【摘要】文中對智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計進行深入研究，報告了中央空調(diào)水系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理。同時，對當(dāng)前節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)性、經(jīng)濟性及可操作性原則進行闡述。在此基礎(chǔ)上，進行了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方法的詳細調(diào)查，涵蓋設(shè)計優(yōu)化策略、系統(tǒng)維護與保養(yǎng)方案以及先進節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用等方面，以期能夠有效提升智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)的能效，顯著減少能源消耗。

【關(guān)鍵詞】智慧建筑；中央空調(diào)水系統(tǒng)；節(jié)能優(yōu)化；環(huán)境保護

【中圖分類號】TU831.3 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）08-0068-03

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗的重要組成部分，節(jié)能優(yōu)化潛力巨大，而中央空調(diào)水系統(tǒng)作為中央空調(diào)系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計與運行效率直接影響整個系統(tǒng)的能效。因此，對智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計分析，不僅具有理論意義，更具有實際應(yīng)用價值[1]。

1 中央空調(diào)水系統(tǒng)概述

中央空調(diào)水系統(tǒng)主要負責(zé)冷熱源的傳輸和分配。為深入理解節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的潛力，首先需要對系統(tǒng)組成和工作原理有一個清晰的認識。

1.1 系統(tǒng)組成

中央空調(diào)水系統(tǒng)主要包括冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、水泵、管道及閥門控制器。①冷凍水系統(tǒng)負責(zé)輸送冷凍水至空調(diào)末端設(shè)備實現(xiàn)冷卻；②冷卻水系統(tǒng)則用于散熱；③水泵用于驅(qū)動水循環(huán)；④管道傳輸通道，用于連接各個部分 ；⑤閥門控制器用于調(diào)節(jié)水流和溫度，以滿足系統(tǒng)需求。

1.2 工作原理

中央空調(diào)水系統(tǒng)的工作原理是冷凍水在系統(tǒng)中循環(huán)，經(jīng)過冷凍機（如冷水機組）進行冷卻后，被輸送到各個空調(diào)末端設(shè)備，如風(fēng)機盤管吸收室內(nèi)的熱量，從而實現(xiàn)冷卻效果。

同時，冷卻水也在系統(tǒng)中循環(huán)，通過冷卻塔或其他冷卻設(shè)備進行散熱，以維持冷凍機的正常運行[2]。水泵作為系統(tǒng)的動力源，負責(zé)驅(qū)動冷凍水和冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)，保證系統(tǒng)的正常運行。而閥門控制器則根據(jù)系統(tǒng)的實際需求和運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)水流和溫度，以實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能和高效運行。

2 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計原則

在進行中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計時，系統(tǒng)性、經(jīng)濟性和可操作性原則是智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的三大支柱。在未來的智慧建筑建設(shè)中，這些原則將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，向更加高效、經(jīng)濟、可持續(xù)的空調(diào)系統(tǒng)邁進。應(yīng)遵循以下3個基本原則，確保設(shè)計方案的可行性和有效性[3]。

1）系統(tǒng)性原則。系統(tǒng)性原則強調(diào)在節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中必須采取全局視角，將中央空調(diào)水系統(tǒng)視為一個有機整體，而非孤立部件的簡單堆砌。設(shè)計師需深入理解各組件（如水泵、冷凍機、冷卻塔等）之間的內(nèi)在聯(lián)系與相互作用，確保它們之間的協(xié)同工作達到最優(yōu)狀態(tài)。此外，系統(tǒng)性原則還體現(xiàn)在對系統(tǒng)動態(tài)特性的把握上，如負荷變化時的自動調(diào)節(jié)能力，可以確保系統(tǒng)在不同工況下均能保持高效穩(wěn)定運行。

2）經(jīng)濟性原則。經(jīng)濟性原則要求節(jié)能優(yōu)化設(shè)計在追求高效能的同時，必須兼顧投資成本與長期經(jīng)濟效益。在方案制定過程中，需進行詳盡的成本效益分析，綜合考量設(shè)備的購置成本、安裝費用、運行能耗以及維護成本等因素[4]。因此，設(shè)計師需根據(jù)項目的實際情況，靈活運用經(jīng)濟性原則，制定出既符合節(jié)能要求又經(jīng)濟合理的優(yōu)化方案。

3）可操作性原則?？刹僮餍栽瓌t體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計理念，強調(diào)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)便于安裝、調(diào)試、維護及后續(xù)升級。設(shè)計方案需充分考慮用戶的實際需求與操作習(xí)慣，確保系統(tǒng)界面友好、操作簡便，降低對專業(yè)技術(shù)的依賴[5]。同時，系統(tǒng)還需具備良好的可擴展性和兼容性，以便在未來根據(jù)實際需求進行功能升級或設(shè)備替換，保持系統(tǒng)的長期競爭力。

