針對商場建筑供暖空調系統運行能耗高的問題，本文以北京市某大型商場為例，調研與分析了現場用能情況，依托智慧能源管理控制平臺，對其空調冷熱源機房與末端系統進行智能化節能升級改造，以實現該商場空調系統的能效提升，達到自動運行、無人值守的運行狀態，提高管理效率，并可為北京地區商場及同類建筑的空調系統運行管理提供參考。

項目概況

　　01.建筑概況

　　北京某商場開業于2007年，總建筑面積約62000m2，屬于大型商業建筑，該商場地下2層、地上6層，經營范圍以購物、餐飲、娛樂為主；全年營業時間為10:00——22:00；地理位置優越，娛樂設施齊全，人流量大。

　　02.空調系統概況

　　1.冷源

　　該商場冷源采用3臺離心式冷水機組，單臺機組額定制冷量7032kW、額定功率1213kW。循環水泵和冷卻塔的配備情況如表1所示，其中，中央空調冷凍水系統采用二級泵系統，設備均配備變頻器，但并未進行變頻調節，目前處于工頻運行。

　　冷站初期設計是為該商場建筑以及塔樓部分的辦公建筑供冷，后因物業分割，現冷站只負責商場建筑的冷負荷。所以在實際運行中，整個制冷季僅開啟其中一臺冷水機組即可滿足供冷需求。對于一級冷凍水泵，平時只開1臺功率為93kW的設備即可滿足供冷需求，二級水泵也只開啟一臺功率為93kW的設備即可滿足供冷需求，如表2所示。

　　2.熱源

　　商場熱源采用市政熱力進行供暖，一次側熱水經過板式換熱器與機組進行熱交換，制取55℃的熱水供給空調系統使用。換熱機組共3臺，配套3臺換熱二次水泵，額定功率為90kW，運行時由人工控制變頻運行。

　　3.末端設備

　　空調末端由全空氣VAV系統和風機盤管系統組成，其中風機盤管系統主要服務周邊走廊區域，冷源為冷站直接提供的冷凍水；VAV系統主要服務商場B1——F6層的商業區，冷站為系統的組合式空調機提供冷凍水，末端采用VAV box進行變風量調節。由于篇幅原因不將末端設備的參數詳盡列出，經統計末端設備的運行功率總計為884.1kW。目前因自控系統問題，所有VAV box及組合式空調機組均無法進行調控，僅能進行啟停控制，開啟時末端設備均以工頻運行。

　　03.空調系統能耗現狀

　　根據商場冷站設備運行記錄，2020年——2022年，冷源設備累計開啟小時數分別為1724h、1728h和1606h，制冷季年平均開啟小時數為1686h，末端設備與其開啟時間一致。由于熱源采用的是市政熱力，故供暖時間為11月15日——3月15日，在營業時間10:00——22:00內均保證室內良好的熱環境，則末端設備冬季累計供暖小時數為1452h。

　　1.冷站能耗統計

　　冷站耗能設備為冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵與冷卻塔，冷站的水泵與冷卻塔均為定頻運行，其耗電量可由式（1）計算：

　　式中：ΣTi為設備在制冷季運行時間，h；Ni為設備的輸入功率，kW；Ei為設備制冷季耗電量，kWh。

　　主機耗電量計算如公式（2）所示：

　　式中：Ec為設備制冷季耗電量，kWh；Pc為冷水機組額定功率，kW；αj為不同時刻冷水機組運行電流百分比，%。

　　根據1.2節知，整個制冷季僅開啟其中一臺冷水機組，一級冷凍水泵只開1臺功率為93kW的設備，二級水泵也只開啟一臺功率為93kW的設備即可滿足供冷需求。根據設備運行時長以及表1的設備參數，計算得到冷站用電情況如表3所示。2020年——2022年冷站總計用電量分別為192.74萬kWh、213.27萬kWh和199.03萬kWh，年均用電量約為201.68萬kWh。

　　圖2顯示了冷站分項用電情況，其中制冷主機能耗約占空調系統能耗的61%，是空調系統節能改造的重點；冷卻水泵和冷凍水泵能耗占空調系統能耗的15%和16%，冷卻塔能耗占8%。

