建筑物约占全球能源消耗的 40%，远高于交通部门。无论年代如何，几乎所有建筑物都在浪费能源，包括办公楼、餐厅、医院、工厂和零售店。更复杂的是，建筑物、居住者和建筑设备形成了一个复杂且相互关联的系统。每个建筑物本身就是一个系统，即使它是由同一家公司建造或运营的。
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案例：AG总部
每分钟实时建模，自主做出最佳决策
每座建筑物都不同，建筑物内的工作空间以多种方式使用，但当前的楼宇自动化系统仍由固定的静态规则设计和控制。这不仅造成能源浪费，也无法为租户创造良好的工作和生活环境。
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案例：伊尔梅瑙工业大学计算机科学与自动化学院
六合一传感器和自研网关
建筑物包含的丰富信息对于帮助改善建筑物运营和性能具有很高的价值。然而，如何获取和了解这些信息对建筑运营和性能的影响并不容易。
为此开发了独特的传感器，可检测区域内的温度、湿度、区域内人数等六大重要参数，传感器具有良好的兼容性，兼容等，提供了完整的优质包装。
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仪表板
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在德国科技创业中心（GTEC）发起的2019年国际创新大赛中，来自48个国家的150余名申请者脱颖而出，获得2019年创新奖。
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德国未来“隐形冠军”专栏介绍
传统“隐形冠军”遇上未来“隐形冠军”
“隐形冠军”一词是德国赫尔曼·西蒙教授经过十余年的研究和考察，于1986年首次提出的。“隐形”是指这些企业几乎不为外界所注意；而“冠军”则意味着这些企业几乎完全支配各自的市场领域，占据较高的市场份额，具有独特的竞争策略，往往在某个细分市场发力。截至2018年数据显示，在全球2700多家“隐形冠军”企业中，德国企业以1307家几乎占据半壁江山。
“工业4.0”背景下颠覆未来的“隐形冠军”
谈到德国工业4.0和数字化转型，我们更关注西门子、博世等大公司。但近年来，德国涌现出一大批专注于推进数字化建设的年轻高科技企业，并逐渐成为数字化转型创新领域的主力军。这些企业敢于冒险，乐于接受新方法、新思路，组织结构灵活、适应性强，与技术研究机构保持密切联系。德国总理安格拉·默克尔称他们为德国数字化转型的驱动力。在德国，具有传统优势的“隐形冠军”企业正通过与数字化诞生的颠覆性企业合作，释放出巨大的协同效应。这种通过协作产生的积木式创新，也适用于我国具有创新意识的中小企业。本栏目，我们将向国内朋友介绍100家优质的德国（欧洲）高科技青年企业。我们称他们为“工业4.0”时代背景下涌现的颠覆性未来“隐形冠军”。
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作者 | 曹立勋、王博、王思琪、屠让
概括：
北京某商务楼空调面积8.81万平方米。它最初设计了东、西和超市三个冷藏室。原空调系统冷水机总装机容量约占装机值的40%～60%。存在冷水机组初投资高、冷水机组运行负荷率低、冷水机组闲置、水泵效率低等问题。冷站综合效率约为3.1，冷却水输配系数平均值为23.05，冷冻水输配系数平均值为13.75，远低于节能运行标准要求的空调系统。
根据实际空调负荷计算和水系统压降分析，合并项目东西部部分业态的空调系统，通过优化总装机容量增加冷水机负荷。冷水机并将二次泵系统更改为一次泵系统。率和 COP，并增加冷冻水分配系数。改造后，在10%~100%负荷率范围内，冷水机综合COP提升至5.5以上。考虑水泵能耗后，冷却站整体能效由改造前的3.1提高到4.0左右。本案例为存在相同问题的既有建筑节能改造提供指导。
#1 介绍
现有商业建筑暖通空调系统普遍存在运行工况偏离设计工况的问题。在设计阶段，由于建筑围护结构数据不完整、商业条件不确定、室外参数选择不合理等原因导致空调负荷计算不准确[1]；设计负荷确定后，冷源配置和水系统设计不合理也会造成运行能耗高；楼宇营运过程中，因业态或功能改变而引起的空调负荷变化。此外，现有建筑暖通空调系统在长期使用后存在一定程度的设备损耗，且由于维护保养不力等原因，设备运行效率逐年下降，导致楼宇空调系统能耗增加。基于以上原因，对既有建筑空调系统进行系统调整和节能改造的需求十分迫切。
空调系统的调整改造主要包括两个方面：减少需求侧负荷和提高供给侧能效。
在需求侧，可通过改善围护结构的保温、气密和透光特性，调节人的行为来降低冷负荷；在供给侧，主要调整改造对象包括冷水机、冷冻/冷却水泵、管道、冷却塔和末端空调系统等，这些方面已经有大量成功的改造案例。
某写字楼使用空气源热泵更换超过使用寿命的空气源冷水机组和锅炉。节能改造后，空调系统年均运行成本降低38.2%[2]。
天津某商厦更换了空调系统。在三个方案中，选择了运行成本最低、使用寿命最长、运行简单稳定的方案。供水系统采用初级泵改变流量，改造后节能率达到30%以上[3]。
上海某高端酒店采用磁悬浮机组替代原有螺杆机组，增加冷热源智能控制系统，改造输配电系统和冷却塔，单位建筑面积能耗降低22.1%[ 4].
