商業(yè)建筑中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)及投資經(jīng)濟分析

商業(yè)建筑中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)及投資經(jīng)濟分析The energy-saving reconstruction & investment analysis陳 文 袁立新Chen Wen , Yuan Li Xin 摘要：本文介紹了智能模糊控制技術(shù)在商業(yè)建筑節(jié)能改造中的實現(xiàn)與應(yīng)用，從節(jié)能分析、技術(shù)原理、改造方案等方面進行了探討，通過案例對項目的經(jīng)濟收益和EMC商業(yè)模式進行分析，為同類型酒店、寫字樓、大型商場等商業(yè)建筑的節(jié)能改造提供參考和借鑒。關(guān)鍵詞： 中央空調(diào)節(jié)能 建筑節(jié)能 模糊控制 商業(yè)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、前言中央空調(diào)是現(xiàn)代化建筑不可缺少的重要設(shè)備之一，但中央空調(diào)在改善和提高建筑內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量同時，也帶來了巨大的能源消耗，大大增加了建筑的運營成本。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在現(xiàn)代樓宇建筑中，中央空調(diào)的能耗約占整個建筑物總能耗的50%左右，而酒店和綜合大樓等商業(yè)建筑可能要高達60以上，如何既能滿足空調(diào)服務(wù)質(zhì)量，又能降低空調(diào)的能耗，一直是管理者們迫切盼望解決的一大難題，也成為商業(yè)建筑領(lǐng)域節(jié)能的一個重要課題。二、節(jié)能潛力與技術(shù)背景分析1 節(jié)能潛力隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國商業(yè)建筑（酒店、寫字樓、大型商場及綜合性大樓等）的面積日趨增大，商業(yè)建筑面積已占到全國房屋建筑面積的25.4%，目前已建成的高級賓館和大型寫字樓有2000多幢，大型商場800多家。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已安裝中央空調(diào)的建筑物約有7萬棟左右，若能全部采用節(jié)能技術(shù)，預(yù)計每年可節(jié)電500億千瓦時，節(jié)約電費開支378億元。由此可見，商業(yè)建筑具有巨大的節(jié)能潛力。2 技術(shù)背景分析中央空調(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負荷，并以其最大冷（熱）負荷的1.21.5倍確定空調(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（或最大熱負荷）的情況，絕大多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)在大部分時間是在部分（低）負荷狀態(tài)下運行，實際空調(diào)負荷平均只有設(shè)備設(shè)計能力的50%左右，因此出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，不但浪費大量能源，而且還帶來設(shè)備磨損，縮短壽命等一系列問題。另一方面，商業(yè)建筑中央空調(diào)負荷具有較大變動性，長期以來，由于季節(jié)交替、氣候變幻、晝夜輪回、人流量增減（賓館入住率的變化）及使用場所等各種因素變化的影響，在傳統(tǒng)的定流量控制方式，僅依靠人工手段對空調(diào)系統(tǒng)進行控制和管理，空調(diào)系統(tǒng)的運行不能實現(xiàn)冷媒流量跟隨末端負荷的變化而動態(tài)調(diào)節(jié)，勢必造成了巨大的能源浪費。盡管現(xiàn)在許多空調(diào)主機已能夠根據(jù)負荷變化自動隨之加載或減載，但與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能跟隨負荷的變化自動調(diào)節(jié)負載，始終在額定功率下運行，仍然造成了輸送能量的很大浪費。