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商业建筑中央空调节能技术实现及投资经济分析The energy-saving reconstruction & investment analysis陈 文 袁立新Chen Wen , Yuan Li Xin 摘要：本文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Abstract: By the application of Intelligence Fuzzy Control Technology of commercial building, the article aims to introducing the technology from various aspects, including: energy-saving analysistechnology applicationreconstruction scheme. Meanwhile, analyzing and discussing the incoming and commercial mode(EMC) ,for providing reference to the hoteledificeemporium of the same kind.Key words: the energy-saving of the central air conditioning; the energy-saving of construct, Fuzzy Control, commercial mode一、前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。二、节能潜力与技术背景分析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500亿千瓦时，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。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。三、节能技术概况与控制原理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 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。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的降低。图1：系统控制原理框图3 系统功能与控制手段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。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。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。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。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。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、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。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。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。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。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。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。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。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。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。四、节能改造的具体方案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冷吨，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280天左右，每天平均运行时间在1422小时左右，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。2 系统配置及构成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MKX 2003-4B 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。详见：图3某大厦中央空调智能模糊控制系统原理图(附后)2.2 系统配置2.2.1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。2.2.2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。于冷却水进、出总管上分别安装水温传感器。2.2.2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。五、应用效果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：l 系统运行安全、稳定、可靠，功能指标到达设备技术要求；l 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；l 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；l 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；l 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%。2 节能效果及社会效益节能改造前，该项目年耗电220万kWh，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216吨标准煤，每年可减排：CO2 排放：540000*900/106= 486吨；SO2 排放：540000*11/106 = 5.94吨；N2O3排放：540000*3/106 = 1.62吨；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。六、商业模式与投资收益分析1 EMC合作方式作为一种基于市场的、全新的节能投资机制和节能消费方式“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/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）公司之间签定能源服务合同，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。2 项目投资收益分析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年投资收益-100-55-103580 55 图2：投资收益时间表从分析结果（见图2）可以看出，该大厦中央空调节能项目可在2.3年以内收回所有投资，并可获得较好的节能收益。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+451431+0.10(1+0.10)2(1+0.10)3(1+0.10)44年的投资收益现值为：14310043（万元）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。七、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、中央空调何耀东 何青主编，中国冶金工业出版社，2001年2、2004年中国星级饭店统计公报，国家旅游局，2005年3、BKS2003中央空调管理专家系统技术规范，贵州汇通华城楼宇科技有限公司，2005年References:1、“The central air-conditioning”，edited by He Yaodong, He Qing，Chinese Metallurgical Industry Press，20012、“Star-hotel Statistic Communique in China of 2004”,Chinese National Tourism Administration，20053、“The Technical Code of BKS2003 Expert System of Central Air-conditioning Management” , Guizhou Huiton Huacheng Building Science & Technology Co. Ltd ，2005作者：1、陈 文 男（1977）汉族 籍贯：贵州 大学学历 工作单位：贵州汇通华城楼宇科技有限公司 研究方向：节能技术、暖通空调、节能投资 联系电话：0592-5196877 13306020195 邮箱：cn3483 联系地址：厦门市思明区莲前西路16号阳光百合A1504室 邮编：361004 2、袁立新 男 （1966）大学学历 工作单位：贵州汇通华城楼宇科技有限公司 研究方向：节能技术、自动化控制、节能投资联系电话：021-52399270 13386090315 邮箱：hbt-sh 联系地址：上海长寿路1188号 悦达国际大厦 B栋16F 邮编：200042附：图一 、某大厦中央空调智能模糊控制系统原理图