福州某百货公司在空调系统中增加一台与原冷水机容量相同的磁悬浮冰箱，与原两台主机并联，通过阀门切换实现2用1备运行。改造项目磁悬浮冰箱单体节能率大于35%[5]。
某商场空调系统大部分时间低负荷运行，冷冻水流量大温差小，室内盘管送风温差小；改造后水泵和室内风机采用变频控制，可减少冷冻水输送量和送风量。空调单机节能率为46%[6]。
上海某高层酒店用高效螺杆式冷水机替换原有冷水机，将冷水机的COP从4.9提高到7.3，将原来的二次泵系统改为一次泵变流量系统，采用智能化、高效的自适应系统。综合效率由3.38提高到4.87[7]。
在此基础上，提高系统的智能化水平，如对既有建筑进行智能化管理，监控空调系统中各设备的实时运行情况，可有效提高能源利用效率[8]。
在广州某酒店，原来工作人员手动控制机房设备的启停，改用自动控制系统，控制设备尽可能运行在最佳工作状态。智能化改造后，节能率达到14%[9]。
陕西某商场空调系统进行了智能化改造，增加了智能控制箱，增加了温度传感器，控制了系统中各个阀门的开度、设备的启停等，减少了人为控制的失误实现空调系统的高效运行[10]。
宁波某写字楼空调系统冷水机台数由人工经验控制。不使用冷冻水泵变频器，实际恒流量运行。冷却塔以恒定频率运行。水温和室外温度自动调节，冷水机组自动控制，节能效果显着[11]。
一些学者还将机器学习方法应用于空调系统的智能控制，以降低能耗，提高舒适度[12,13]。
介绍了针对北方寒冷地区某既有商业办公综合体，存在中央空调系统装机容量过大、水系统设计不合理等问题的节能诊断与系统调整。楼东冷站空调系统大部分运行时间只有一台冷水机，负荷率约70%～80%。负荷高峰时，开启两台冷水机组，第二台机组负荷率在70%左右，导致2台冷水机组闲置，冷水机组负荷率低。冷水机的综合COP约为4.8至6.2。
空调系统水系统冷却水分配系数平均值为23.1，冷冻水分配系数平均值为13.8，远低于节能运行标准要求的40。空调系统，水泵约31.9%的扬程不合理消耗在阻力件上，导致水系统效率降低。空调系统冷站整体效率约为2.6~3.2，急需节能改造。同时，西区冷站、超市冷站也存在负荷率低、冰箱效率低等问题。
本文介绍的改造改造方案可为同类公共建筑中央空调系统的优化改造提供参考。
#2 改造项目空调系统现状 1.1 建筑信息及空调系统原形态
改造项目位于我国北方寒冷地区。它是一个购物中心和写字楼的综合体，分为东、西两个地块。东区总建筑面积约13.39万平方米，主要业态包括商业、影院、办公；西区总建筑面积约6.45万平方米，主要业态包括商业和超市。项目原有空调系统为5个业态配备了独立的冷热源系统。其中，东区的商业、影城、写字楼均设有独立冷库，影城、写字楼不在本次改造范围内。西区商业、超市冷站独立设置。各区机房业务类型、机房及主要设备信息如图1所示。其中东区4台商用冷水机组均为变频离心冷水机组。
目前，东区商业、西区商业、西区超市的冷冻水系统相互独立，均采用二次泵变流量分区双控系统。系统原理图如图2所示。
图1 空调系统分区及对应设备信息
图2 东区商业供水系统图
空调冷冻水设计供回水温度为7/12℃，分别设置分水器和集水器，服务于各自区域。冷却水系统设计供回水温度为32/37℃。除东区商业未配备备用冷冻水泵和冷却水泵外，其他空调系统均配备备用冷冻水泵和冷却水泵。
1.2 原空调系统存在的问题
通过对该项目的实际冷耗和水系统试验，发现原空调系统设计和运行不合理，存在空调系统分区复杂、冷水机组容量过大、机组利用率低，机组运行效率低，水泵输配系数低。、操作人工成本和维护成本高。
