能源是人類社會生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源問題是關(guān)系經(jīng)濟建設(shè)全局的一個重大戰(zhàn)略問題。隨著社會的發(fā)展，能源問題已經(jīng)成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，各國政府紛紛采取措施應(yīng)對能源危機，我國已經(jīng)將節(jié)約能源作為一項基本國策。
在我國的能源消費主體中，建筑能耗占了很大的比例。據(jù)權(quán)威統(tǒng)計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經(jīng)達到27.6%。在發(fā)達國家，建筑能耗一般占全國總能耗的30%~40%。因此，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的建筑能耗必然會持續(xù)上升，建筑節(jié)能工作任重而道遠。
而在建筑能耗中，中央空調(diào)能耗一般占到了40%~60% 的比例，因此如何有效降低空調(diào)能耗就成為建筑節(jié)能的重中之重，本文將就有關(guān)中央空調(diào)的節(jié)能進行專項論述。
中央空調(diào)的節(jié)能可通過以下兩種方法進行：
(1)管理節(jié)能：在保障建筑物舒適的前提下，通過對行為的約束管理或通過調(diào)整設(shè)備的不合理運行狀態(tài)來達到節(jié)能的目的。
(2)技術(shù)節(jié)能：技術(shù)節(jié)能是通過先進的科學(xué)技術(shù)，通過對建筑物內(nèi)用能設(shè)備的改進來達到節(jié)能的目的。技術(shù)節(jié)能的兩種方法：一種是提高用能設(shè)備的效率，另一種是通過技術(shù)手段調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)，從而避免不必要的能源浪費。
總之，要想真正實現(xiàn)建筑物的節(jié)能不僅要利用技術(shù)手段進行節(jié)能改造，而且還必須配合有效的管理手段，只有兩者有效配合才能達到節(jié)能的最大化。
2、 管理節(jié)能
目前我國建筑內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)大部分設(shè)計都趨于保守，存在配置過大、管理不便的現(xiàn)象，空調(diào)設(shè)計很少從節(jié)能的角度來進行考慮，這種狀況無疑增加了中央空調(diào)的能耗。為了達到節(jié)能的效果，需要做到“功能適當(dāng)運行合理”，在保持舒適度的前提下，盡可能的降低能耗，同時應(yīng)該有切實可行的管理手段，使得系統(tǒng)運行科學(xué)、合理，操作簡單、方便。
要實現(xiàn)對中央空調(diào)的管理節(jié)能，我們必須能夠找到空調(diào)系統(tǒng)存在哪些能耗浪費的地方，設(shè)備存在怎樣的不合理運行狀態(tài)等。只有找到了原因，我們才能夠找到相應(yīng)的解決途徑。因此，要想實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，就必須對中央空調(diào)的系統(tǒng)進行節(jié)能診斷，為此我們重點將介紹中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能診斷的方法和思路，然后針對此提供解決方案。
2.1 主機系統(tǒng)的診斷
空調(diào)主機是空調(diào)系統(tǒng)中裝機容量最大的設(shè)備，物業(yè)部門一般對其維修保養(yǎng)都很重視，基本能做到運行狀況的連續(xù)記錄，但是記錄數(shù)據(jù)往往沒有用于指導(dǎo)設(shè)備的高效運行，為了有效地對中央空調(diào)進行診斷，我們可以根據(jù)運行記錄的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的存在問題作出診斷。
在一般的電制冷主機運行記錄表中，一般都會記錄主機的蒸發(fā)溫度和冷水出水溫度，一般對于水冷方式的主機來說，蒸發(fā)溫度要比出水溫度低3~4 度，實際值若超出這個數(shù)值，則說明蒸發(fā)器或制冷劑有問題，應(yīng)注意檢修。同時一般冷凝溫度要比冷卻水出水溫度高2~4 度，若實際運行情況超出此值，一般是主機的冷凝器有問題，應(yīng)注意及時清洗。
在實際的運行中，往往出現(xiàn)這樣的情況：冷水的供回水溫差在2~3 度之間，說明了空調(diào)末端負荷不大，但是冷卻水出水溫度很高，且冷凝壓力很高，導(dǎo)致主機的負荷在90% 以上，這種情況基本是由于冷凝器出了問題，在進行及時清理后，主機的負荷將會大幅度下降，將會節(jié)約大量的能耗。
另外，通過記錄主機的冷凍水流量、供回水溫度，及壓縮機電流等參數(shù)的監(jiān)測，我們就可以計算出主機的性能系數(shù)cop，通過此我們可以對主機的運行效率有一個大致的判斷。如果主機的運行效率過低，將會導(dǎo)致能源的浪費，對此應(yīng)該找出原因并加以改善。
對主機的節(jié)能診斷，還要觀察不運行的冷凍機的水閥是否關(guān)閉，若閥門不關(guān)將會導(dǎo)致回水箱的部分熱水經(jīng)過該主機旁通到供水箱，在供水箱內(nèi)發(fā)生冷水跟熱水混合的現(xiàn)象，這樣將會導(dǎo)致大量的能源浪費。同理，冷凍水分水箱和集水箱之間的旁通閥若處于未關(guān)狀態(tài)，或者存在一臺冷機對開兩臺冷凍泵的現(xiàn)象時，也會出現(xiàn)冷熱水混合的現(xiàn)象，導(dǎo)致能源浪費，這個問題應(yīng)引起注意。
2.2 冷卻水系統(tǒng)的診斷
在實際的冷卻水運行中往往存在著不運行的冷塔閥門不關(guān)的情況，這樣造成的后果是熱水經(jīng)過該冷塔后與其他的正常運行的冷卻塔冷水混合，進入了主機，導(dǎo)致主機冷凝器的進水溫度偏高，主機的cop 減小，主機的能耗增加，浪費大量能源。解決該問題的辦法是將不運行的冷塔的進出水閥門關(guān)掉。
