張曉冬，高喜玲，王鐵勇

（1.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司湖北建筑設(shè)計(jì)分院，武漢 430000；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.北京清大原點(diǎn)建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 徐州 221116）

2021年9月11日，中國承諾大國擔(dān)當(dāng)——“30·60”碳達(dá)峰碳中和專題展覽亮相中國科技館，而我國在經(jīng)歷了近30年的全面改造后，建筑運(yùn)行碳排放總量和占比均達(dá)到歷史最高，因此，建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的難度也較大[1]。截至2019年，我國建筑運(yùn)行階段產(chǎn)生碳排放約為21億t CO2，占全國碳排放總量的20%左右。建筑領(lǐng)域的能源消耗是造成溫室氣體排放的重要因素之一，其中，建筑運(yùn)行相關(guān)的CO2排放分為直接排放和間接排放。直接排放是建筑運(yùn)營過程中直接燃燒化石能源所產(chǎn)生的碳排放，主要有北方城鎮(zhèn)供暖鍋爐、炊事和生活熱水等產(chǎn)生的碳排放；間接排放主要指建筑用電及城鎮(zhèn)集中供暖購買熱力、電力的相關(guān)碳排放[2]。隨著太陽能、風(fēng)能和核能等再生能源的并網(wǎng)使用，高壓輸電技術(shù)的推廣，我國能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了深遠(yuǎn)的變革，煤炭的快速退出需要從現(xiàn)在主體能源50%以上比重下降到5%以下，非化石能源需提高到85%以上。城市建設(shè)也從大規(guī)模建設(shè)轉(zhuǎn)為更新、改造和性能提升，“精細(xì)修繕結(jié)合高性能提升”才是未來建筑的主流方向[3]。

建筑領(lǐng)域是能源和資源的終端消費(fèi)方，主動(dòng)降低運(yùn)行碳排放才是降低現(xiàn)有建筑能耗的主要方向。而對于空調(diào)行業(yè)來說，一方面需要繼續(xù)大幅度提升中央空調(diào)的能效，另一方面也要合理規(guī)劃建筑用電方案，按需用電、節(jié)約電費(fèi)，通過智能管控、能源管理等新技術(shù)應(yīng)用，促使中央空調(diào)系統(tǒng)由“單一的產(chǎn)品節(jié)能”向“提高系統(tǒng)能源總利用率”轉(zhuǎn)變，也是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要措施。

1 某酒店中央空調(diào)既有控制下能耗情況

公共建筑中用電量最大的仍是中央空調(diào)系統(tǒng)，約占建筑整體能耗的40%，同時(shí)因?yàn)檫\(yùn)行效率低也存在10%～30%能源浪費(fèi)問題。在既有建筑領(lǐng)域智能化控制改造、升級(jí)，設(shè)備監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等方面，增加基于感知和傳輸應(yīng)用的平臺(tái)[4]，充分利用算法、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)的通信系統(tǒng)，提高現(xiàn)有設(shè)備效率，有效節(jié)約用電。

1.1 工程概況

下面以某酒店中央空調(diào)智能化控制升級(jí)為例，分析改造前后電費(fèi)節(jié)約情況，探討既有公共建筑的節(jié)能潛力，分析改造升級(jí)中設(shè)備運(yùn)營方的經(jīng)濟(jì)效益，以期最大限度地推進(jìn)中央空調(diào)智能化改造步伐。

工程概況：該酒店項(xiàng)目位于北京豐臺(tái)區(qū)，客房數(shù)量為118間，7層，建筑高度23.1m，2020年重新裝修改造，中央空調(diào)主機(jī)采用風(fēng)冷熱泵模塊機(jī)組，設(shè)備配置參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備配置參數(shù)

1.2 酒店既有中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗

該酒店中央空調(diào)在既有控制情況下，主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)、負(fù)載率及電費(fèi)見表2。

表2 既有控制基礎(chǔ)能耗分析（商業(yè)用電0.9元/kWh）

從表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，該酒店空調(diào)年運(yùn)行耗電量約為110 kWh，電費(fèi)約為99萬元，能耗較大，運(yùn)行成本也較高。若要提高總體的運(yùn)行能效水平，必須要加強(qiáng)運(yùn)維人員的培訓(xùn)管理，改變系統(tǒng)控制策略，才可以有效地降低用電費(fèi)用，節(jié)能減排。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)智能控制升級(jí)后能耗狀況

2.1 中央空調(diào)智能云端控制系統(tǒng)

中央空調(diào)系統(tǒng)智能控制升級(jí)主要包含以下3個(gè)方面。

（1）空調(diào)設(shè)備數(shù)字化：能通過手機(jī)端/電腦端實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)房展示、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、故障在線報(bào)警和預(yù)防性維護(hù)提醒功能。

（2）智能控制：能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制、云端自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)決策、附屬設(shè)備智能控制和故障定位指導(dǎo)。

（3）節(jié)能降耗：通過邊緣計(jì)算技術(shù)、云端大數(shù)據(jù)分析、半監(jiān)督模糊算法、AI自動(dòng)尋優(yōu)和機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化，系統(tǒng)節(jié)能降耗達(dá)20%～30%。