1.2.1冷水机装机容量过大
2017年8月至10月至2018年4月至6月的实际运行结果表明，单位面积实际需冷量和供冷指标均低于冷水机装机容量。
冷水机额定制冷量与五种空调系统实际所需制冷量对比如图3所示，可以看出实际制冷量需求仅为额定制冷量的40%~60%冷却器的容量。
图3 各行业装机容量与实际制冷量
图 4 为单位空调面积冷指数的设计值、运行值和装机值。可以看出，在装机指标、运行指标和计算指标三个不同维度中，装机指标最大，计算指标居中，运行指标最小（商用冷量除外）东西方指数）。
图4 各业态冷指标
由于设计过程中采用的最不利工况，人员密度和新风量与实际运行策略不同，使得设计冷负荷大于实际运行值，而装机容量考虑了较大的储备率，导致制冷设备在实际运行中的负荷率偏低，影响系统运行效率。但西区商业区计算的制冷指标低于实际运行指标，主要是实际运行时利用厨房补风对厨房进行降温，消耗较多冷量。
冷水机组装机容量过大，会降低冷水机组运行时的负荷率。
对于冷水机，负荷率是实际制冷量与额定制冷量之比，如公式（1）所示：
式中，ε为负载率，为实际制冷量，为额定制冷量。
冷机COP与负载率的关系满足式（2）：
对于离心式冷水机组，当冷却水温度一定时，COP-ε关系如图5所示，可以看出存在较好的负荷率区间，使得每台冷水机组的COP较高。
图5 冷却水温32oC时100RT变频离心冷水机组COP与负荷率的关系
由此可以计算出每台冷水机组运行时的耗电量，如式（3）所示：
式中， 为冷水机组的耗电量， 为实际制冷量， 为冷水机组的性能系数。
冷却站的综合性能系数需要考虑所有冷水机组和输配电系统的耗电量，包括冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的耗电量，可由式（4）计算：
式中， 为冷却站综合性能系数， 为输配电系统耗电量。
因此，冷水机组的负荷率过低，输配电系统的效率就会降低。
改造前冷水机COP和冷站综合性能系数如图6所示，冷水机COP约为4.8-6.2，COPzh约为2.6-3.2。冷水机组的负荷率在7、8月等较热潮湿的月份较高，此时冷机的COP较高。
图6 供冷季各月冰箱COP和冷站综合效率
冷水机装机容量过大，会降低机组运行时的负荷率。
整个供冷季的测试结果显示，大部分运行时间只有一台冷水机组开启，负荷率约为70-80%。高峰时段开启两台冷水机组，第二台冷水机组的负荷率约为70%。西区3台商用冷水机组，大部分运行时间只有1台冷水机组开机，负荷率在70%左右。高峰时段开启2台冷水机组，第二台冷水机组的负荷率约为50%。
图7为节能改造前8月15日各时间点测得的制冷量。东区商业区共有4台冷水机，每台冷水机的额定制冷量为8:00和20:00只开启1台冷水机，其余时段开启2台冷水机10个小时; 西区有3台冷水机，每台冷水机的额定制冷量为每12小时开启一台冷水机。根据实测制冷量，西区制冷系统负荷率低于70%冷水机组 楼宇自控，东区制冷系统负荷率大部分时间低于70%。8月15日是供冷季冷负荷较大的一天，
图7 典型日（8月15日）冷水机各时刻的制冷量和负荷率
1.2.2 低效水系统
输配系数（水，WTF）是水输送热量与水泵耗电量的比值，可用于评价水泵的能效[14]。其计算公式如式（5）所示：
式中，Q为水的输送热量，为水泵的功耗。
