如何通过系统集成降低中央空调系统能耗？

1、中央空调能耗控制思路  

控制中央空调能耗，需要整体性地去考虑，从设计、施工、运维全程进行精细化把关和服务：

1）超高效中央空调系统的精细化设计；

2）BIM精细化制图及施工督导；

3）M-BMS多智能体自适应节能控制系统的精细化监控；

4）暖通及自控系统的精细化运行调试及优化进行详细探讨。

在这里，我们特别要提出：

大多数的公共建筑中央空调系统中，能耗高的主要原因就是设计方案出现问题。比如：

（1）冷热源方式选择不当；
（2）冷冻机和水泵等容量选型偏大；

（3）控制不精细；

如上问题还有很大弊端：一旦成型投入使用，后期很难调节和改造优化。

2、系统精细化设计  

2.1  全年负荷模拟

方案设计前，我们建议根据建筑数据及暖通规范要求，通过模拟软件对建筑物负荷逐时、逐日、逐月的计算，以获取全年的准确数据：如制冷总负荷、最小制冷负荷，详细的建筑物日负荷变化规律和年负荷变化规律。

2.2  全年变负荷工况能效计算

中央空调系统是一个庞大而又复杂的系统工程，各系统设备之间相互联系、相互影响。

而 建筑环境的变化是由多种因素所决定的一个复杂过程，其 由室外气象条件、室内外的通风状况、室内各种热源的发热状况等因素所决定。

因此建筑环境控制系统的运行也必须随着建筑环境的变化而不断的进行响应调节。我们建议通过计算机的模拟计算的方法对建筑全年能效进行计算。

2.3 空调水系统优化设计

2.3.1  主机优化

根据设计院提供的设计负荷及业主提供的设备使用规律进行全年逐时冷负荷需求，模型进行分析，结合空调系统群控设备运行策略，选取综合能效最佳主机形式及组合。通常会选用大温差，三流程蒸发器的双一级能效变频直驱主机，冷凝器选用二流程并自带胶球清洗端盖，保证常年自清洁达到全周期能效保持的效果。

图1  高能效变频直驱离心机组

2.3.2  冷冻水大温差及末端组空优化

目前常规空调冷冻水系统采用5 ℃温差设计，高能效机房一般采用不低于7 ℃的大温差设计，可降低水泵运行费用。为适应大温差工况，末端选型加大，能够适应更宽的输出能力要求，在负荷变高甚至超过设计最大负荷的情况下也可以轻松适应该负荷，同时因为应对大小负荷都游刃有余，真正可以通过提高出水温度和降低风机风量来进行节能。

2.3.3  空调管网优化选型

首先，需要将具有相同使用时间和相同使用负荷规律的末端用同一组管网进行连接，尽量减少不同管道之间的相互影响。在此基础上，由于水泵功率与扬程成正比关系，因此降低水系统阻力是降低水输送动力的有效途径，建议采取以下主要措施。

第一、选择低阻力阀件

1）过滤器：市场上供应的Y型水过滤器过滤面积小，阻力较大，一般为1～3 m。应优先选用水阻小于0.3 m篮式过滤器。还可以选择直角式过滤器，安装在水泵入口，可以连接水平管和竖向管道，节省一个弯头及其阻力损失。

2）止回阀：目前市场常用的蝶式止回阀，阻力较大，一般为1～2 m，应优先选用水阻小于0.3 m的静音式止回阀。

第二、管网低阻力优化

通过将水泵进出水口高度与主机进出口置平，可以减少管路弯头，将主机与水泵水平对接，直进直出，可以减少弯头。如将水泵入口处弯头改为直角式过滤器，或取消设计落地式分集水器则还可以减少弯头。机房内水管路设置弯头时应尽量设置顺水弯头，阻力可以降低50%。