三、節(jié)能技術(shù)概況與控制原理1 技術(shù)概況近年來，隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)和變頻技術(shù)日趨完善，智能模糊控制技術(shù)已被成功引入和應(yīng)用在中央空調(diào)控制領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的恒溫差、恒壓差PID調(diào)節(jié)控制方式不同，中央空調(diào)智能模糊控制系統(tǒng)將計算機技術(shù)、模糊控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)集合應(yīng)用于中央空調(diào)的系統(tǒng)控制,為用戶提供了一個先進的智能化和個性化的中央空調(diào)運行管理技術(shù)平臺，實現(xiàn)了中央空調(diào)冷媒流量系統(tǒng)運行的智能模糊控制，在保證空調(diào)服務(wù)質(zhì)量的前提下實現(xiàn)了中央空調(diào)系統(tǒng)的高效節(jié)能運行，可使空調(diào)主機節(jié)能10%30%，水泵、風機節(jié)能60%80%（中央空調(diào)系統(tǒng)綜合節(jié)能達20%40%）。2 系統(tǒng)控制原理模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，尤其適合于中央空調(diào)這樣復雜的、非線性的和時變性系統(tǒng)的控制?；谀：刂频淖冾l調(diào)速可以實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)真正意義上的變溫差、變壓差、變流量運行，使控制系統(tǒng)具有高度的跟隨性和應(yīng)變能力，可根據(jù)對被控動態(tài)過程特征的識別，自適應(yīng)地調(diào)整運行參數(shù)，以獲得最佳的控制效果。中央空調(diào)智能模糊控制系統(tǒng)采用了模糊預(yù)測算法對冷凍水系統(tǒng)進行控制，當環(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)，實時預(yù)測計算出末端空調(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。系統(tǒng)對冷凍水系統(tǒng)采用了輸出能量的動態(tài)控制，使空調(diào)主機冷媒流量跟隨末端負荷的需求供應(yīng)，使空調(diào)系統(tǒng)在各種負荷情況下，都能既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地節(jié)省了系統(tǒng)的能量消耗。系統(tǒng)對中央空調(diào)冷卻水及主機系統(tǒng)采用系統(tǒng)模糊優(yōu)化的控制方法，當環(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，系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)換效率也隨之變化。模糊控制器在動態(tài)預(yù)測控制冷媒循環(huán)的前提下，依據(jù)所采集的空調(diào)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，計算出冷卻水最佳進、出口溫度，并與檢測到的實際溫度進行比較，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風量（見圖1），使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率逼進不同負荷狀態(tài)下的最佳值，保證中央空調(diào)系統(tǒng)在各種負荷條件下，均處于最佳工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)能耗最大限度的降低。圖1：系統(tǒng)控制原理框圖3 系統(tǒng)功能與控制手段3.1 數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視和設(shè)備的自動控制 系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)模糊控制器與各控制柜之間的通信連接，將各水泵的狀態(tài)、以及中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要過程參數(shù)在統(tǒng)一的軟件監(jiān)視界面上分別顯示出來（與用戶接口的監(jiān)控界面為觸摸屏操作方式的中文軟件界面），進行集中監(jiān)視。