另外，通常吸收式空調(diào)主機因真空度降低或制冷劑污染造成制冷效率降低;冷卻塔常因失修導(dǎo)致散熱效率下降。主機或冷卻塔的效率是否降低可按下述方法大致鑒別：
(1)主機輸出制冷量減少(冷凍水運行供水溫度大于設(shè)置溫度)。
(2)冷卻水進口溫度高，主機曾報警，冷卻水進出口溫差小于5℃。
(3)冷凍水供水溫度高，末端用戶曾報熱投訴，冷凍水供回水溫差小于5℃。如果主機或冷卻塔出現(xiàn)了效率降低的情況，就該及時維修，以免造成能源的浪費。
2.3 冷凍水系統(tǒng)的診斷
目前的冷凍水系統(tǒng)中，往往存在著水泵選型過大的問題，造成的結(jié)果是一方面功率偏大造成能耗的浪費;另一方面是水泵偏離標(biāo)準(zhǔn)工況運行，導(dǎo)致水泵長期工作在低效區(qū)，水泵效率偏低導(dǎo)致能耗的浪費。對于這種情況解決的辦法是更換水泵或者采用變頻調(diào)速的手段來實現(xiàn)節(jié)能。
冷凍水管路如果存在水力不平衡將會使整個系統(tǒng)的能耗增加。一般空調(diào)運行中存在一個誤區(qū)，認為空調(diào)末端效果差是由于總水量偏小，所以往往會通過增加水泵開啟臺數(shù)或者換大流量水泵來解決。但實際的原因是大多是由于工程竣工后空調(diào)水系統(tǒng)從未做過水力平衡，導(dǎo)致部分末端水量不足。而部分末端水量過剩，而工作人員為了滿足水量不足這部分末端的換熱要求，只能增大總水量，從而使得其他末端的水量變大，白白浪費了一些能源。
因此，冷凍水流量分配診斷內(nèi)容應(yīng)該為測量系統(tǒng)各分支的冷凍水量和進回水溫度，從而判斷各分支冷量的提供情況，以此判斷系統(tǒng)是否存在水力不平衡現(xiàn)象。
對水力不平衡的解決方法是：找出水力不平衡的原因，如果是因為個別風(fēng)機盤管支路堵塞，可對此修復(fù);若因局部末端負荷水壓不足，應(yīng)考慮采用調(diào)整水力平衡調(diào)節(jié)閥或增加小型管道泵的可能性。
3 、技術(shù)節(jié)能
以上介紹的是通過行為管理來達到節(jié)能的目的，事實證明這是一種最簡單有效的節(jié)能方式，在某種程度上可以達到一定的節(jié)能效果，但是管理節(jié)能的方式也有一定的局限性，因為它不能從根本上解決中央空調(diào)所存在的巨大能源浪費問題。
一般來說，中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計通常按建筑物所在地的極端氣候條件來計算其最大冷負荷，并由此確定空調(diào)主機的裝機容量及空調(diào)水系統(tǒng)的供水流量。然而，實際上每年只有極短時間出現(xiàn)最大冷負荷的情況。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)在絕大部分時間里，都是在部分負荷條件下運行的。據(jù)統(tǒng)計，實際空調(diào)負荷平均只有設(shè)備能力的50% 左右，因而出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這無疑造成了大量的能源白白浪費。
另一方面，空調(diào)負荷又具有變動性。由于季節(jié)交替、氣候變幻、晝夜輪回、使用變化及人流量增減等各種因素變化的影響，中央空調(diào)系統(tǒng)的負荷具有起伏變化和不恒定的特點，如果中央空調(diào)的運行方式不能根據(jù)負荷的變化而調(diào)節(jié)，始終在額定容量(即滿負荷狀態(tài))下運行，也勢必造成巨大的能源浪費。
隨著科技的發(fā)展，不少空調(diào)主機已能夠根據(jù)負荷變化自動隨之減載或加載，但輸送空調(diào)水的水泵如果不能跟隨負荷的變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，始終在額定功率下運行，仍然會造成輸送能量的浪費。
目前，國內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，由于沒有先進的技術(shù)手段支持，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式，即空調(diào)冷凍(溫)水流量、冷卻水流量和冷卻風(fēng)風(fēng)量都是恒定的。也就是說，只要啟動空調(diào)主機，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機都在工頻狀態(tài)下運行。
定流量控制方式的特征是系統(tǒng)的循環(huán)水量保持定值不變，當(dāng)負荷變化時，通過改變供水或回水溫度來匹配。定流量供水方式的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)備。但這種控制方式存在以下問題：
(1)無論末端負荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設(shè)計的額定狀態(tài)下運行，系統(tǒng)能耗始終處于設(shè)計的最大值，能源浪費很大。
(2)舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多參量、非線性、時變性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于末端負荷的頻繁波動，必然造成系統(tǒng)循環(huán)溶液的運行參量偏離空調(diào)主機的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致主機熱轉(zhuǎn)換效率降低，系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運行，也會增加系統(tǒng)的能源消耗。
為了解決中央空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費問題，社會各界都開始研究中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能途徑，希望能通過先進的技術(shù)手段來實現(xiàn)節(jié)能。目前主要的節(jié)能控制思想主要有以下幾種：3.1 水泵變頻節(jié)電