3 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方法

3.1 設(shè)計優(yōu)化

1）水力平衡設(shè)計。在設(shè)計階段，為實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運行，需重視水力平衡設(shè)計，精確計算和選擇水系統(tǒng)的管道、閥門、水泵等組件。采用合理的管道布局和閥門設(shè)置，確保水系統(tǒng)在不同負荷下水流分布均勻，避免局部水流過大或過小導(dǎo)致的能耗浪費。同時，選擇高效、節(jié)能、揚程、流量匹配的水泵，確保其運行在高效區(qū)，以實現(xiàn)能耗最小化。對水泵的變頻進行調(diào)速設(shè)計，使其能根據(jù)系統(tǒng)負荷變化自動調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持水力平衡。

2）控制方式優(yōu)化。控制方式對于中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運行具有重要影響，傳統(tǒng)控制方式存在響應(yīng)速度慢、精度低等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗較高[6]。因此，采用先進的控制技術(shù)，如PID控制、模糊控制等，實現(xiàn)對水系統(tǒng)的精確控制。根據(jù)系統(tǒng)實際需求和運行狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速、閥門開度等參數(shù)，確保系統(tǒng)始終運行在最佳狀態(tài)。通過引入智能控制算法，如機器學(xué)習(xí)、人工智能等，實時分析系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，自動優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)對水系統(tǒng)更加智能化、自適應(yīng)化的控制。

3）系統(tǒng)布局優(yōu)化。系統(tǒng)布局的優(yōu)化也是設(shè)計階段需要考慮的重要因素，合理的系統(tǒng)布局可以降低能耗，提升系統(tǒng)的整體效率。根據(jù)建筑的實際需求和空間布局，合理地安排冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、水泵等組件的位置和連接方式。例如，將冷凍水系統(tǒng)布置在靠近空調(diào)末端設(shè)備的位置，可以縮短管道長度，減少水流阻力，從而降低能耗。同時，還可以采用分布式布局方式，將水泵等組件分散布置在建筑的不同區(qū)域，以實現(xiàn)更加均衡的水流分布和更低的能耗[7]。

3.2 運行優(yōu)化

1）實時調(diào)節(jié)。除設(shè)計階段的優(yōu)化措施外，運行階段的優(yōu)化同樣重要。通過實時調(diào)節(jié)、負荷匹配以及能耗監(jiān)測等手段，實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)在運行過程中的節(jié)能降耗。實時調(diào)節(jié)是實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運行的關(guān)鍵手段之一，通過安裝傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和參數(shù)，如水溫、水流、壓力等。然后根據(jù)參數(shù)的變化和實際需求，實時調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速、閥門的開度等參數(shù)，以確保系統(tǒng)始終運行在最佳狀態(tài)。例如，當(dāng)室外溫度降低時，適當(dāng)降低冷凍水的溫度，減少冷凍機的能耗。同時，可以利用先進的控制算法和模型預(yù)測技術(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)未來運行狀態(tài)的預(yù)測和優(yōu)化控制。

2）負荷匹配。負荷匹配是實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運行的重要手段。在實際運行過程中，由于建筑負荷的變化和外部環(huán)境的影響，中央空調(diào)水系統(tǒng)的實際負荷與設(shè)計負荷存在較大的差異。因此，根據(jù)系統(tǒng)的實際負荷情況，實時調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速、冷凍機的輸出等參數(shù)，確保系統(tǒng)始終運行在負荷匹配的狀態(tài)下，以避免系統(tǒng)因過負荷或欠負荷運行而導(dǎo)致的能耗浪費。

3）能耗監(jiān)測。能耗監(jiān)測是實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運行的必要手段之一。通過安裝能耗監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測系統(tǒng)的能耗情況，包括冷凍機、水泵、冷卻塔等各個組件的能耗數(shù)據(jù)。然后，對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，找出能耗異常和浪費的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施進行改進[8]。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個水泵的能耗異常高時，檢查運行狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，進行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。根據(jù)實際運行經(jīng)驗顯示，通過能耗監(jiān)測措施的實施，及時發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)中的能耗問題，從而實現(xiàn)能耗的進一步降低。

3.3 維護與保養(yǎng)

1）定期維護，預(yù)防勝于治療。在中央空調(diào)水系統(tǒng)的運行中，定期維護是預(yù)防故障、保持高效的重要手段，包括對水泵、閥門、管道等關(guān)鍵部件的定期檢查、清潔和緊固。通過定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，如水泵的軸承磨損、閥門的密封性下降等，從而避免這些問題逐漸惡化，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降或故障停機。此外，定期維護還包括對系統(tǒng)水質(zhì)的監(jiān)測和處理，水質(zhì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的換熱效率和設(shè)備的壽命。因此，定期對水質(zhì)進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果進行相應(yīng)的處理，如添加水質(zhì)穩(wěn)定劑、進行殺菌滅藻等，以確保水質(zhì)符合標(biāo)準。