3.2 運行策略選擇系統(tǒng)提供了6種控制模式，在系統(tǒng)運行過程中，可根據(jù)實際情況選擇其中的一種來對中央空調(diào)系統(tǒng)進行控制。包括：系統(tǒng)自動（主機人工干預(yù)）控制模式、遠程手動（軟手動）控制模式、遠程手動（標準方式）控制模式、第三方控制模式、就地手動調(diào)頻控制模式、就地旁路控制模式。3.3 機組群控功能 根據(jù)服務(wù)質(zhì)量的要求及負荷的變化，控制機組投入運行數(shù)量。3.4 服務(wù)質(zhì)量控制功能系統(tǒng)提供全天服務(wù)質(zhì)量的查詢和修改功能，用戶可根據(jù)空調(diào)實際負荷狀況分級設(shè)定服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)輸出能量控制。3.5 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供主機系統(tǒng)、冷溫水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)和器件系統(tǒng)中的各設(shè)備運行參數(shù)的實時監(jiān)控。3.6 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供能耗曲線、主機效率曲線、電耗累計值、操作記錄和故障記錄等數(shù)據(jù)，以對整個中央空調(diào)系統(tǒng)運行情況作全面分析。3.7 系統(tǒng)預(yù)加壓功能空調(diào)主機開機后，冷凍（溫）水泵在上位機軟件規(guī)定的時間內(nèi)先在允許的最高頻率運行，使其至少完成一個水循環(huán)周期，然后再進入系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)模式，以保證空調(diào)管路中無氣阻現(xiàn)象。3.8 冷凍水供水低溫保護當空調(diào)主機冷凍水供水溫度低于設(shè)定的下限值時，一級泵系統(tǒng)的冷凍水泵或二級泵系統(tǒng)的一次冷凍水泵應(yīng)立即進入低溫保護運行模式，快速提高冷凍水供水溫度，直至溫度值不低于設(shè)定的下限值為止，以保障空調(diào)主機蒸發(fā)器不致因溫度過低而結(jié)冰凍管。3.9 冷凍水低流量保護當空調(diào)主機冷凍水供水流量低于設(shè)定的下限值時，一級泵系統(tǒng)的冷凍水泵或二級泵系統(tǒng)的一次冷凍水泵應(yīng)立即進入低流量保護運行模式，快速增大冷凍水流量，直至流量值不低于設(shè)定的下限值為止，以保障空調(diào)主機蒸發(fā)器的安全。3.10 冷凍（溫）水供回水低壓差保護當冷凍（溫）水供回水壓差小于設(shè)定的下限值時，系統(tǒng)應(yīng)自動采取增大冷凍（溫）水供回水壓差的措施，直至壓差值不低于設(shè)定的下限值為止，以保障用戶空調(diào)末端的空調(diào)效果。3.11 冷凍（溫）水供回水高壓差保護當冷凍（溫）水供回水壓差大于設(shè)定的上限值時，系統(tǒng)應(yīng)自動采用減小冷凍（溫）水供回水壓差的措施，直至壓差值不高于設(shè)定的上限值為止，以保障管路系統(tǒng)的安全。3.12 冷卻水出水高溫保護當空調(diào)主機冷卻水的出水溫度高于其設(shè)定的上限值時，系統(tǒng)應(yīng)自動采取措施，降低冷卻水的出水溫度，直到冷卻水出水溫度不高于設(shè)定的上限值為止，以保障主機安全運行。3.13 電氣保護系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)變頻器具有以下保護功能：電源缺相保護、過電壓保護、過電流保護、欠電壓保護、輸出短路保護、接地故障保護3.14 工變頻切換當控制系統(tǒng)故障后，為了保證空調(diào)系統(tǒng)的正常使用，智能控制柜中設(shè)置有一套電氣互鎖的工變頻轉(zhuǎn)換裝置。當需作能耗比較測試或變頻器因嚴重故障短時間內(nèi)不能恢復或置換時，可方便快捷地切換為原工頻狀態(tài)運行。3.15 電量累計智能控制柜中設(shè)置有電能表，可時實計量控制對象的用電量。四、節(jié)能改造的具體方案1 系統(tǒng)情況某綜合性大廈，地處廈門，樓高38層，空調(diào)使用面積約48000M2，大廈內(nèi)設(shè)有四星級酒店、寫字樓、商場和娛樂場所等設(shè)施，空調(diào)設(shè)計總制冷量1800冷噸，配置離心式空調(diào)機組4臺，冷凍水泵4臺，電機功率75kW；冷卻水泵4臺，電機功率75kW；冷卻塔4臺，風機電機功率15kW。