直接在水泵電機前加裝變頻器，通過人工調(diào)整頻率，去除水泵余量而節(jié)能。
3.2 簡單PID 變頻控制
利用壓差或溫差作為控制參量，采用PID 算法控制變頻器工作頻率，使水泵流量跟隨負荷變化，從而達到水泵節(jié)能的目標(biāo)。
(1)恒壓差控制：中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的恒壓差控制原理圖，如圖1 所示。
中央空調(diào)管理節(jié)能與技術(shù)節(jié)能的方法1.jpg
在冷凍水系統(tǒng)供、回水總管間設(shè)置水力壓差傳感器，通過檢測壓差ΔP 控制變頻器，為水泵提供變速調(diào)節(jié)。
其控制原理是以保持冷凍水供、回水壓差的恒定為依據(jù)，來調(diào)節(jié)用戶側(cè)冷凍水的供水流量，從而達到節(jié)能的目的。其控制過程如下：
當(dāng)空調(diào)實際負荷減少時，隨著末端眾多二通閥的關(guān)閉，冷凍水供、回水壓差會增大，壓差傳感器檢測出壓差的變化后，將信息傳送到變頻器，變頻器的輸出頻率隨之降低，使冷凍水泵電機轉(zhuǎn)速降低，供水流量減少，使冷凍水供、回水壓差減小并回到設(shè)定值，系統(tǒng)用戶側(cè)進入低流量狀態(tài)。由于水泵電機轉(zhuǎn)速的降低，從而達到節(jié)約電能的目的。
反之，當(dāng)空調(diào)實際負荷增加時，隨著末端眾多二通閥的開啟，冷凍水供、回水壓差會變小，壓差傳感器檢測出壓差的變化后，將信息傳送到變頻器，變頻器的輸出頻率隨之升高，使冷凍水泵電機轉(zhuǎn)速提高，供水流量增加，使冷凍水供、回水壓差增大并重新趨于設(shè)定值，系統(tǒng)用戶側(cè)進入新的流量運行狀態(tài)。
(2)恒溫差控制：中央空調(diào)水系統(tǒng)的恒溫差控制原理圖，
在水系統(tǒng)供、回水總管上分別設(shè)置溫度傳感器T 出和T 入，通過PLC 檢測供、回水溫差ΔT 的變化來控制變頻器，為水泵提供變速調(diào)節(jié)。
其控制原理是以保持供、回水溫差的恒定為依據(jù)，來調(diào)節(jié)用戶側(cè)水系統(tǒng)的供水流量，從而達到節(jié)能的目的。其控制過程如下：
采用恒溫差對空調(diào)系統(tǒng)的水泵電機進行控制，它根據(jù)需要設(shè)定水系統(tǒng)的正常工作溫差，并給出最高和最低的運行水溫差，在此范圍內(nèi)，可人工調(diào)節(jié)所需的運行溫差。
當(dāng)空調(diào)實際負荷減少時，隨著末端眾多二通閥的關(guān)閉，水系統(tǒng)供、回水溫差會變小，PLC 檢測出溫差的變化后，經(jīng)比例積分微分運算并控制變頻器的輸出頻率隨之降低，使水泵電機轉(zhuǎn)速降低，供水流量減少，使供、回水溫差增大并回到設(shè)定值，系統(tǒng)用戶則進入低流量運行狀態(tài)。由于水泵電機轉(zhuǎn)速的降低，從而達到節(jié)約電能的目的。
反之，當(dāng)空調(diào)實際負荷增加時，隨著末端眾多二通閥的開啟，水系統(tǒng)供、回水溫差會增大(偏離了設(shè)定值)，PLC 檢測出溫差的變化后，經(jīng)PID 運算并控制變頻器的輸出頻率隨之升高，使水泵電機轉(zhuǎn)速提高，供水流量加大，使供、回水溫差減小并重新趨于設(shè)定值，系統(tǒng)用戶側(cè)進入新的流量運行狀態(tài)。
以上所述的恒壓差和恒溫差控制方式都是依據(jù)單參量數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)進行比例、積分、微分控制。PID 歷史悠久，原理簡單，使用方便，投資較低，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了極好的應(yīng)用，具有較好的控制效果。但中央空調(diào)系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，這種以壓差或溫差作為控制參量的PID 調(diào)節(jié)，在中央空調(diào)控制中存在較大的局限性，主要在于：
◆ 沒有全面采集空調(diào)系統(tǒng)的運行參數(shù)，也沒有對空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行全面控制，系統(tǒng)設(shè)計是有局限的、不完整的，不可能實現(xiàn)系統(tǒng)綜合優(yōu)化與最佳節(jié)能。
◆ 比例積分微分(PID)控制中最重要的工程參數(shù)比例系數(shù)K，積分時間常數(shù)TI 和微分時間常數(shù)Td，一旦選定之后，如果人不去調(diào)節(jié)，它是固定不變的，不可能跟隨受控參量的變化而自動調(diào)整。也就是說，工程參數(shù)整設(shè)定之后，就用同一種參數(shù)去對付各種不同的運行工況。實際上，中央空調(diào)系統(tǒng)是一個時變性的動態(tài)系統(tǒng)，其運行工況受季節(jié)變化、氣候條件、環(huán)境溫度、人流量等諸多種因素的綜合影響，是隨時變化的，且始終處于波動之中。因此，靜態(tài)參數(shù)的PID 控制方法不可能達到最佳的控制效果。
◆ PID 工程參數(shù)的整定在很大程度上依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，而中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多變量的、復(fù)雜的、時變的系統(tǒng)，其過程要素之間存在著嚴重的非線性、滯后及強耦合關(guān)系，一般難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。對這樣的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID 控制很難實現(xiàn)較好的控制效果。實踐證明，恒壓差或恒溫差的單參量控制，很容易引起水系統(tǒng)參量振蕩，長時間都不能到達設(shè)定值的穩(wěn)定狀態(tài)，既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又降低空調(diào)效果的舒適性。