第三、 空调水系统仿真建模

暖通空调系统一般都是由许多的管路、设备等器件通过各种不同的连接方式组合在一起，形成一个网络。在整个网络中，各部分之间相互独立而又相互影响，它们各自的物理参数不能够单独求解得到，需要对整个网路中的所有物理量进行联立求解。通过管网建模仿真软件，对于较复杂的系统能够快速有效的建立精确的系统模型，并进行完备的分析。通过管道参数、阻力元件设定，主机、末端设备动态水阻曲线设定，在给定设计流量下，模拟该流量下的系统总压降，为水泵选型提供依据。在变流量工况下分别计算10%～100%工况下的水泵扬程，并输出系统所有设备的模拟参数，包括流量、流速、压降等。

图2  某机房的某机房的空调水系统仿真建模

2.3.4 冷却塔性能优化

根据测算，冷凝温度每增加 1 ℃，单位制冷量的耗功率约增加2%～3%。因此，降低冷却系统供回水温度，能显著提高冷水机组COP值。但为达到此目的，需采取以下措施:

1）提高冷凝器冷却水侧的放热系数：提高放热系数的有效途径是减小水侧的污垢热阻，对冷却水补水进行有效的处理。

2）增大冷却塔的型号：考虑一定量的富余系数，根据项目当地最不利适当增大冷却塔型号，力争将冷却塔设计工况逼近度降低至3 ℃以下。

2.3.5 水泵优化

空调水系统输送动力能耗占空调系统能耗的20%左右，因此优化空间较大，主要措施有：

1）优化水泵扬程选型：空调水系统最不利环路阻力加上机房各设备阻力之和作为确定水泵扬程的依据，故千方百计地缩小最不利环路的长度，选择低阻力阀门阀件或增大管径，能将水泵扬程缩小下来。

2）降低冷却塔塔体扬程：冷却塔顶部进水管与集水盘液面高度之差即塔体扬程的大小，直接影响到水泵的扬程，因此尽量选用塔体扬程小的产品。

3、BIM精细化制图及施工督导  

因为超高效冷源系统机房管道往往比较复杂，施工起来破费精力和心思，而且这个过程容易造成很多施工隐患。因此在这个过程，现在很多单位和团队开始使用BIM技术。

BIM技术其实就是利用工具更好地进行施工沟通协作。其优势如下：

1）三维可视化及精确定位：

传统机房利用CAD软件来表达管道的走位。而 BIM模型 可以三维表达，清晰表达 超高效机房系统各种有倾斜角度的管道走位，及时发现施工设计找那个的问题。

2）设备参数复计算：

在超高效中央空调系统安装过程中，由于对管线进行了深化设计以及路线调整，在此过程会增加或减少部分管线长度和弯头数量，对原有系统阻力参数产生一定的影响。而BIM技术可避免这个问题。

3）传感器的定位：

采用BIM技术可以在图纸上精确定位传感器，可提前判断安装空间及位置能否满足要求，若不满足及时调整管路系统，保证自控传感器的顺利安装，为后续精确的数据采集提供保障，避免 传感器安装空间、位置不满足规范要求，在后续运行中采集的数据有较大误差的问题。

4、M-BMS多智能体自适应节能控制系统的精细化监控  

我们先来了解下什么是M-BMS多智能体？

M-BMS多智能体 是一定数量的自主个体通过相互合作和自组织。在这一系统中所有的单元（子系统）都是独立平等的，可独立完成各自的任务而不受其他单元的干预。同时各个单元之间也能协调工作来实现整个系统的运行。

它由主机综合节能控制系统，水泵智能节能控制系统，冷却塔智能节能控制系统，末端智能节能控制系统等模块以多智能体形式自协调形成一个统一的整体。

硬件形式可以按模块组合类型和数量不同，适用于不同形式的机房系统，同时，也适用于强弱电一体解决方案和弱电+强电解决方案，另外可以与云端进行实时交互、检测和分析。如果某一个设备出现故障，也可以通过智能识别禁止开启有故障的设备，而用其他设备代偿运行。

图3  M-BMS多智能体自适应节能控制系统架构图

M-BMS多智能体自适应节能控制系统的作用：

（1）主机综合节能控制系统模块将根据建筑负荷实时变化，使空调主机自动调整空调组合及输出负荷从而控制空调水系统冷热量的质/量，从而使空调主机在高能效状态运行，同时确保冷冻水泵、冷却水泵处于低能耗状态，确保系统性能系数最高（即系统整体能耗最低）。