中央空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計為定流量運行，無自動控制系統(tǒng)和BA系統(tǒng)。大廈中央空調(diào)全年運行280天左右，每天平均運行時間在1422小時左右，中央空調(diào)系統(tǒng)年平均總耗電約220萬kWh，電費支出185萬元左右。2006年使用智能模糊控制技術(shù)對該大廈中央空調(diào)系統(tǒng)（主機、冷凍水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機）進行了變流量節(jié)能改造。2 系統(tǒng)配置及構(gòu)成2.1 系統(tǒng)選型依據(jù)大廈中央空調(diào)系統(tǒng)的具體配置，并按用戶的雙電源供電的要求，中央空調(diào)智能模糊控制系統(tǒng)的設(shè)備作了相應(yīng)的配置。一臺型號為BKS2003型模糊控制柜；一臺編號為MKX ，型號為MKX 2003-4B 型現(xiàn)場模糊控制箱；一臺編號為LWK-1，型號為FBQ2003T-75型冷凍水泵智能控制柜；一臺編號為LWK-2，型號為FBQ2003T-75型冷凍水泵智能控制柜；一臺編號為LQK-1，型號為FBQ2003T-75型冷卻水泵智能控制柜；一臺編號為LQK-2，型號為FBQ2003T-75型冷卻水泵智能控制柜；一臺編號為FJX-1，型號為FJX-4型冷卻塔風機智能控制箱。裝設(shè)流量計、水溫傳感器件、水流壓差傳感器等，對中央空調(diào)運行參數(shù)進行采集。詳見：圖3某大廈中央空調(diào)智能模糊控制系統(tǒng)原理圖(附后)2.2 系統(tǒng)配置2.2.1冷凍水模糊控制系統(tǒng)一次冷凍水泵變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號為LWK1-1、LWK1-2，型號為FBQ2003T-75型2套冷凍水泵智能控制柜分別切換控制CP1-1、CP1-2、CP1-3、CP1-4四臺75KW冷凍水泵。于冷凍水供、回水總管、支管上分別安裝水溫傳感器。于冷凍水供、回水總管間配置有水流壓差傳感器。于冷凍水供水總管上配置有流量計。2.2.2冷卻水模糊控制系統(tǒng)冷卻水變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號為LQK-1、LQK-2，型號為FBQ2003T-75型2套冷卻水泵智能控制柜分別控制CTP-1、CTP-2、CTP-3、CTP-4四臺75KW冷卻水泵。于冷卻水進、出總管上分別安裝水溫傳感器。2.2.2冷卻塔風機模糊控制系統(tǒng)冷卻塔風機變流量模糊控制系統(tǒng)配置了編號為FJX-1型號為FJX-4型1套冷卻塔風機智能控制箱分別控制CT-1、CT-3、CT-4、CT-2、CT-5四臺冷卻塔風機。五、應(yīng)用效果1 安全可靠性和節(jié)能效果該大廈中央空調(diào)系統(tǒng)通過安裝智能模糊控制系統(tǒng)實施節(jié)能改造后，實際運行結(jié)果表明：l 系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、可靠，功能指標到達設(shè)備技術(shù)要求；l 系統(tǒng)直觀，自動化程度較高，能及時、準確地自動跟蹤末端空調(diào)負荷運行；l 系統(tǒng)實現(xiàn)了空調(diào)泵組的軟啟動、軟停止、運行平滑穩(wěn)定，較大地改善了設(shè)備的啟停性能和運行磨損；l 系統(tǒng)具有強大的管理功能和安全保護功能，確保整個空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化、安全的運行；l 實現(xiàn)了中央空調(diào)系統(tǒng)最大限度的節(jié)能，系統(tǒng)（主機、冷凍水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機）綜合節(jié)電率達24.89%。2 節(jié)能效果及社會效益節(jié)能改造前，該項目年耗電220萬kWh，電費185萬元。實施節(jié)能改造后，每年節(jié)約電量54萬kWh，每年減少電費支出45萬元人民幣（按系統(tǒng)綜合節(jié)能率24.89%，綜合電價0.848元/kWh計算）。