　　2.熱站能耗統計

　　依據業主提供的市政用熱數據，項目年均用熱量約為12036.43GJ，各年用熱數據如表4所示。

　　3.末端能耗統計

　　末端設備均為定頻運行，且全空氣系統box箱風閥均全部開到最大，其耗電量可由式（3）計算：

　　式中：ΣTi為末端設備運行時間，h；Ni為設備的輸入功率，kW；Ei為末端設備耗電量，kWh。

　　末端開啟時間與冷水機組一致，2020年——2022年制冷季末端空調用電量分變為152.42萬kWh、152.77萬kWh以及141.99萬kWh，年均用電量約為149.06萬kWh。

　　冬季供暖時間為11月15日——3月15日，共計121天，每天平均開啟時間約為12小時，冬季平均供暖小時數約為1452h。經計算，商場供暖季末端組空總計用電量約為128.36萬kWh。

節能診斷分析

　　01.冷站節能診斷

　　圖3為2020年——2022年的冷水機組運行電流百分比分布情況，可以看出機組運行電流百分比RLA%在50%——90%之間波動，其中RLA%在60%——70%的小時數最多，其次為50%——60%區間，約60%的時間機組運行：RLA%在50%——70%，機組低部分負荷運行時間較長。

　　據現場調研分析，冷站系統的問題主要有：

　　①冷水機組目前無群控優化，單臺冷機制冷量較大，長期處于部分負荷狀態；

　　②冷水機組冷凍水回水及冷卻水回水的電動閥門目前均已損壞，且處于常開狀態；

　　③冷卻塔運行狀況良好，但尚未進行變頻控制，在部分負荷時能耗高；

　　④冷凍水供水溫度采用手動方式設定，一定程度上也影響了冷機能效；

　　⑤冷站缺少溫度、壓力、流量、能耗、能效等參數的監測，不能及時反映系統的運行工況、運行效率、機組狀況等，運維管理工作效率低。

　　02.熱站節能診斷

　　根據現場調研分析，熱站系統的主要問題有：

　　①換熱機組的運行完全由人工操作，頻繁進行巡查并校核用能狀態，無法做到熱站的自動運行和無人值守；

　　②熱站系統的電動閥門及水泵變頻器均通過本地控制柜控制，無遠程控制；

　　③熱站未設氣候補償器，僅憑人工經驗進行系統質調節，不僅精準度較差，且會產生一定延遲。

　　03.末端節能診斷

　　目前空調末端所有VAV box及組合式空調機組均無法進行調控，僅能進行啟停控制，且開啟時兩者均以工頻運行，無法根據冷熱需求進行溫度調節。

　　空調末端每年運行時間較長，約占全年時間的2/3以上，全年耗電量約為277萬kWh，故目前急需恢復空調末端系統的控制功能，在保證正常冷、熱供應的基礎上對末端系統進行智控調節，有效減少空調末端系統的能耗。

節能改造方案

　　針對該商場空調系統運行過程中存在的問題，采用多種節能技術對空調系統冷熱源及末端設備進行改造，建立自動控制系統實現空調系統的科學管理。

　　01.冷站節能改造

　　增設冷站自動控制系統，對制冷系統進行智能化節能升級改造，并配合對應的下位機智能控制柜，從而實現對冷源主要設備的變頻控制、連鎖控制、節能控制；按需供冷，保障最佳輸出工況和最節能運行。主要改造內容如下：

　　①增設節能控制系統所需溫度、壓力傳感器、冷量表等；

　　②增設1臺冷站智能控制柜；

　　③增設冷凍水泵節能控制柜；

　　④增設冷卻水泵節能控制柜；

　　⑤修復/更換故障電動閥，接入智能控制柜；

　　⑥冷水機組變頻改造。

　　1.冷站節能控制策略

　　要實現中央空調系統的最佳運行和節能，必須針對空調系統的各個環節統一考慮，全面控制，使整個系統協同運行，才能實現最佳綜合節能。

　　(1)冷凍水出水溫度優化

　　實時監測室內外溫濕度等參數，根據空調區域的負荷情況，調節優化冷水機組的冷凍水出水溫度。部分負荷時，盡量提高供水溫度，通過重設該溫度值，在保證末端的供冷效果的同時有效提高機組能效。

　　冷凍水出水溫度的確定，應該根據空氣處理設備的處理能力，同時考慮室外氣象條件和空調負荷變化等因素的影響。由于室外氣象變化復雜，很難給定一個準確的變水溫運行方案，基于該商場的運行特性，給出了冷凍水推薦設定溫度表進行參考。

