打开文本图片集
摘要：中央空调系统已普遍应用。据数据显示，我国南方80%以上的新建公共建筑均安装有中央空调系统。冬冷夏热区域，如黄河流域、长江以北地区的50%以上新建的民用住宅小区亦安装有中央空调。随之而来的高能耗，已成为政府和社会各界关注的焦点。本文以中央空调能效管理的专利技术应用为主，研究分析建筑能耗管理的，以提高能源利用效率，从而达到节能减排和治理雾霾的目的。
关键词：能效管理 ；专利技术； 应用研究
中图分类号：TP273+.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）04-0055-05
1 背景介绍
随着我国经济的飞速发展，大型商用中央空调应用越来越普遍。20世纪90年代以前只能在星级酒店、高档商务楼和国家机关办公建筑等少数场所见到的中央空调，经过20多年的发展，已广泛应用于普通百姓家中。目前，商业住宅小区、一般公共建筑均安装有中央空调系统。中央空调的舒适性是其它空调系统不可比的。据数据显示，我国南方80%以上的新建公共建筑均安装有中央空调系统。冬冷夏热区域，如黄河流域、长江以北地区的50%以上新建的民用住宅小区亦安装有中央空调。
在中央空调大面积使用的同时也推升了建筑能耗。据《中国建筑节能年度发展研究报告》（2012清华大学建筑节能研究中心著）数据显示，建筑能耗已成为我国国民经济中三大（工业、建筑和交通）高能耗之一。2010年建筑总能耗（不含生物质能耗）为6.77亿占全国总能耗的20.9%。而建筑能耗中空调能耗占50%～60%。如图1所示，在建筑能耗统计信息中，主要以照明、电梯等电设备、生活及公共用水、中央空调系统等为主要耗能设备。其中中央空调系统作为房屋建筑内的“耗能大户”，已占建筑总能耗的50%以上。因此，如何提升中央空调的用能效率，降低其能耗，成为政府和社会纷纷关注的焦点。
中央空调的高能耗所带来的环境资源压力越来越大，建筑节能减排和治理雾霾形势严峻。
2 能效管理专利技术探讨
中央空调的能耗问题也引起了科研院所、高校和企业的高度关注，如何进行节能降耗，提高能耗的应用效率，科技工作者做了大量的研究，并研制出相应的技术产品，开发出一些专利技术。从国家知识产权局网站上分析，已公布中央空调能效管理专利技术分为四大类。
一是中央空调节能管理控制类。如主机系统的管理控制、未端系统的管理控制、通风系统的管理控制，以及室内温度控制等。主要专利有：“中央空调节能智能控制系统及控制方法200510017349.7”，2009年授权；“智能型风机盘管200410060269.5”，2007年授权；“一种多点监测控制的节能温控装置201020615709.X”，2011年授权；“一种远程节能管理的空调控制器201220310386.2”，2013年授权；“基于WiFi的空调温控管理系統201420540105.1”，2015年授权。
二是计量监测类。主要用于中央空调的分户、分室计量监测（收费）和能源中心设备监测、未端风机盘管的监测，以及公共建筑能耗监测。主要专利有：“中央空调计量收费的当量能量计费方法200510017906.5”，2007年授权；“多端口多档速风机盘管状态监测装置200820221553.X”，2009年授权；“一种集中供热或制冷计量温控装置201120331256.2”，2012年授权；“一种用于中央空调和集中供暖的当量表201120331218.7”，2012年授权；“无线式中央空调当量表201120350633.7”，2012年授权。
三是通讯、传输类。主要用于监测、抄表时的网络通讯、数据传输的稳定性和及时性。主要专利有：“半双工通讯收发控制方法及装置200710141425.4”，2011年授权；“中央空调计费数据传输网络及管理器201120350636.0”；“RS485总线转换接口电路结构201521123129.8”，2016年授权。