按照現(xiàn)行標準折算，即每年可節(jié)約216噸標準煤，每年可減排：CO2 排放：*900/106= 486噸；SO2 排放：*11/106 = 5.94噸；N2O3排放：*3/106 = 1.62噸；由此可見，本項目的實施不僅節(jié)約了大量的能源，還大大減少了煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢氣排放和溫室氣體排放，對環(huán)境保護起到了巨大的作用。六、商業(yè)模式與投資收益分析1 EMC合作方式作為一種基于市場的、全新的節(jié)能投資機制和節(jié)能消費方式“合同能源管理”（亦稱為“能源合同管理”）在1996年被引入我國?！昂贤茉垂芾恚‥MC）”是目前國際上最先進的能源管理模式和節(jié)能資本投資機制，是國家發(fā)改委/世界銀行/全球環(huán)境基金會合作的中國節(jié)能促進項目，由專業(yè)投資機構(gòu)為中國的節(jié)能專業(yè)公司擔保，提供國內(nèi)銀行貸款，在實施節(jié)能項目投資的客戶與專門的盈利性節(jié)能（能源管理）公司之間簽定能源服務(wù)合同，采用先進的節(jié)能技術(shù)及全新的服務(wù)機制來為客戶實施能源管理和服務(wù)，并與客戶共同分享項目實施節(jié)能后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。節(jié)能服務(wù)商同時為客戶提供節(jié)能項目設(shè)計、設(shè)備選購、安裝調(diào)試、設(shè)備管理維護、管理培訓等一系列增值服務(wù)。本項目合作方式是節(jié)能服務(wù)商前期免費將產(chǎn)品安裝在該大廈的中央空調(diào)系統(tǒng)中，產(chǎn)品安裝、調(diào)試完畢后，進入產(chǎn)品投資回報期，項目投資合作期為4年，在投資合作期間，中央空調(diào)系統(tǒng)所取得的實際節(jié)能收益由節(jié)能服務(wù)商與大廈按比例分享，投資風險由節(jié)能服務(wù)商承擔，即：無論前4年產(chǎn)生多少節(jié)能收益，4年投資合作期結(jié)束后，該大廈都將擁有設(shè)備產(chǎn)權(quán)及全部節(jié)能收益。2 項目投資收益分析2.1 投資回收期分析根據(jù)本項目的實際節(jié)能數(shù)據(jù)進行投資回收期分析，結(jié)果如下：單位：萬元年限期初第1年第2年第3年第4年投資收益-100-55-103580 55 圖2：投資收益時間表從分析結(jié)果（見圖2）可以看出，該大廈中央空調(diào)節(jié)能項目可在2.3年以內(nèi)收回所有投資，并可獲得較好的節(jié)能收益。2.2 投資收益分析按年節(jié)能45萬元，年折現(xiàn)率10，期初投資按當時一次購買該產(chǎn)品的市場價100萬元，根據(jù)凈現(xiàn)值折現(xiàn)方法計算：NPV=45+45+45+451431+0.10(1+0.10)2(1+0.10)3(1+0.10)44年的投資收益現(xiàn)值為：14310043（萬元）投資收益= 43100= 43%從計算結(jié)果可以看出，按4年計算的投資收益率高達43，該系統(tǒng)運行按1015年計算，可獲得更大的經(jīng)濟收益，屬于收益較高的投資項目。七、結(jié)語隨著國內(nèi)的高檔酒店、賓館、大型商場等商業(yè)建筑的大量興建，中央空調(diào)能耗已成為商業(yè)建筑設(shè)計和運營過程中亟待解決的重要課題。新型商業(yè)模式和先進節(jié)能技術(shù)的成功引入和推廣，為各行業(yè)客戶帶來巨大的節(jié)能經(jīng)濟收益和社會效益，同時也必將推動我國節(jié)能投資機制的深入變革，為節(jié)能產(chǎn)品在建筑節(jié)能領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供良好的發(fā)展前景。參考文獻：1、中央空調(diào)何耀東 何青主編，中國冶金工業(yè)出版社，2001年2、2004年中國星級飯店統(tǒng)計公報，國家旅游局，2005年3、BKS2003中央空調(diào)管理專家系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，貴州匯通華城樓宇科技有限公司，2005年References:1、“The central air-conditioning”，edited by He Yaodong, He Qing，Chinese Metallurgical Industry Press，2