2）水處理，水質(zhì)決定系統(tǒng)效率。水處理是中央空調(diào)水系統(tǒng)維護與保養(yǎng)的另一個重要方面。水質(zhì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的換熱效率和設(shè)備的壽命，采取有效的水處理措施，可以保障水質(zhì)，提升系統(tǒng)效率。水處理的主要方法包括化學(xué)處理、物理處理和生物處理。①化學(xué)處理是通過向水中添加化學(xué)藥劑，以去除水中的雜質(zhì)和微生物，這種方法可以快速有效地改善水質(zhì)，但需要注意藥劑的種類和用量，以免對系統(tǒng)造成不良影響 ；②物理處理是利用過濾、沉淀等物理方法去除水中的懸浮物和顆粒物，這種方法適用于去除水中的大顆粒雜質(zhì)，但對于微生物和溶解性物質(zhì)則效果有限[9] ；③生物處理是利用微生物的降解作用去除水中的有機物和污染物，這種方法對環(huán)境友好，但需要注意微生物的培養(yǎng)和管理。在實際操作中，根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和水質(zhì)檢測結(jié)果，選擇合適的水處理方法，還需要定期對水質(zhì)進行檢測和分析，以確保水質(zhì)符合行業(yè)標(biāo)準的要求。通過有效的水處理措施，可以保障中央空調(diào)水系統(tǒng)的水質(zhì)，從而提升系統(tǒng)的換熱效率和整體性能。

3.4 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

3.4.1 高效換熱技術(shù)的深度應(yīng)用

高效換熱技術(shù)是提升中央空調(diào)水系統(tǒng)能效的關(guān)鍵。除了板式換熱器和螺旋板式換熱器，還有一種名為“微通道換熱器”的新型高效換熱設(shè)備。微通道換熱器采用微小的通道結(jié)構(gòu)，增加換熱面積，提高換熱效率。例如，在某智慧辦公大樓中，采用微通道換熱器替代傳統(tǒng)的板式換熱器。實施后，通過對系統(tǒng)能效的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)換熱效率提升約20%，同時冷凍水的進出口溫差減小1.5 ℃ ，這表明系統(tǒng)的換熱性能得到顯著提升。在連續(xù)一年的運行中，大樓的中央空調(diào)水系統(tǒng)能耗降低約15%，年節(jié)約電能達到20萬 kW .h，經(jīng)濟效益顯著。

3.4.2 智能化控制技術(shù)的創(chuàng)新實踐

智能化控制技術(shù)是實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運行的重要途徑。除了實時調(diào)節(jié)和負荷匹配功能，智能化控制系統(tǒng)還可以集成大數(shù)據(jù)分析、云計算等先進技術(shù)，實現(xiàn)更加精準和高效的節(jié)能控制。例如，某智慧建筑通過引入智能化控制系統(tǒng)，對中央空調(diào)水系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行實時采集和分析。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時負荷情況，自動優(yōu)化水泵的轉(zhuǎn)速、閥門的開度等參數(shù)，確保系統(tǒng)始終運行在最佳狀態(tài)，實現(xiàn)對中央空調(diào)水系統(tǒng)的全面優(yōu)化。在投入使用后的半年內(nèi)，系統(tǒng)能耗降低約18%，其中水泵的能耗降低22%，冷凍機的能耗降低15%。此外，系統(tǒng)的維護成本也由于智能化控制減少了人工干預(yù)而降低約10%，這些充分證明了智能化控制技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能中的巨大潛力。

3.4.3 變頻調(diào)速技術(shù)的拓展應(yīng)用與節(jié)能潛力挖掘

變頻調(diào)速技術(shù)是中央空調(diào)水系統(tǒng)中常用的節(jié)能技術(shù)之一。除了根據(jù)系統(tǒng)負荷實時調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速的功能外，還可以與智能化控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)更加精細化的節(jié)能控制。例如，通過引入變頻調(diào)速器和智能化控制系統(tǒng)，可以對中央空調(diào)水系統(tǒng)中的多個水泵進行協(xié)同控制。根據(jù)實時負荷情況和各水泵的運行狀態(tài)，自動調(diào)整各水泵的轉(zhuǎn)速和輸出流量，確保整個水系統(tǒng)始終運行在高效區(qū)。這種拓展應(yīng)用不僅提高了水泵的運行效率，還降低了能耗和運行成本。例如，為進一步挖掘變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能潛力，在某大型醫(yī)院項目中實施了多水泵協(xié)同控制策略。通過智能化控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速器的結(jié)合使用，系統(tǒng)能夠根據(jù)實時負荷自動調(diào)整各水泵的運行狀態(tài)。在項目實施后的第一年，整個中央空調(diào)水系統(tǒng)的能耗降低約22%，其中水泵的能耗降低25%。同時，由于系統(tǒng)始終運行在高效區(qū)，設(shè)備的維護成本也顯著降低。據(jù)估算，項目的年節(jié)約電能達到30萬 kW .h ，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益均十分顯著。

4 結(jié)語

文中通過對智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計分析的深入研究，得出一系列具有實際應(yīng)用價值的結(jié)論。首先，明確中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)遵循系統(tǒng)性、經(jīng)濟性和可操作性原則，為后續(xù)的設(shè)計優(yōu)化工作提供指導(dǎo)。其次，通過設(shè)計優(yōu)化、運行優(yōu)化、維護與保養(yǎng)以及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用等多方面的綜合措施，實現(xiàn)了智慧建筑中央空調(diào)水系統(tǒng)的能效顯著提升和能源消耗的有效降低。

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[作者簡介]周偉財（1993—），男，廣東汕尾人，本科，助理工程師，研究方向：暖通空調(diào)。