由于中央空調(diào)系統(tǒng)的被控對象是空調(diào)區(qū)域內(nèi)各個房間的溫度場，它與空調(diào)系統(tǒng)進行熱交換的工況相當(dāng)復(fù)雜，制約因素太多。中央空調(diào)系統(tǒng)是一個時滯、時變、非線性、多參量且參量之間耦合很強的復(fù)雜系統(tǒng)。其復(fù)雜性表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性;環(huán)境和負荷特性的高度不確定性，導(dǎo)致控制參數(shù)不易在線調(diào)節(jié);大時滯，多個慣性環(huán)節(jié);大惰性;高度非線性;多變量，時變性，復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)。
這些都難以用精確的數(shù)學(xué)模型或方法來描述，因此，基于精確模型的傳統(tǒng)控制難以解決這種復(fù)雜系統(tǒng)的控制。
3.3 智能模糊控制方式
對于中央空調(diào)這種復(fù)雜系統(tǒng)，很難用精確的數(shù)學(xué)模型進行描述，或者所得數(shù)學(xué)模型不是過于復(fù)雜就是較為粗糙，以精確性為主要特點的經(jīng)典數(shù)學(xué)，對于這類控制問題往往難以奏效。
如果把人的操作經(jīng)驗、知識和技巧歸納成一系列的規(guī)則，存放在計算機中，利用模糊集合理論將它定量化，使控制器模仿人的操作策略，就可以實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的人工智能模糊控制。其控制的基本思想就是按照中央空調(diào)主機所要求的最佳運行參數(shù)去控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，根據(jù)系統(tǒng)的運行工況及制冷工質(zhì)參數(shù)的變化，通過模糊控制器動態(tài)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)，確?？照{(diào)主機始終處于優(yōu)化的最佳工作點上，使主機始終保持具有高的熱轉(zhuǎn)換效率，有效地解決了傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在低負荷狀態(tài)下熱轉(zhuǎn)換效率下降的難題，提高了系統(tǒng)的能源利用率。
中央空調(diào)系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的最佳運行和節(jié)能，從局部去解決問題是不可能辦到的，必須針對空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)統(tǒng)一考慮，全面控制，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，才能實現(xiàn)最佳綜合節(jié)能。
(1)冷凍水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制：冷凍水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制。當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數(shù)送至模糊控制器，模糊控制器依據(jù)所采集的實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，實時計算出末端空調(diào)負荷所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變其流量使冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在模糊控制器給出的最優(yōu)值。
(2)冷卻水系統(tǒng)采用系統(tǒng)效率最佳控制：當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，中央空調(diào)主機的負荷率將隨之變化，主機的效率也隨之變化。
由于主機效率與冷卻水入口溫度有關(guān)，冷卻水入口溫度降低，有利于提高主機效率、降低主機能耗。但冷卻水溫度降低，將導(dǎo)致冷卻水泵和冷卻塔的能耗升高。因此，只有將主機能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔風(fēng)機能耗三者統(tǒng)一考慮，才能找到一個系統(tǒng)最佳效率點，使整個制冷系統(tǒng)能效比最高。要達到系統(tǒng)效率最佳控制，冷卻水入口溫度應(yīng)隨室外氣溫變化進行動態(tài)調(diào)節(jié)。
(3)系統(tǒng)控制原理圖，如圖3 所示。當(dāng)中央空調(diào)系統(tǒng)負荷變化造成空調(diào)主機及其水系統(tǒng)偏離最佳工況時，模糊控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集得到各種運行參數(shù)值，如系統(tǒng)供回水溫度、供回水壓差、流量及環(huán)境溫度等，經(jīng)推理運算后輸出優(yōu)化的控制參數(shù)值，對系統(tǒng)運行參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，確保主機在任何負荷條件下，都有一個優(yōu)化的運行環(huán)境，始終處于最佳運行工況，從而保持效率(cop)最高、能耗最低，實現(xiàn)主機節(jié)能10%~30%，水泵系統(tǒng)節(jié)能60% 以上。事實證明智能模糊控制方式是在空調(diào)控制領(lǐng)域最為先進的節(jié)能控制策略，該方式可以達到很好的節(jié)能效益和社會效益。
