，目前空调冷冻水供回水温度一般设定为7/12℃，如冷冻水供水温度提高1℃，可提高冷机的效率1～3％。如系统采用水泵变频技术，为保持冷机侧限定的流量，变水温与变水量综合进行调节，可以更好达到节能调节的目的。程序逻辑控制网络中央空调系统中，主机设备与其它设备根据逻辑关系运行，各设备能同时参与到整个系统中，受到网络中央空调程序逻辑控制，从而获得最佳的节能运行。通过程序逻辑控制，网络中央空调可以依据楼宇功能预定的运行时间实现设备的最佳启停，可以根据负荷变化实现冷水机组及其它设备的节能逻辑运行。网络中央空调程序逻辑控制既能满足人们对空调环境的要求，又符合节能的原则，同时可有效避免由于人为操作不当对设备造成的不良影响。5.1.4数据采集、能耗计量与管理网络中央空调通过实时监测、计量，为用户提供详细的运行记录。用户可以实时掌控空调系统的运行状况，耗电量，累计能耗等，可以为空调系统的运行、维护和优化调整积累基础数据，进一步提高空调系统的科学化管理。5.2能量输送系统自控节能空调能量输送系统主要指空调冷冻水、冷却水、热水等输送设备及输送管道等，网络中央空调通过以下途径最大限度节省能耗：控制加大冷热水供回水温差和送风温差，以减少水流量、送风量和输送动力消耗；对水泵、风机采用变频技术，通过变风量、变水量自动控制节省水泵、风机能耗。目前，变频技术已经广泛应用于水泵、风机的运行。水泵的节能在暖通空调工程中，当需要改变水量时，传统做法是通过使用水阀对系统的水量进行调整，这种调节方法是以增加水泵运行能耗为代价的。网络中央空调系统采用变转速水泵代替水阀进行调节，通过调节水泵的开启台数及单台转速，实现对系统的水量调节,同时达到节能运行。变频调速技术的基础原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数)，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。根据水泵的相似定律，水泵所消耗的功率与流量的三次方成正比。水泵流量Q、轴功率N与控制电源频率f的关系式为：由上式可知，控制电源频率f与流量Q成正比，且与轴功率N的立方根成正比。通过降低电机频率匹配水流量必将大幅降低水泵电机的电力消耗。以此为理论依据，推算处各种水流量下的水泵消耗功率。当流量Q1为额定流量Q2的50%～90%时，对应的功率消耗N1与额定功率N2的比值见下表：Q1/Q25060708090N1/N212.521.634.351.272.9据统计，以夏天为例，水泵可节能70%[3]，使水泵能耗占总能耗23％的系统节能16.1%。冷却塔的节能网络中央空调可以根据气温变化调节冷却塔的风机转速实现冷却塔节能。对多台风机的冷却塔而言，风量的调节也可以通过风机台数控制来实现，根据实际需要来确定风机开启的台数。同样，由于风机功率正比于转速的三次方,风机转速的变化就改变了电动机的功率,从而达到了节能的目的。此外，在室外气温很低的情况下，完全可以停止所有风机的运行，使冷却水自然冷却。据统计，一般气温下冷却塔节能效率在21%[5]以上，可使冷却塔能耗占总能耗为2%的系统节能0.4%。5.3空调末端自控节能变风量、变水量如果采用变风量装置，用调节房间送风量的方法，补偿房间负荷的变化，可大量节约风机能耗。由于空调风机的流量、压力、功率等性能参数分别与转速的一、二、三次方比例变化，风机变转速调节方式调节范围宽，附加损失少，是调节范围最大、经济性最好的一种风量调节方式。用网络控制器可实现空调风机的转速调节，从而可以节约更多的能量。如果网络中央空调通过网络控制实现对风机风量的无级调节，则对于变风量系统可实现节能50%[3]，使风机能耗占系统总能耗为10～20%的系统节能达5～10%。另外，根据室内温度变化通过电动二通阀适时调节空调机组、新风机组和风机盘管的水量，也能节省冷量和水泵能耗。合理利用新风新风负荷一般要占整个空调负荷的20～40%，甚至更大。合理控制新风量可以节约不少能耗。网络控制可以根据室内人数变化（CO2浓度变化）控制新风阀门开度，在冬、夏季尽可能的减少新风的使用量。资料表明这种控制方式比固定新风量方式，在夏季可使系统冷负荷减少24.9%[3]。另外，网络控制也可根据室外空气的温度或焓值变化，不断改变新、回风比，达到节能的目的。冬季和过渡季，对于大面积空调且内区发热量较大的系统，可采用全部新风作为冷源投入运行，以缩短人工冷源的使用时间，节省能量；如果室外空气状态点等于或接近系统的送风状态点参数时，可使用全新风方式运行，合理利用室外新风以节省能耗。