　　(2)冷凍水系統節能聯控

　　溫差控制適用于用戶端不設調節閥，且用戶負荷同步變化的情形，即適合于商場、展覽館等以全空氣系統為主的空調系統。當檢測的供回水溫差小于自控系統的設定溫差時，降低冷凍水泵頻率，即可減少冷凍水流量，從而減少多余的冷量傳送；反之，則提高冷凍水泵頻率，增大冷凍水流量，保證末端的冷量需要。

　　在一次泵變流量控制系統中，當系統流量減少時，控制系統要嚴格監控系統流量的變化，以防一次水進水流量無法維持機組的正常運行而導致離心機組的不正常停機，一旦系統流量不足時，系統旁通閥應立即開啟，補充水量以滿足系統最低水流量的需求。一次泵的要求是最小頻率需要滿足冷水機組的最低冷凍水流量需求，此冷凍水流量對應的水泵頻率值就是一次泵組的最小頻率。為保證冷水機組的正常運行，設定冷水的流量變化范圍在80%——100%之間。

　　(3)冷卻水系統節能聯控

　　根據系統預測的實時負荷，對冷水機組、冷卻泵、冷卻塔的綜合能效進行模擬，從而實現冷卻泵、冷卻塔運行頻率的自動尋優。滿足系統散熱量的同時，保證冷卻側（冷水機組+冷卻塔+冷卻泵）的綜合能效最高。

　　采用最低冷卻塔供水溫度來控制冷卻塔風機變頻，達到節能的目的。群控系統根據室外溫濕度計算濕球溫度Twet，而通過冷卻塔通風換熱冷卻水供水溫度可以達到Twet+Δt℃（通常取3℃的溫差為參考值），故以Twet+Δt℃作為冷卻水溫度的控制設定值，盡量使冷卻水供水溫度達到或接近該設定值，系統同時對冷水機組的冷卻水進水溫度進行監視，冷卻水進水溫度范圍為20℃——35℃。通過調節冷卻水泵的頻率來調節冷卻水流量，維持冷卻水進回的溫差不變（5℃），以實現冷卻水泵的節能運行，為保證制冷主機的正常運行，設定冷卻水的流量變化范圍在80%——100%之間。

　　(4)設備啟停控制

　　冷水機組的啟停是由控制系統根據預先編程來進行的。商場可根據工作日、節假日、促銷日等不同運營模式按需求設定冷機設備的開關機時間，從而減少不必要的浪費。

　　設備的連鎖控制如下：

　　啟動：首先開冷卻塔風機→開冷卻水碟閥→開冷卻水泵→開冷凍水碟閥→開冷凍水泵→最后開冷水機組；

　　停止：首先停止冷水機組（延時10分鐘）→關冷凍水泵→關冷凍水碟閥→關冷卻水泵→關冷卻水碟閥→最后關冷卻塔風機→關冷卻塔碟閥。

　　系統將自動記錄單臺冷水機組的累計運行時間，根據機組的累計運行狀況來采取超前和滯后控制，盡量使冷水機組達到平均使用，便于用戶進行統一的維護和保養。

　　2.冷水機組變頻改造

　　冷水機組在不同負荷情況下能效不同，根據AHRI（美國制冷協會（ARI）與美國燃器具制造商協會）規定的評估冷水機組耗電指標的標準（AHRI550/590(I-P)-2018），可用NPLV（非ARI標準工況下綜合部分負荷效率）來衡量冷水機組的綜合能效，可作為冷水機組實際運行能耗的評價指標，其計算如式（4）所示。

　　式中：A為100%同冷水機組負荷下的冷水機組能效；B為75%同冷水機組負荷下的冷水機組能效；C為50%同冷水機組負荷下的冷水機組能效；D為25%同冷水機組負荷下的冷水機組能效。

　　為提高冷水機組NPLV值，使用原廠設備對單臺冷水機組進行變頻改造。變頻離心式冷水機組的控制將導流葉片調節與變頻控制有機結合起來，其控制邏輯為：70%——100%負荷范圍內，機組保持導流葉片全開，通過變頻控制裝置降低壓縮機電動機轉速來使機組卸載；當負荷低于70%時，導流葉片開始關閉；當負荷低于50%時，為避免出現喘振適當增加壓縮機轉速。這樣可加大機組運行范圍，與定頻機組相比較，冷水機組在制冷量相同下，變頻壓縮機相關效率更高，能耗更低。