在我國的能源消費主體中，建筑能耗占了很大的比例。據(jù)權(quán)威統(tǒng)計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經(jīng)達到27.6%。在發(fā)達國家，建筑能耗一般占全國總能耗的30%~40%。因此，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的建筑能耗必然會持續(xù)上升，建筑節(jié)能工作任重而道遠。
而在建筑能耗中，中央空調(diào)能耗一般占到了40%~60% 的比例，因此如何有效降低空調(diào)能耗就成為建筑節(jié)能的重中之重，本文將就有關(guān)中央空調(diào)的節(jié)能進行專項論述。
中央空調(diào)的節(jié)能可通過以下兩種方法進行：
(1)管理節(jié)能：在保障建筑物舒適的前提下，通過對行為的約束管理或通過調(diào)整設(shè)備的不合理運行狀態(tài)來達到節(jié)能的目的。
(2)技術(shù)節(jié)能：技術(shù)節(jié)能是通過先進的科學(xué)技術(shù)，通過對建筑物內(nèi)用能設(shè)備的改進來達到節(jié)能的目的。技術(shù)節(jié)能的兩種方法：一種是提高用能設(shè)備的效率，另一種是通過技術(shù)手段調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)，從而避免不必要的能源浪費。
總之，要想真正實現(xiàn)建筑物的節(jié)能不僅要利用技術(shù)手段進行節(jié)能改造，而且還必須配合有效的管理手段，只有兩者有效配合才能達到節(jié)能的最大化。
2、 管理節(jié)能
目前我國建筑內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)大部分設(shè)計都趨于保守，存在配置過大、管理不便的現(xiàn)象，空調(diào)設(shè)計很少從節(jié)能的角度來進行考慮，這種狀況無疑增加了中央空調(diào)的能耗。為了達到節(jié)能的效果，需要做到“功能適當(dāng)運行合理”，在保持舒適度的前提下，盡可能的降低能耗，同時應(yīng)該有切實可行的管理手段，使得系統(tǒng)運行科學(xué)、合理，操作簡單、方便。
要實現(xiàn)對中央空調(diào)的管理節(jié)能，我們必須能夠找到空調(diào)系統(tǒng)存在哪些能耗浪費的地方，設(shè)備存在怎樣的不合理運行狀態(tài)等。只有找到了原因，我們才能夠找到相應(yīng)的解決途徑。因此，要想實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，就必須對中央空調(diào)的系統(tǒng)進行節(jié)能診斷，為此我們重點將介紹中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能診斷的方法和思路，然后針對此提供解決方案。
2.1 主機系統(tǒng)的診斷
空調(diào)主機是空調(diào)系統(tǒng)中裝機容量最大的設(shè)備，物業(yè)部門一般對其維修保養(yǎng)都很重視，基本能做到運行狀況的連續(xù)記錄，但是記錄數(shù)據(jù)往往沒有用于指導(dǎo)設(shè)備的高效運行，為了有效地對中央空調(diào)進行診斷，我們可以根據(jù)運行記錄的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的存在問題作出診斷。
在一般的電制冷主機運行記錄表中，一般都會記錄主機的蒸發(fā)溫度和冷水出水溫度，一般對于水冷方式的主機來說，蒸發(fā)溫度要比出水溫度低3~4 度，實際值若超出這個數(shù)值，則說明蒸發(fā)器或制冷劑有問題，應(yīng)注意檢修。同時一般冷凝溫度要比冷卻水出水溫度高2~4 度，若實際運行情況超出此值，一般是主機的冷凝器有問題，應(yīng)注意及時清洗。
在實際的運行中，往往出現(xiàn)這樣的情況：冷水的供回水溫差在2~3 度之間，說明了空調(diào)末端負荷不大，但是冷卻水出水溫度很高，且冷凝壓力很高，導(dǎo)致主機的負荷在90% 以上，這種情況基本是由于冷凝器出了問題，在進行及時清理后，主機的負荷將會大幅度下降，將會節(jié)約大量的能耗。
另外，通過記錄主機的冷凍水流量、供回水溫度，及壓縮機電流等參數(shù)的監(jiān)測，我們就可以計算出主機的性能系數(shù)cop，通過此我們可以對主機的運行效率有一個大致的判斷。如果主機的運行效率過低，將會導(dǎo)致能源的浪費，對此應(yīng)該找出原因并加以改善。
對主機的節(jié)能診斷，還要觀察不運行的冷凍機的水閥是否關(guān)閉，若閥門不關(guān)將會導(dǎo)致回水箱的部分熱水經(jīng)過該主機旁通到供水箱，在供水箱內(nèi)發(fā)生冷水跟熱水混合的現(xiàn)象，這樣將會導(dǎo)致大量的能源浪費。同理，冷凍水分水箱和集水箱之間的旁通閥若處于未關(guān)狀態(tài)，或者存在一臺冷機對開兩臺冷凍泵的現(xiàn)象時，也會出現(xiàn)冷熱水混合的現(xiàn)象，導(dǎo)致能源浪費，這個問題應(yīng)引起注意。
2.2 冷卻水系統(tǒng)的診斷
在實際的冷卻水運行中往往存在著不運行的冷塔閥門不關(guān)的情況，這樣造成的后果是熱水經(jīng)過該冷塔后與其他的正常運行的冷卻塔冷水混合，進入了主機，導(dǎo)致主機冷凝器的進水溫度偏高，主機的cop 減小，主機的能耗增加，浪費大量能源。解決該問題的辦法是將不運行的冷塔的進出水閥門關(guān)掉。
另外，通常吸收式空調(diào)主機因真空度降低或制冷劑污染造成制冷效率降低;冷卻塔常因失修導(dǎo)致散熱效率下降。主機或冷卻塔的效率是否降低可按下述方法大致鑒別：