四是检测类。主要用于对多档速电机等设备的运行检测，故障处理。主要专利有：“基于电压互感技术的多档速电机档位识别方法及装置ZL200810231195.5”，2011年授权；“一种电机运行状态故障判断方法及其检测装置201010556440.7”，2013年授权；“一种基于电压互感技术的简易电机档位识别装置201220440593.X”，2013年授权；“具有电机故障检测功能的空调温控装置201320675862.5”，2014年授权。“具有掉电检测功能的WiFi无线温控器的硬件结构201420540225.1”，2015年授权；“多档速电机档位控制线掉线检测装置的硬件结构201420543694.9”，2015年授权；“多档速电机档位接错检测装置的硬件结构201420540176.1”，2015年授权。
上述专利技术对中央空调系统的能效管理应用起到非常重要的作用。比如，“中央空调节能智能控制系统及控制方法200510017349.7”、“中央空调计量收费的当量能量计费方法200510017906.5”、“半双工通讯收发控制方法及装置200710141425.4”、“基于电压互感技术的多档速电机档位识别方法及装置ZL200810231195.5”，“一种电机运行状态故障判断方法及其检测装置201010556440.7”等均为核心专利。
“中央空调节能智能控制系统及控制方法200510017349.7”提出了一个全新的中央空调节能自控理念“负荷随动、同步调节”，使空调系统的主机和未端运行情况时实联动。当未端的需求量（冷量或热量）及时传给空调主机，让主机按需求生产、供应，实现“用多少、供多少”的主动使用模式。突破了传统空调运行中的“供多少、用多少”的被动使用局模式。实现了主机和未系统的能量供、需平衡，达到能源应用效率最大化的目的。
“中央空调计量收费的当量能量计费方法200510017906.5”，在中央空调计量收费领域内提出一个全新的计费概念，把当量能量这一原理引入中央空调计费中，实现了空调供水温度达到一定效果时的“有效果”计量，在中央空调计费领域是具有历意义的创新。基于此专利技术研制的“当量空调表”填补了国际中央空调计量方面的空白，对行业技术有着突破性的贡献。
“半双工通讯收发控制方法及装置200710141425.4”解决了目前80%以上现场总线（如RS485）应用所出现的通讯节点障阻问题，可以顺利的实现通讯节点的跳转，防止通讯瘫痪，确保系统通讯畅通、稳定、可靠，具有较高的新颖性。
“基于电压互感技术的多档速电机档位识别方法及装置ZL200810231195.5”专利技术突被了对多档速电机档位的识别难题。对多档速电机档位识别检测，传统的检测方法是在每个档位上接一根线，比如对三速档位的电机检测需要需要三根线才能完成。而本专利采用电压互感原理，只需要一根线就能实现对三速档的检测。这样就可以减少三分之二的线材和安装成本，大大提高了工作效率和维护效率，节约了检测成本。
“一种电机运行状态故障判断方法及其检测装置201010556440.7”是根据电机在不同的运行状态在其线圈绕组或某一线圈组上的电压不同，检测其电压值。然后，根据其电压值来确定其运行状态，判断电压故障。本专利技术对电机运行状态故障检测迅速准确，电路运行稳定可靠。突破了传统用电流检测识别电机运行故障方法的烦琐和不准确性，具有较强的创造性。
3 能效管理专利技术应用
《公共建筑节能设计标准GB50189-2015》要求，集中供暖通风与空气调节系统，应进行监测与控制。供暖空调系统应设置室温调控装置。中央空调能效管理专利技术可应用于中央空调系统运行中进行能效管理、能源监测、计量、节能控制、能源分析、评估、设备安全监测、故障检测和运维服务中。它通过在线监测集中空调主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔（或深井泵）等动力设备能效及安全相关的运行参数，动态呈现中央空调系统运行的实时能效，为用户提供有效直观的节能数据依据，帮助用户更科学、更合理的使用设备，降低能耗，延长设备的使用寿命。同时利用系统设置的预警值和报警值，对设备运行参数的异常情况实现自动诊断，并通过短信将报警信息及时发送到用户手机，提高维护效率。
以郑州市北环附近一商务楼的应用实例进行分析。该商务楼制冷、采暖全部采用大型中央空调系统。2014安装中央空调能效管理系统，由总站和各分站两个部分构成，见图2。