　　02.熱站節能改造

　　目前熱站的換熱循環泵雖設有控制柜，但實際仍憑人工經驗手動調節設備的運行。針對此問題，本次改造對控制柜重新編程并增設節能控制邏輯，從而實現換熱站的節能運行，主要功能包括：

　　①分時節能控制：在非運營時間段，根據室內溫度調節換熱循環泵的頻率，主動減少供熱量，避免熱量浪費，實現熱站的節能運行；

　　②氣候補償控制：增設室外氣象參數傳感器，當室外溫度變化時，為保證室內溫度的相對穩定，可對換熱循環泵頻率進行調節，進而實現供水溫度的動態調整。依據天氣條件按需供熱，避免在供暖初期和末期的過度供熱。

　　03.末端節能改造

　　1.末端控制系統優化

　　控制空調機組區域供能調節，將原有的末端組合式空調機組接入智慧能源管理平臺，恢復其調控功能。通過在商場典型區域設置的溫濕度傳感器所反饋的室內環境溫度情況，動態調節各空調機組的冷水流量和風機頻率，控制空調機組的送風溫度和送風量，保證各區域溫度穩定在設定值范圍內。管理人員可根據需求主動調整不同區域的送風溫度及風量，降低空調系統的運行能耗，同時有效改善商場內冷熱不均的狀況。

　　2.新風控制系統優化

　　通過回風管CO2濃度傳感器反饋的參數，動態調節新風量，在保證室內空氣質量的前提下降低冷負荷。

　　由室外溫濕度傳感器實時反饋的室外空氣溫濕度情況確定的新風焓值，調整新風系統運行工況。當室外空氣的比焓低于商場內設計狀態點的比焓時，自動開啟新風機和新風閥，加大新風量或全新風運行，充分利用新風的自然冷卻能力對商場進行降溫，減少空調能耗。

　　04.智慧能源管理平臺

　　在上述改造方案的基礎上，綜合考慮該商場業主的實際管理需求，建立一套能對商場內各種能源設備的運行狀態、能耗等進行實時監測、控制以及智能化管理的平臺系統。它是以互聯網技術、信息技術、大數據分析等技術為依托，以“集中管理、分散控制”為原則而建立的綜合智慧能源管理平臺，由節能控制柜、水泵控制柜、傳感器、執行器和上位機精準計量及節能控制軟件等組成，其框架如圖4所示。

　　該智慧能源管理平臺除了能實現空調系統的節能運行外，還具以下功能，主要包括：

　　①檢測功能：實時監測并顯示室外氣象參數、能源站整體能效值、能效標尺、供冷/供熱量、耗電/氣量、機組能效值以及能源站熱平衡率等參數；

　　②三維顯示：能源站設備布置圖及水路布置圖，并標明每臺設備及管路的詳細參數與信息；

　　③熱平衡校驗：實時檢測系統的熱平衡，驗證測量數據的有效性；

　　④報警功能：記錄并管理主要設備的報警時間和解除時間及報警次數等，且在畫面上顯示相應報警點；

　　⑤能源管理：實時統計主要設備的用能量、供冷/供熱量等，并自動計算標煤、碳排放量；自動計算能源站能耗指標、能效指標，并通多種算法幫助管理者準確定位能源站用能問題；

　　⑥能效診斷：提供“由指標到問題”的能源站能效診斷功能，將定位問題，并給相應解決方法；

　　⑦報表功能：支持逐日、逐周、逐月、逐年和自定義的自由查詢空調系統運行日志、制冷主機、冷源能效比等數據。

節能改造評估

　　基于第3節的節能改造方案，本節計算分析了該商場經節能改造后空調系統的耗電量與運行費用。

　　01.節能量評估

　　1.冷站節能評估

　　(1)水泵與冷卻塔變頻調節

　　在水泵的變頻調速應用中，對于同一臺水泵以不同轉數運行時，流體密度與結構尺寸均為一致，則水泵的流量、揚程、軸功率與轉數的關系如下：

　　式中：下角標e是對額定工況而言；下角標s為實際工況而言；H為水泵的揚程，m；Q為泵與風機的流量，m3/s；N為泵與風機的功率，kW；n為轉數，r/min。

　　依據Q=cm?t，在供回水溫差不變的情況下，負荷率與流量1次方關系。為保證冷水機組的正常運行，設定冷凍水和冷卻水的流量變化范圍在80%——100%之間，則水泵的流量和負荷率的關系如圖5所示。