(1)主機輸出制冷量減少(冷凍水運行供水溫度大于設(shè)置溫度)。
(2)冷卻水進口溫度高，主機曾報警，冷卻水進出口溫差小于5℃。
(3)冷凍水供水溫度高，末端用戶曾報熱投訴，冷凍水供回水溫差小于5℃。如果主機或冷卻塔出現(xiàn)了效率降低的情況，就該及時維修，以免造成能源的浪費。
2.3 冷凍水系統(tǒng)的診斷
目前的冷凍水系統(tǒng)中，往往存在著水泵選型過大的問題，造成的結(jié)果是一方面功率偏大造成能耗的浪費;另一方面是水泵偏離標(biāo)準(zhǔn)工況運行，導(dǎo)致水泵長期工作在低效區(qū)，水泵效率偏低導(dǎo)致能耗的浪費。對于這種情況解決的辦法是更換水泵或者采用變頻調(diào)速的手段來實現(xiàn)節(jié)能。
冷凍水管路如果存在水力不平衡將會使整個系統(tǒng)的能耗增加。一般空調(diào)運行中存在一個誤區(qū)，認為空調(diào)末端效果差是由于總水量偏小，所以往往會通過增加水泵開啟臺數(shù)或者換大流量水泵來解決。但實際的原因是大多是由于工程竣工后空調(diào)水系統(tǒng)從未做過水力平衡，導(dǎo)致部分末端水量不足。而部分末端水量過剩，而工作人員為了滿足水量不足這部分末端的換熱要求，只能增大總水量，從而使得其他末端的水量變大，白白浪費了一些能源。
因此，冷凍水流量分配診斷內(nèi)容應(yīng)該為測量系統(tǒng)各分支的冷凍水量和進回水溫度，從而判斷各分支冷量的提供情況，以此判斷系統(tǒng)是否存在水力不平衡現(xiàn)象。
對水力不平衡的解決方法是：找出水力不平衡的原因，如果是因為個別風(fēng)機盤管支路堵塞，可對此修復(fù);若因局部末端負荷水壓不足，應(yīng)考慮采用調(diào)整水力平衡調(diào)節(jié)閥或增加小型管道泵的可能性。
3 、技術(shù)節(jié)能
以上介紹的是通過行為管理來達到節(jié)能的目的，事實證明這是一種最簡單有效的節(jié)能方式，在某種程度上可以達到一定的節(jié)能效果，但是管理節(jié)能的方式也有一定的局限性，因為它不能從根本上解決中央空調(diào)所存在的巨大能源浪費問題。
一般來說，中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計通常按建筑物所在地的極端氣候條件來計算其最大冷負荷，并由此確定空調(diào)主機的裝機容量及空調(diào)水系統(tǒng)的供水流量。然而，實際上每年只有極短時間出現(xiàn)最大冷負荷的情況。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)在絕大部分時間里，都是在部分負荷條件下運行的。據(jù)統(tǒng)計，實際空調(diào)負荷平均只有設(shè)備能力的50% 左右，因而出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這無疑造成了大量的能源白白浪費。
另一方面，空調(diào)負荷又具有變動性。由于季節(jié)交替、氣候變幻、晝夜輪回、使用變化及人流量增減等各種因素變化的影響，中央空調(diào)系統(tǒng)的負荷具有起伏變化和不恒定的特點，如果中央空調(diào)的運行方式不能根據(jù)負荷的變化而調(diào)節(jié)，始終在額定容量(即滿負荷狀態(tài))下運行，也勢必造成巨大的能源浪費。
隨著科技的發(fā)展，不少空調(diào)主機已能夠根據(jù)負荷變化自動隨之減載或加載，但輸送空調(diào)水的水泵如果不能跟隨負荷的變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，始終在額定功率下運行，仍然會造成輸送能量的浪費。
目前，國內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，由于沒有先進的技術(shù)手段支持，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式，即空調(diào)冷凍(溫)水流量、冷卻水流量和冷卻風(fēng)風(fēng)量都是恒定的。也就是說，只要啟動空調(diào)主機，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機都在工頻狀態(tài)下運行。
定流量控制方式的特征是系統(tǒng)的循環(huán)水量保持定值不變，當(dāng)負荷變化時，通過改變供水或回水溫度來匹配。定流量供水方式的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)備。但這種控制方式存在以下問題：
(1)無論末端負荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設(shè)計的額定狀態(tài)下運行，系統(tǒng)能耗始終處于設(shè)計的最大值，能源浪費很大。
(2)舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多參量、非線性、時變性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于末端負荷的頻繁波動，必然造成系統(tǒng)循環(huán)溶液的運行參量偏離空調(diào)主機的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致主機熱轉(zhuǎn)換效率降低，系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運行，也會增加系統(tǒng)的能源消耗。
為了解決中央空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費問題，社會各界都開始研究中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能途徑，希望能通過先進的技術(shù)手段來實現(xiàn)節(jié)能。目前主要的節(jié)能控制思想主要有以下幾種：3.1 水泵變頻節(jié)電
直接在水泵電機前加裝變頻器，通過人工調(diào)整頻率，去除水泵余量而節(jié)能。