根据国家标准《空调系统经济运行》关于空调水系统输配系数的规定[15]，如图8所示，当冷冻水或冷却水系统的输配系数为低于30，水系急需改善。经检测，该项目东区和西区冷冻水泵和冷却水泵输配系数如图8所示，其中东区冷冻水输配系数在8~16之间。 ，冷却水输配系数在15～25之间，西区冷却水输配系数在8～25之间。
图8 水系统输配系数
东、西区冷冻水系统均采用二级泵系统，一级冷冻水泵恒流量运行，二级冷冻水泵变流量运行。
冷冻水循环管路压降试验见图9-10。东区冷水机组的压降和末端压降（分水器和集水器的压差）分别为10.6 mH2O和13.9 mH2O，而主泵和副泵的扬程之和为二次泵约为35.3 mH2O，远大于冷水机组和码头的需求。大部分压力损失来自冷站冷冻水管路，包括集水器和一次泵（3.5 mH2O）、一次泵和冷水机（3.8 mH2O）、冷水机和二次泵之间的管道和阀门(2.7 mH2O)，即约28.3%的水头被不合理的阻力元件所消耗，
上图（a）东区冷站改造前，下图（b）西区冷站改造前
图9 东西区冷冻水系统压力分布图
西区冷水机压降和末端压降（分水器和集水器之间的压差）分别为11 mH2O和10.1 mH2O，而一次泵和二次泵扬程之和约为36.1 mH2O ，远大于冷水机，末端大部分压力损失来自冷站冷冻水管路，包括集水器与主泵（1.3mH2O）之间的管路，主泵与冷水机组（8.1mH2O）、冷水机组和副泵（3.4mH2O）、阀门，即约35.5%的扬程消耗在不合理的阻力元件上，导致水泵能耗增加。如果去除不合理的压降元件，系统压降将降低，
上图（a）东区冷站压力分布，下图（b）西区冷站压力分布
图10 东西部冷冻水系统压降分布
#3 空调系统改造
基于以上问题，对西商、西商超市、东商冷库原有空调系统进行改造，主要包括制冷系统和冷冻/冷却水系统。
通过年负荷计算和能耗模拟分析，当供冷季不保证50小时时，根据模拟宏业模拟软件，空调负荷为 ，小时负荷计算结果为负荷主要集中在30% 和 80%。，过低和过高负载的持续时间都不高。
可见，东区冷站装机容量（ ）完全可以满足东西区和超市的需求。此次将对东区原有剧场和办公室进行改造，保留原有空调系统。
原东区冷站群控系统基本瘫痪。此次改造还梳理了管控策略，升级了群控系统。
2.1 制冷系统组合
经评估，东区原有冷站为东区商业提供4台900RT冷水机组，可满足东西区商业区和西区超市的供冷需求。由于机组效率降低，后续可能出现故障等因素，将原西区3号机房使用的一台450RT冷水机作为西区业务的备用冷源。
运行期间，东区1号机房4台900RT冷水机组作为主冷源，西区1号机房1台450RT主机搬迁至东区冷站，共同为1号机房商业业务供冷。东西区和西区超市。拆除西区冷站主机和水泵，只保留分流域，发挥冷站蓄水功能。
需要说明的是，原西区3号机房商用制冷系统采用3台450RT离心式制冷机组，仅需其中一台作为备用冷源，东区冷却塔将不用修改的。2 主机现在可以出售资产。冷站机房后续改造为仓储用，可增加后续经济效益。原西区用于超市冷藏室，位于屋顶的冷却塔用于西区冰场的制冰系统。东区影剧院空调系统和东区办公室空调系统保持不变。改造后的系统图如图11所示。
图11 东西区商业与西区超市冷源组合改造方案
改造部分的冷负荷和装机容量。在不同的负载率下，通过调整开启的冷水机的类型和数量，冷水机的COP更高。在联合空调冷源的基础上，为达到更高的COPzh，制冷设备的运行策略如表1所示。
不同负荷率的小时比例及其对应的冷水机COP和冷站综合性能系数COPzh如图12所示。与图6相比，改造前冷水机的COP约为4.8-6.2，冷水机的COP改造后可增加15.5%；改造前冷却站综合效率约为2.6-3.2，改造后冷却站综合效率可提高35.5%。