总站负责管理各个分站，总站由一系列计算机、服务器等硬件系统和操作系统、应用软件等软件系统组成，将所有监测站点的数据进行收集、显示并送入后台数据库进行分析和加工。远程实时对各个分站的监测数据进行统计分析，为用户提供管理依据。（使用单位在任何一台联网的电脑上通过授权帐号和密钥，即可实时监测自己管理的所有项目，没有平台建设投资和后期管理之忧，提升管理效率，减少了总站的建设费用。）
分站安装在中央空调机房现场，通过RS485总线和监测仪表相连，实时采集现场数据（温度、压力、电量、水量、冷热量等），并将采集的实时数据通过TCP/IP通讯实时上传给总站。
该商务楼总建筑面积约15.4万㎡，是集商业、办公为一体的综合性建筑，商业面积为6万㎡，一号写字楼建筑面积为3. 9万㎡，二号楼建筑面积4.3万㎡，地上建筑为25层，地下3层。其中二号楼机房安装了中央空调能效管理系统，中央空调系统机房在负三层。2号楼空调系统主要设备参数见表一、表二。
根据中央空调能效管理系统对空调系统运行记录的数据统计分析，抽取2015年第三季度的运行记录，期间每天冷水机组的运行时间为08：00----22：00，按照冷冻水系统与冷却水系统运行的不同温差所占比重的时间进行统计分析，统计结果见图3、图4。
由图可知，从不同冷冻水运行温差所占时间的比重分析，该空调水系统运行过程中，冷冻水温差在5℃以下的运行时间占运行时间的93%，其中冷冻水温差在3—4℃所占的时间比重最大，达到41%，而冷冻水温差在5℃以上的运行时间只占总时间的7%，冷冻水温差在6--7℃的运行时间仅占总时间的1%，与冷冻水侧设计6/13℃的7℃温差相差很远。而冷却水温差在3℃以下所占时间比重达44%，3℃以上只占总运行时间的56%。
综合以上分析，原中央空调系统冷冻水温差在5℃以下运行时间达到总运行时间的93%，該空调水系统存在明显的“大流量小温差”现象。因此，将该建筑空调水系统的节能检测作为检测重点，以做进一步的节能分析。
该二号楼水系统共配备冷却（冻）6台水泵，通过中央空调能效管理系统对2#、3#水泵数据的监测（未启动节能自控程序）。监测数据见表三。
从2#、3#冷冻水泵运行工况下的流量分析，2#、3#泵流量分别超出机组的蒸发器额定流量（168L/S=604.8m3/h）47.6%和48.9%。一般对于离心机组而言，蒸发器的最大允许流量为额定流量的120%-130%，冷冻水流量达到额定流量148%，超过蒸发器的最大允许值，造成蒸发器内水流偏大，影响机组的使用寿命。
从水泵耗功率的监测数据上看，冷冻水泵运行工况下，2#、3#泵的电机负载率分别为99.5%和100.6%，3#冷冻泵运行工况下电机处于过载状态，长期处于超载状态容易影响电机使用寿命甚至烧坏电机。
启动节能控制程序后对2#、3#泵所监测的数据见表四。
通过表三和表四的2#泵、3#泵监测数据不难看出，启动节能控制程序后2#泵的水流量减少19.93%，功耗减少20%；3#泵的水流量减少20%，功耗减少20%；在进行节能自控调节之后水流量下降，电力功耗也有较大的幅度的下降，但是其水泵进/出口的压力并没改变。这说明在水泵进/出口压力平衡的情况下，同样能够达到节能舒适的目的。
4 综述
中央空调系统能效管理专利技术在该项目二号楼应用能够提供实际能效数据、高效管理，掌握各类负荷的实际用量，从而将原有的经验式宏观管理模式转变为精细式数字管理模式。通过该系统，管理人员可以作到“能效分析、安全预警、系统诊断、能耗统计、合理用能”，大大提升管理水平。
结论，中央空调能效管理专利技术可以使中央空调系统节约能源20%，有效地推进建筑节能减排，有利于大气雾霾的治理。
参考文献：
[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].2012：4-5.
[2]GB50189-2015.公共建筑节能设计标准[S].2015：34-35.
[3]刘金松，王湘涵.对雾霾大气污染的调查与综合防治[J].工程技术（文摘版），2016（04）：45-46.