3.2 簡單PID 變頻控制
利用壓差或溫差作為控制參量，采用PID 算法控制變頻器工作頻率，使水泵流量跟隨負荷變化，從而達到水泵節(jié)能的目標(biāo)。
(1)恒壓差控制：中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的恒壓差控制原理圖，如圖1 所示。
中央空調(diào)管理節(jié)能與技術(shù)節(jié)能的方法1.jpg
在冷凍水系統(tǒng)供、回水總管間設(shè)置水力壓差傳感器，通過檢測壓差ΔP 控制變頻器，為水泵提供變速調(diào)節(jié)。
其控制原理是以保持冷凍水供、回水壓差的恒定為依據(jù)，來調(diào)節(jié)用戶側(cè)冷凍水的供水流量，從而達到節(jié)能的目的。其控制過程如下：
當(dāng)空調(diào)實際負荷減少時，隨著末端眾多二通閥的關(guān)閉，冷凍水供、回水壓差會增大，壓差傳感器檢測出壓差的變化后，將信息傳送到變頻器，變頻器的輸出頻率隨之降低，使冷凍水泵電機轉(zhuǎn)速降低，供水流量減少，使冷凍水供、回水壓差減小并回到設(shè)定值，系統(tǒng)用戶側(cè)進入低流量狀態(tài)。由于水泵電機轉(zhuǎn)速的降低，從而達到節(jié)約電能的目的。
反之，當(dāng)空調(diào)實際負荷增加時，隨著末端眾多二通閥的開啟，冷凍水供、回水壓差會變小，壓差傳感器檢測出壓差的變化后，將信息傳送到變頻器，變頻器的輸出頻率隨之升高，使冷凍水泵電機轉(zhuǎn)速提高，供水流量增加，使冷凍水供、回水壓差增大并重新趨于設(shè)定值，系統(tǒng)用戶側(cè)進入新的流量運行狀態(tài)。
(2)恒溫差控制：中央空調(diào)水系統(tǒng)的恒溫差控制原理圖，
在水系統(tǒng)供、回水總管上分別設(shè)置溫度傳感器T 出和T 入，通過PLC 檢測供、回水溫差ΔT 的變化來控制變頻器，為水泵提供變速調(diào)節(jié)。
其控制原理是以保持供、回水溫差的恒定為依據(jù)，來調(diào)節(jié)用戶側(cè)水系統(tǒng)的供水流量，從而達到節(jié)能的目的。其控制過程如下：
采用恒溫差對空調(diào)系統(tǒng)的水泵電機進行控制，它根據(jù)需要設(shè)定水系統(tǒng)的正常工作溫差，并給出最高和最低的運行水溫差，在此范圍內(nèi)，可人工調(diào)節(jié)所需的運行溫差。
當(dāng)空調(diào)實際負荷減少時，隨著末端眾多二通閥的關(guān)閉，水系統(tǒng)供、回水溫差會變小，PLC 檢測出溫差的變化后，經(jīng)比例積分微分運算并控制變頻器的輸出頻率隨之降低，使水泵電機轉(zhuǎn)速降低，供水流量減少，使供、回水溫差增大并回到設(shè)定值，系統(tǒng)用戶則進入低流量運行狀態(tài)。由于水泵電機轉(zhuǎn)速的降低，從而達到節(jié)約電能的目的。
反之，當(dāng)空調(diào)實際負荷增加時，隨著末端眾多二通閥的開啟，水系統(tǒng)供、回水溫差會增大(偏離了設(shè)定值)，PLC 檢測出溫差的變化后，經(jīng)PID 運算并控制變頻器的輸出頻率隨之升高，使水泵電機轉(zhuǎn)速提高，供水流量加大，使供、回水溫差減小并重新趨于設(shè)定值，系統(tǒng)用戶側(cè)進入新的流量運行狀態(tài)。
以上所述的恒壓差和恒溫差控制方式都是依據(jù)單參量數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)進行比例、積分、微分控制。PID 歷史悠久，原理簡單，使用方便，投資較低，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了極好的應(yīng)用，具有較好的控制效果。但中央空調(diào)系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，這種以壓差或溫差作為控制參量的PID 調(diào)節(jié)，在中央空調(diào)控制中存在較大的局限性，主要在于：
◆ 沒有全面采集空調(diào)系統(tǒng)的運行參數(shù)，也沒有對空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行全面控制，系統(tǒng)設(shè)計是有局限的、不完整的，不可能實現(xiàn)系統(tǒng)綜合優(yōu)化與最佳節(jié)能。
◆ 比例積分微分(PID)控制中最重要的工程參數(shù)比例系數(shù)K，積分時間常數(shù)TI 和微分時間常數(shù)Td，一旦選定之后，如果人不去調(diào)節(jié)，它是固定不變的，不可能跟隨受控參量的變化而自動調(diào)整。也就是說，工程參數(shù)整設(shè)定之后，就用同一種參數(shù)去對付各種不同的運行工況。實際上，中央空調(diào)系統(tǒng)是一個時變性的動態(tài)系統(tǒng)，其運行工況受季節(jié)變化、氣候條件、環(huán)境溫度、人流量等諸多種因素的綜合影響，是隨時變化的，且始終處于波動之中。因此，靜態(tài)參數(shù)的PID 控制方法不可能達到最佳的控制效果。
◆ PID 工程參數(shù)的整定在很大程度上依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，而中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多變量的、復(fù)雜的、時變的系統(tǒng)，其過程要素之間存在著嚴重的非線性、滯后及強耦合關(guān)系，一般難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。對這樣的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID 控制很難實現(xiàn)較好的控制效果。實踐證明，恒壓差或恒溫差的單參量控制，很容易引起水系統(tǒng)參量振蕩，長時間都不能到達設(shè)定值的穩(wěn)定狀態(tài)，既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又降低空調(diào)效果的舒適性。
