基于某建筑的集中空调能效监控分析系统研究

张晓杰 刘书荟 刘东 印慧

1上海市质量监督检验技术研究院

2同济大学机械与能源工程学院

0 引言

对于一幢需要设置夏季供冷、冬季供热的集中空调系统的公共建筑，暖通空调系统的能耗一般会占到该建筑总能耗的60%[1]，而中央空调的监控系统是楼宇自控系统的重要组成部分，约占60%以上的监控点，是实现大型公共建筑节能的重点[2]。如何及时掌握集中空调系统实际运行能效，提高其运行效率，是降低公共建筑能耗的关键。目前，集中空调监测控制系统大多作为楼宇设备自控系统（BA系统）或建筑能源管理系统（BEMS）的一部分，功能主要包含保障系统安全运行、调节主机运行、实时显示系统关键参数以及计量总电耗，尚未实现集中空调系统运行能效的分析功能。本研究基于国家标准GB/T17981-2007《空气调节系统经济运行》[3]及相关设备经济运行标准，提出并建立了对集中空调运行能效进行实时监测与分析的系统，为合理分析空调系统运行能效水平、优化系统运行模式、制定节能改造方案提供科学的数据支撑。

1 我国集中空调监控系统研究现状

国内对集中空调的监控系统研究主要包括三个方面：1）对集中空调系统或系统中的某些组成设备运行情况的智能控制系统；2）对集中空调系统运行情况的监测及诊断；3）对集中空调远程的能耗监测系统。集中空调的监控系统所采集的系统运行参数一般以实现设备的控制调节为目标，相应采集设备的部分运行参数。总体来看，目前的监控系统仍大多局限于系统运行的检测和故障诊断或以系统设计参数为控制目标的控制系统。而在集中空调能耗方面的监测仍局限在计算集中空调各用户端实时所需能耗并作为集中空调系统能量供应量的调控依据，实现以制冷主机最佳能效比曲线为目标的调节，或仅仅监测系统消耗的总电量，对于系统能效水平的监测分析研究甚少。

评价集中空调系统是否具有节能潜力，能否进一步优化以减少能耗，是当前监控系统无法做到的。这也是当前控制系统存在的一个比较突出的问题：目前绝大部分的楼宇并没有形成一个运行数据监测、采集与分析的完整流程，系统中保存的大量基础数据没有充分发挥对工程的指导作用，更没有发挥其对行业的参考作用[4]。因系统监测数据未被有效利用，导致无法分析系统运行能效情况，无法为系统节能运行提供指导。

国家标准GB/T17981-2007《空气调节系统经济运行》[3]出台之后，对于系统能效水平的研究仍处于起步阶段，对于集中空调系统能效水平的判断大多数情况下依赖于设计初期的软件模拟或实际运行单一工况的能效检测，对于空调系统的节能评价也不尽相同[5]。为更好地研究集中空调系统的实际运行能效水平，建设能够实时采集系统运行能效相关的所有参数并实现数据处理的监控分析系统是深入研究集中空调系统节能的重要基础。

2 硬件系统

基于GB/T17981-2007《空气调节系统经济运行》[3]及相关设备经济运行标准，集中空调能效监控与分析系统通过对系统中各组成设备与系统经济运行相关的所有参数的实时采集、传输及存储，依据标准给出的计算模型实现对各设备及系统能效的实时计算，通过与标准数据库数据的比较，给出各设备和系统能效水平。其硬件基本架构分为三个层次：1）现场设备运行参数检测；2）网络通讯；3）数据分析与系统管理。

现场设备运行参数检测层为各类传感器/变送器以及数据采集卡，网络通讯层为数据采集网络、数据采集传输服务器及路由器；数据分析与系统管理层为终端监控分析设备，能够实现实时数据显示和分析、历史数据查询和调用、报表打印等功能。为实现集中空调系统运行能效的分析功能，监测对象包括：1）大气环境温、湿度；2）典型使用区域室内环境；3）冷热源设备；4）输送系统设备；5）末端（空气处理）设备。以夏季制冷工况为例，具体监测参数见表1。

图1 硬件基本构架

表1 采集的参数

表1中监测参数涵盖了系统中能效相关的全部参数，与常规的监控系统相比，该系统扩展、深化了监控系统的基本功能，实现了连续测试数据的采集、存储、分析、数据查询和调用功能。

3 软件系统

软件的基本功能是对数据进行处理和计算，以对空调系统的性能进行对比和评价，生成各类曲线、图表和报表。分析功能包括设备能效分析和系统能效分析两大部分，所建立的模型分为三个层次：1）空调系统组成设备模型；2）空调子系统模型；3）空调系统模型。

为了分析各组成设备运行工况的能效水平，在对当前集中空调系统基本配置和设备生产商调研的基础上，通过搜集典型的产品样本，按照系统诊断分析模型的需要，建立了包含多种品牌各类设备的用于能效评价的能效相关参数数据库。本系统依据现行的性能评价、经济运行等国家标准对各设备运行能效进行评价，评价体系如图2所示。

图2 集中空调系统组成设备评价体系

对子系统及系统的评价体系见图3。

图3 集中空调系统及子系统评价体系

依据上述设计，本系统能够实现对设备、子系统以及系统的全面评价，为管理者和运行操作人员提供更为直观的系统运行能效水平管理平台。

4 示范应用

该系统已于2012年7月在某一建筑面积为4万m2的办公建筑中得以应用，并作为该楼宇BA系统的扩展内容，为用户实时提供系统能效监测与分析数据，见图4～5所示。

图4 冷水机组运行效率对比曲线图

图5 冷水机组冷冻水供水温度对比曲线图

5 结语

本研究实现了集中空调系统实时能效监测与分析，并得到了典型应用，填补了现有BA系统（BEMS系统）对集中空调系统能效监测与分析的空白，为集中空调系统能效分析与评价研究、节能设计、节能技术改造提供了科学的数据支撑。

[1]薛志峰,江亿.商业建筑的空调系统能耗指标分析[J].暖通空调,2005,35(1):37-41

[2]李召泼,张小松,吴智深.大型公共建筑中央空调的节能与监控[J].建筑节能,2010,38(3):62-65

[3]中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.空气调节系统经济运行(GB/T 17981-2007)[S].北京:中国标准出版社,2008

[4]潘云钢.我国暖通空调自动控制系统的现状与发展[J].暖通空调,2012,42(11):1-8

[5]刘书荟.大型公共建筑集中空调系统节能评价[J].上海节能,2012,(7):25-27