图 12 COP 随负载率的变化
2.2 水系改造
原冷冻水系统，东区主泵额定扬程为18 mH2O。实际运行时，扬程为10~13 mH2O，泵效率约为55%。二级泵的额定扬程为33 mH2O。实际运行时，扬程为10~16 mH2O，泵效率约为40%。
西区一次泵额定扬程为18 mH2O。实际操作时，水头为14~20 mH2O。二级泵的额定扬程为30 mH2O。实际操作时，水头为16~20 mH2O。因此，原冷冻水泵的额定扬程远大于实际压降，水泵效率低。
改造后的冷冻水系统如图13所示，东区末端压差与西区末端压差基本相同，约为10 mH2O。在保证东区冷站至西区冷站管路走向合理的情况下，水系统可改为一次泵冷却水系统。经计算，东区水系总阻力为47.7 mH2O，西区为43.9 mH2O。考虑到安全裕度，根据东区和西区水系统总阻力分别为52.47 mH2O和48.29 mH2O选泵。最后，
图13 改造后的水系
2.3 节能效果分析
制冷系统改造前，冷站综合能效约为3.1，冷季冷站用电量约为251.59万度；改造后，冷站整体能效可提升至4.0，冷季冷站用电量约为201.27万度。
单个供冷季节能量约50.32万度，按平均电价1.1元/度计算，可节约运行成本55.35万元。如果综合考虑节省劳动力、空间、设备维护、闲置设备销售等因素，可以带来更高的经济效益。
改造后冷冻水系统4台冷冻水泵功率为110kW，相当于东区原主、副泵功率之和（112kW）。耗电量差别不大。东西区冷站合并后，采用一次泵系统，西区作为备用冷源，节省了西区冷站冷冻水泵的电耗。
综上所述，单冷季累计节约冷水机运行成本55.35万元。改造投资约200万元，静态投资回收期约3.6年。
#4 结语
某大型商厦空调系统实际运行性能测试，发现存在冷水机组容量过大、水系统设计不合理等问题，导致空调整体效率低下系统，水系统输配系数低。针对以上问题，对大楼东西商业区和西区超市的空调系统进行了优化改造。主要结论如下：
原空调系统冷水机额定制冷量远大于实际冷负荷需求，导致冷水机负荷率偏低，大部分时间低于70%。通过组合制冷系统，可以减少冷水机组的数量，提高冷水机组的负荷率。改造后，商业建筑制冷系统冷水机COP可提高15.5%，冷站整体效率可提高35.5%。原空调系统水系统采用二级水泵系统，水泵额定扬程远大于实际扬程需求，导致水泵传动分配系数低。通过将原来的二次泵系统改为一次泵系统，选用变频水泵，可以提高水泵的运行效率和冷冻水系统的输配系数。单冷季，冷水机节电约34.4万度。按1.1元/千瓦时的平均电价计算，单个供冷季共可节约运行成本55.35万元。改造投资约200万元，静态投资回收期约3.6年。按1.1元/千瓦时的平均电价计算，单个供冷季共可节约运行成本55.35万元。改造投资约200万元，静态投资回收期约3.6年。按1.1元/千瓦时的平均电价计算，单个供冷季共可节约运行成本55.35万元。改造投资约200万元，静态投资回收期约3.6年。
关于作者：
王博，1979年出生，男，本科，研究方向：民用建筑机电系统设计与节能、减碳路径研究与智能化运营管理（）
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版权声明：本文已发表于《建筑节能（中英文）》2022年1期，已获得作者授权。机电网编辑版未经许可禁止转载。