由于中央空調(diào)系統(tǒng)的被控對象是空調(diào)區(qū)域內(nèi)各個房間的溫度場，它與空調(diào)系統(tǒng)進行熱交換的工況相當(dāng)復(fù)雜，制約因素太多。中央空調(diào)系統(tǒng)是一個時滯、時變、非線性、多參量且參量之間耦合很強的復(fù)雜系統(tǒng)。其復(fù)雜性表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性;環(huán)境和負荷特性的高度不確定性，導(dǎo)致控制參數(shù)不易在線調(diào)節(jié);大時滯，多個慣性環(huán)節(jié);大惰性;高度非線性;多變量，時變性，復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)。
這些都難以用精確的數(shù)學(xué)模型或方法來描述，因此，基于精確模型的傳統(tǒng)控制難以解決這種復(fù)雜系統(tǒng)的控制。
3.3 智能模糊控制方式
對于中央空調(diào)這種復(fù)雜系統(tǒng)，很難用精確的數(shù)學(xué)模型進行描述，或者所得數(shù)學(xué)模型不是過于復(fù)雜就是較為粗糙，以精確性為主要特點的經(jīng)典數(shù)學(xué)，對于這類控制問題往往難以奏效。
如果把人的操作經(jīng)驗、知識和技巧歸納成一系列的規(guī)則，存放在計算機中，利用模糊集合理論將它定量化，使控制器模仿人的操作策略，就可以實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的人工智能模糊控制。其控制的基本思想就是按照中央空調(diào)主機所要求的最佳運行參數(shù)去控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，根據(jù)系統(tǒng)的運行工況及制冷工質(zhì)參數(shù)的變化，通過模糊控制器動態(tài)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)，確?？照{(diào)主機始終處于優(yōu)化的最佳工作點上，使主機始終保持具有高的熱轉(zhuǎn)換效率，有效地解決了傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在低負荷狀態(tài)下熱轉(zhuǎn)換效率下降的難題，提高了系統(tǒng)的能源利用率。
中央空調(diào)系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的最佳運行和節(jié)能，從局部去解決問題是不可能辦到的，必須針對空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)統(tǒng)一考慮，全面控制，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，才能實現(xiàn)最佳綜合節(jié)能。
(1)冷凍水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制：冷凍水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制。當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數(shù)送至模糊控制器，模糊控制器依據(jù)所采集的實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，實時計算出末端空調(diào)負荷所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變其流量使冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在模糊控制器給出的最優(yōu)值。
(2)冷卻水系統(tǒng)采用系統(tǒng)效率最佳控制：當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負荷發(fā)生變化時，中央空調(diào)主機的負荷率將隨之變化，主機的效率也隨之變化。
由于主機效率與冷卻水入口溫度有關(guān)，冷卻水入口溫度降低，有利于提高主機效率、降低主機能耗。但冷卻水溫度降低，將導(dǎo)致冷卻水泵和冷卻塔的能耗升高。因此，只有將主機能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔風(fēng)機能耗三者統(tǒng)一考慮，才能找到一個系統(tǒng)最佳效率點，使整個制冷系統(tǒng)能效比最高。要達到系統(tǒng)效率最佳控制，冷卻水入口溫度應(yīng)隨室外氣溫變化進行動態(tài)調(diào)節(jié)。
(3)系統(tǒng)控制原理圖，如圖3 所示。當(dāng)中央空調(diào)系統(tǒng)負荷變化造成空調(diào)主機及其水系統(tǒng)偏離最佳工況時，模糊控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集得到各種運行參數(shù)值，如系統(tǒng)供回水溫度、供回水壓差、流量及環(huán)境溫度等，經(jīng)推理運算后輸出優(yōu)化的控制參數(shù)值，對系統(tǒng)運行參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，確保主機在任何負荷條件下，都有一個優(yōu)化的運行環(huán)境，始終處于最佳運行工況，從而保持效率(cop)最高、能耗最低，實現(xiàn)主機節(jié)能10%~30%，水泵系統(tǒng)節(jié)能60% 以上。事實證明智能模糊控制方式是在空調(diào)控制領(lǐng)域最為先進的節(jié)能控制策略，該方式可以達到很好的節(jié)能效益和社會效益。