將人工智能在建筑中央空調(diào)領(lǐng)域，以算法為中心進(jìn)行深度定制、研發(fā)[5]，云端控制原理如圖1所示。根據(jù)客房入住率即空調(diào)回水溫度，及室外環(huán)境溫濕度變化，實(shí)時(shí)控制空調(diào)主機(jī)及水泵的運(yùn)行工況。若入住率高，回水溫度高，溫度傳感器將數(shù)據(jù)傳送給算法中心，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，給出空調(diào)機(jī)組開啟臺(tái)數(shù)、功率和水泵變頻功率的最優(yōu)化運(yùn)行策略，再經(jīng)定制私有協(xié)議，給出指令遠(yuǎn)程控制主機(jī)和水泵；同樣室外溫度及濕度傳感器上傳出溫濕度變化信號(hào)，算法給出運(yùn)行策略，室內(nèi)室外2個(gè)維度校正運(yùn)行策略[6]。智能按需供應(yīng)，云端控制，云端智能分析和自動(dòng)生成最優(yōu)策略，下發(fā)給邊緣服務(wù)器，邊緣服務(wù)器接到指令后再下發(fā)給各設(shè)備。在確保室內(nèi)冷/熱舒適性的前提下，最大限度地減少中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)人員舒適度及能耗之間的最優(yōu)動(dòng)態(tài)平衡。

圖1 中央空調(diào)智能云端控制示意圖

2.2 搭載智能云端控制系統(tǒng)能耗分析

搭載智能云端控制系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)后，再次對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)備負(fù)載率及電量消耗見表3。

表3 優(yōu)化控制后能耗分析（商業(yè)用電0.9元/kWh）

從表3優(yōu)化運(yùn)行策略后的能耗分析來看，運(yùn)行耗電量約為92.9 kWh，電費(fèi)約為83.6萬元，優(yōu)化后用電量比既有控制減少了16.8萬度，節(jié)約電費(fèi)15.1萬元。如圖2所示，實(shí)測用電量可節(jié)約10%～20%，在1月、12月空調(diào)采暖季，能耗大的月份，經(jīng)濟(jì)效益明顯，節(jié)能效果也越好。由此可見，該酒店中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過智能化改造后，對于控制成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和提高運(yùn)營效率效果顯著，是一個(gè)值得推廣的方案。

圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化前后電費(fèi)對比

3 中央空調(diào)智能云端控制節(jié)能降碳效果

既有建筑能耗構(gòu)成主要是空調(diào)能耗、照明能耗，根據(jù)《北京市企業(yè)（單位）二氧化碳排放核算和報(bào)告指南（2016版）》和國家對華北地區(qū)的基準(zhǔn)線排放因子的加權(quán)，折算系數(shù)建議采用的0.72 kgCO2/kWh，折算成CO2排放量。該酒店中央空調(diào)智能改造前后CO2年排放量見表4，節(jié)約排放量為0.012萬t CO2。

表4 酒店每年碳排放量

目前我國建筑行業(yè)每年運(yùn)行碳排放（含直接碳排放和間接碳排放）約為21億t CO2，該酒店既有建筑中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過智能化系統(tǒng)改造升級(jí)，可以減少每年碳排放量約為3.2億t CO2，雖然這部分碳排放量對于發(fā)電行業(yè)來說微不足道，但建筑節(jié)能是貫穿整個(gè)建筑生命周期的[7]，循環(huán)用能、累積節(jié)約和數(shù)量同樣非常可觀。同時(shí)所有中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行報(bào)表，通過大數(shù)據(jù)管理，對空調(diào)設(shè)備的能耗進(jìn)行綜合分析，形成相關(guān)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多維的剖析，同時(shí)，環(huán)境集合數(shù)據(jù)又為自控提供環(huán)境數(shù)據(jù)支撐[8]。通過用電數(shù)據(jù)采集整理，明確單個(gè)設(shè)備及整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的用電能耗、單位面積的能耗及負(fù)荷曲線，為運(yùn)營維保提供依據(jù)支持。

4 結(jié)論

中央空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行維護(hù)人員對管理對象不了解，加之某些先天設(shè)計(jì)不足，缺乏科學(xué)的能源管理措施等，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗過大，只有全面掌握各個(gè)空調(diào)設(shè)備用能情況，才能夠?qū)崿F(xiàn)既定的節(jié)能目標(biāo)。“云管邊端”的概念打造了“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+人工智能算法”的智能系統(tǒng)，是解決公共建筑中央空調(diào)精細(xì)化管理的有效手段，可以實(shí)現(xiàn)能源監(jiān)測可視化，對能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

因此，搭載智能云端控制系統(tǒng)的中央空調(diào)，充分利用大數(shù)據(jù)優(yōu)勢深度挖掘數(shù)字資源，將有助于公共建筑規(guī)范能源消費(fèi)，實(shí)現(xiàn)能效提升，在碳減排中發(fā)揮重要作用，中央空調(diào)行業(yè)的減碳行動(dòng)，一定能為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)作出積極貢獻(xiàn)。