5.3.3室内参数的合理设定在空调系统运行中，夏季要求的室内温、湿度值越低，冬季要求的室内温、湿度值越高，系统耗能越大。据资料介绍，夏季室温从24℃提高到28℃，空调冷负荷减少36%左右,冬季室温从22℃改为18℃，空调热负荷减少55%左右[3]。根据不同使用标准制定不同的空调室内参数，对空调节能是非常有利的。对于室内空调参数允许有一定波动值的场合，夏季采用较高室温，冬季采用较低室温对节能有很大意义。空调房间数量较多的空调系统如用手动方式设定参数是很不方便的，但是网络中央空调很容易就可以实现建筑物内各房间室内参数的重新设定，达到节省能耗的目的。网络中央空调系统优化了空调设备运行状态，对冷水机群、输送系统以及末端设备合理控制，可使整个空调系统节能达15%～30％，甚至更高。六、网络中央空调的应用网络中央空调既可以适用于新建宾馆、饭店，也可以对已建成的中央空调系统进行网络化改造。下面以某酒店和商厦为例，介绍网络中央空调在实际工程中的应用。6.1某酒店空调面积约3万平米，采用3台300RT螺杆式冷水机组供冷。全年电费约380万元，锅炉燃气费约170万元，合计能源费550万元，其中空调系统全年电费180万元，用于空调供热的燃气费用约105万元，共计用于空调的能源费用285万元。下面具体分析其用电设备的电耗情况。如图2所示，在酒店用电量中，空调系统用电所占比重最大，达到52%，其次为照明用电，达18%。图2建筑能耗比例图图3空调系统夏季能耗比例图酒店空调系统夏季各部分能耗比例如图3所示。制冷机电耗占64%，空调末端电耗占17％，冷水泵、冷却水泵和冷却塔电耗合计占18%，可见，制冷机电耗所占比例最大。酒店虽然营业时间较长，但由于受到旅游季节变化和入住率波动的影响，多数时间是在部分负荷下工作。并且，该酒店的部分房间由于其内部发热量大，一般从过渡季开始就需要供冷，而冬季内区不仅不需要供热反而需要供冷。另外，该酒店空调系统较复杂，运行操作繁琐，管理很不方便。针对酒店人员波动大，热负荷大，能耗大，管理不便等特点，对该酒店空调系统实施网络化改造。对原制冷设备进行了升级，对水泵进行了变频控制，对空调机组进行了表冷阀开度即供冷量的控制，并实现了在过渡季全新风运行，夏季按最小新风比运行，冬季利用室外新风作为冷源给内区供冷等一系列的节能改造措施。酒店实施网络中央空调改造后，室内温度和空气质量可得到明显改善，全年冷水机组运行时间缩短，空调箱开启台数可明显减少，过渡季、冬季无需制冷，将节约不少能源消耗。另外，酒店空调系统的运行管理水平也将得到很大提高。据测算，网络化控制改造总投资约46万元，改造后每年节省运行费用18万元，3年内即可收回成本。该酒店网络中央空调具体系统构架如图4所示。空调设备空调设备控制器接入空调系统传感器接入局域网络空调控管系统INTERNETBORRY网络中央空调管理系统2号网络冷水机组3号网络冷水机组1号网络冷水机组1号冷却塔2号冷却塔3号冷却塔1号冷却泵2号冷却泵3号冷却泵冷却塔电动阀空气处理机和风机盘管PTPTF3号冷冻泵2号冷冻泵1号冷冻泵其它用户接入图4网络中央空调系统构架图6.2某商厦空调面积40000平方米，夏季供冷由2台1000RT离心机提供，冬季供热由市政热网提供，原设计70W/m2，总热负荷约2800kw；空调系统采用全空气系统。商厦共六层，每层4台空调机组，全部由人工控制，管理极不方便。商厦空调系统自投入使用已有十余年历史，由于商厦建设年代较早，设计理念和设计经验同现代商业功能不尽一致，因此，最初的设计没有考虑到过渡季全新风运行时，每年在3月初就开始投入制冷系统进行供冷，至11月初才可以结束，造成冷冻站的能源浪费。另外，该商厦由于内热较大，冬季仅有大门处约2500平米的区域需要供热，经过运行测试，外区热负荷仅需要400kw，内区无需供热已满足要求，造成了冬季供热费用的极大浪费。针对该商厦空调系统的实际情况对该商厦实施了网络中央空调改造：扩大了空调机组新风口及新风管以加大新风量。冬季供热取消了市政热网，采用低温风冷热泵机组对大门区域进行供热，内区将室外新风作为冷源投入。整个空调空调进行了网络控制，实现了空调机组、热泵机组、排风机等设备的远程监控，空调机组实现了新、回风比控制，表冷阀开度控制等。此次改造总投资约200万元，其中低温风冷热泵机组改造100万元，改造后春夏过