　　依據2.1節中冷水機組負荷率分布情況，對水泵頻率進行了加權平均，求得水泵的平均頻率為40.3Hz。傳統的空調系統水泵頻率變化下限約在37——42Hz，極少數達到35Hz，有的空調系統在水泵頻率低于45Hz時就由于壓差保護而停機。依據工程經驗，基于前述節能控制改造措施進行改造后，在方案階段采用保守估算，冷凍水泵、冷卻水泵降頻運行，平均頻率降至45Hz，水泵的轉速與輸入頻率為1次方關系，其輸入功率計算如式（6）所示，輸入功率降低為原來的0.729，若運行時間一致，則水泵的運行能耗可降低約27.1%；冷卻塔降頻運行后平均頻率同樣可降至45Hz，能耗可降低約27.1%，具體節能量如表6所示。

　　式中：f為水泵的輸入頻率，Hz。

　　(2)冷站節能控制措施

　　依據文獻和工程經驗，基于前述節能控制改造措施進行改造后，冷水機組運行能耗可降低約5%，每年可節約6.16萬kWh。

　　(3)機組變頻調節

　　根據冷水機組變頻改造的測算，改造后NPLV值由0.506減小至0.375，根據冷站運行記錄計算，冷水機組年平均耗電量為123.12萬kWh，預計節能改造后年用電量為91.35萬kWh，每年可節能31.77萬kWh，節能率為25.8%。

　　2.熱站節能量評估

　　本次改造換熱站部分重點為提升換熱站智能化水平，改造后自控系統將內置節能運行策略，實現遠程監控、自動運行、無人值守的運行效果，提升能源的管理效率。在能源使用方面，智慧能源管理平臺可提升原有運行策略的控制精度及調控頻率，進一步減少運行能耗，依據文獻和工程經驗預計可實現供熱量節能約5%。目前該商場平均每年用熱12036.43GJ，預計節能改造后每年可節省熱量601.82GJ。

　　3.末端節能量評估

　　本次對中央空調末端的改造首要目標為恢復其自控系統調節功能，在此基礎上通過智慧能源管理平臺動態調節空調機組的運行工況以實現節能。

　　根據1.3.3節末端能耗統計知，夏季用電量約為149.06萬kWh，冬季用電量約為128.37萬kWh。那愷指出，當空調系統中的風機降頻工作時，由于風壓變化幅度不大，變頻器的工作頻率通常大于40Hz。依據工程經驗，經過前述改造措施改造后，空調機組平均運行頻率預計為45Hz，風機節能量約為運行能耗的27.1%；同時采用整體節能策略，實現末端與冷源的聯合調控，大約可實現冷機節能量5%。通過對末端系統的節能改造，預計總節能量約為81.34萬kWh，節能率為29.32%。

　　綜上所述，通過對冷站、熱站及末端系統增設節能控策略并接入智慧能源管理平臺，實現了商場空調系統的無人值守和節能運行。節能改造后，每年可節省電量140.56萬kWh，節省熱量601.82GJ。

　　02.經濟性分析

　　依據業主提供的《水電費清單》，項目平均電費約為1.14元/kWh，熱價為98.9元/GJ，項目各項節能技改措施節省的運行費用如表6所示。

　　由表7可知，冷站改造年均節費31.29萬元，熱站改造年均節費5.95萬元，末端改造年均節費92.73萬元，主機變頻年均節費36.22萬元；綜上所述，項目年均總節費166.19萬元。

結語

　　本文針對北京某商場供暖空調系統運行能耗高、管理控制水平不佳等問題，對其進行了冷站、熱站及末端系統的節能改造。同時，依托智慧能源管理平臺，實現了商場供暖空調系統的優化運行，不僅保證了商場供冷（熱）區域環境舒適性，而且大幅降低了供暖空調系統的運行能耗，完善了用能的精細化管理，提高了能源利用率，降低了能耗成本。通過計算可知，節能改造后年節電量為140.56萬kWh，每年節省電費160.24萬元；節熱量為601.82GJ，每年節省供熱費用5.95萬元，具有較好的節能效果及經濟效益，可為北京地區類似公建節能改造提供借鑒和參考。（文/牛笑晨，褚賽，劉啟明，許抗吾，高朋）

來源：IESPlaza綜合能源服務網