（2）水泵智能节能控制系统模块通过变频器柔性启动水泵，水泵起动后，按控制器输出的控制参数值，实现最优效率加减载，并调节各水泵变频器的输出频率，控制水泵的转速。冷冻水泵组将使系统在保证末端空调用户的舒适度的同时，可实现系统最大限度的节能。冷却水泵组将使冷却传输系数达到最优值。

（3）冷却塔智能节能控制系统模块通过依据所采集的实时气象数据及系统的历史运行数据计算出最佳冷却水温度，并与检测到的实际参数作比较，根据其偏差值控制冷却风机的启停和变速运行，从而改变冷却塔的散热量，使冷却水系统的回水温度趋于最优值。

（4）末端智能节能控制系统，通过室内温湿度可以进行模块内部的调节送风温度，水阀开度及风机频率，在保证末端舒适度的前提下，使供冷量与需求相匹配，最大限度地降低风机能耗。

5、暖通及自控系统的精细化运行调试及优化  

5.1  空调设备精细化调试

5.1.1  主机的精细化调试

冷水主机完成主机运行调试工作，提供调试报告、最佳部分负荷率电子表格或曲线，最大及最小冷冻、冷却水流量工况，最高及最低的冷却水进水温度、冷冻水出水温度工况下的主机能效状态，确定每台主机的最佳效率运行负荷段。并出具冷水主机的诊断、分析报告。

5.1.2  冷冻、冷却水泵的精细化调试

根据优化后的机房平面布局和管网设计图纸、采购设备的技术参数，进行精确计算比较，测试确定全部水泵的最佳运行技术参数。并出具水泵的诊断、分析报告。

5.1.3  冷却塔的精细化调试

根据冷水主机的最佳部分负荷率电子表格或曲线，测试出不同负荷段的冷却塔运行台数及冷却效果。并出具冷却塔的诊断、分析报告。

5.1.4  冷源机房系统的精细化调试

在机房系统内的所有设备完成单设备精细化调试工作后进行，冷源机房系统全部启动，测试每台设备在各个负荷段的协同运行性能参数在最优效率点。并出具冷源机房系统的诊断、分析报告。

5.1.5  末端系统诊断、分析

当机房冷源系统精细化调试完成后，冷冻水供水温度达到设计值±0.5 ℃条件下，末端系统满负荷及部分负荷运行的条件下，冷冻水主管供回温差≥设计温差-0.5 ℃，确定末端系统在不同的负荷段运行，冷冻水供回水温差均可以达到≥设计温差-0.5 ℃，并出具末端系统诊断 、分析报告。

5.2  节能控制系统调试

5.2.1  传感器校正

根据传感器技术要求数据，对系统内的温度、流量等传感器进行校正，以达到技术文件要求为目标。

5.2.2  半自动模式调试

单机组自动运行模式，一键启动机组，机组内的冷却、冷冻水泵、电动阀门、冷却塔自动联锁运行，自控系统自动调节冷冻、冷却水泵流量，实现单机组高效运行。

5.2.3  全自动模式调试

（1）主机的优化控制

根据最佳部分负荷率电子表格或曲线，对应冷却水的进水温度及冷冻水出水温度设定值确定机组的最佳负荷值。根据末端负荷实测需求，计算需要投入的机组规格和台数，实现最优台数控制。

（2） 冷冻水泵的变频控制

根据实测末端冷冻水流量需求、最不利环路的压差变化和冷冻水进出水温差变化，精确控制流量分配和水泵的运行频率，确保冷冻水的供回水温差大于或等于设计值，杜绝大流量小温差的不节能现象。

（3）冷却水泵的变频控制

根据实测水流量需求和冷却水进出水温差变化精确控制冷水主机并联回路的动态压力平衡和水泵运行频率，确保冷却水的供回水温差不小于设计值，杜绝大流量小温差的不节能现象，并能保证冷水主机在最高效率区间运行。

（4）冷却塔自控系统调试

根据实测冷却水流量自动控制投入运行的冷却塔台数；根据出水温度与室外湿球温度的差值变化控制风机的运行频率，确保逼近度在合理水平。