综合能源管理下智慧园区空调系统的智能控制与可持续性能效提升

0  引言

随着全球经济的快速发展和城市化进程的加速推进，建筑行业的能源消耗逐渐成为各国政府和社会各界关注的焦点之一。据统计，建筑领域能耗占全球能耗的36%，碳排放量占全球碳排放总量的37%，而建筑运行阶段占比约为27%。在建筑运行阶段中，暖通空调系统的能耗约占建筑能耗的三分之一，成为建筑能耗中占比最大的部分。尤其在公共建筑中，空调供冷需求的增长趋势尤为明显，根据国际能源署（IEA）的预测，到2050年，空调供冷需求将继续呈现强劲增长的态势。

目前，在传统园区中，空调系统存在着诸多问题和挑战，制约了能效的提升和可持续发展的实现。现有的空调系统设计通常以园区所处地区的极端气候条件下的最大负荷量为基准，而忽略了实际情况下园区的运行状态。导致能源的不必要浪费。因此，有必要对当前园区空调系统的能效现状进行深入分析，识别存在的问题和挑战，并寻找智能控制和可持续性能效提升的解决方案。通过引入智慧园区的概念和技术，将空调系统纳入智能化管理的范畴，可以有效提升园区的能效水平，降低能耗排放，提高舒适度。本论文旨在针对园区空调系统的能效问题展开深入研究，并提出相应的智能控制方案，为智慧园区的实现和推广提供参考和支持。

1  综合能源管理下智慧园区空调系统的能效分析

当前产业园区空调系统的能耗问题日益突出，成为制约园区可持续发展的重要因素。在这一背景下，对智慧园区空调系统的能效进行深入分析尤为迫切。空调系统在建筑领域中扮演着至关重要的角色，据统计，空调系统在制冷工况下，空调的设定值每增加1℃能耗会下降8%，而在制热工况下，每减少1℃能耗会下降12%，这一数据表明了空调系统能效对能源消耗的显著影响，导致空调系统能耗较高的原因有以下几个方面：

（1）设计负荷过大

传统暖通系统通常是根据建筑所处地区的极端气候条件设计的，以满足极端气候条件下的最大负荷需求。然而，实际上，建筑处在极端气候下的时间极其有限，而大部分时间只需要在部分负荷条件下运行，导致不必要的能耗浪费。

（2）运行策略固定

目前，园区内空调系统采用的是固定的运行策略，即全天候、全空间均采用最不利环境条件的方式运行。这种固定策略不具备对季节性、气象变化和实际用能需求的敏感性，导致系统在非高负荷时段也维持高能耗水平，限制了系统的智能调控潜力。

（3）自动化程度低

目前，中央空调系统采用的是空调温控面板和风机盘管进行一对一的就地控制方式。这种控制方式虽然满足了基本需求，但在节能方面存在不足。通常情况下，用户习惯性地将空调温度设定值调得过低或过高，都将导致空调系统长时间处于超负荷运行状态。此外，不同区域甚至同一区域的不同风机盘管都是相互独立工作的，缺乏数据间的互联互通和运行时的协调配合。

2  智能控制技术在园区空调系统中的应用

2.1  智能控制技术概述

智能控制技术是指利用先进的信息技术、人工智能算法以及传感器等设备，对空调系统进行智能化管理和控制的技术手段。其核心思想是通过实时数据采集、分析和处理，以及自动化的控制策略，实现对空调系统的精准监测和调节，从而达到节能、提升舒适度和保障环境的目的。智能控制技术在园区空调系统中的应用，为提高能效和管理水平提供了重要的支持和保障。

2.2  智能控制技术在园区空调系统中的应用

智能控制技术在园区空调系统中的应用具有广泛的潜力和应用前景。通过引入智能控制技术，园区空调系统可以实现以下方面的优化和改进。

（1）智能温度控制

利用智能控制技术，园区空调系统可以实现对温度的智能化监测和控制。系统可以根据园区内不同区域的实际情况和用户需求，动态调整温度设定值，实现能源消耗的最小化和舒适度的最大化。

（2）智能化调度策略

智能控制技术还可以实现对空调设备的智能化调度和管理。通过对空调设备的运行时间和模式进行智能调度，系统可以有效地平衡园区内的能源供需关系，提高能源利用效率。

（3）智能故障诊断与预警

借助智能控制技术，园区空调系统可以实现对设备运行状态的实时监测和故障诊断。系统可以及时发现并诊断潜在的故障隐患，并通过预警系统提前采取维护措施，避免因故障而导致的能源浪费和设备损坏。

3  智慧园区空调负荷柔性调节方法

4.1  负荷柔性调节概述

园区空调负荷柔性调节是一种基于智能控制和数据分析的策略，旨在根据实际需求和外部环境变化，灵活调整空调系统的负荷，以实现能源消耗的合理分配和调节。该策略通过优化空调设备的运行模式和时段，以及调整能源使用方式，实现对园区能耗的动态管理和调节，从而提高系统的能效和响应性，降低能源消耗和运营成本。

4.2  基于智能控制的负荷柔性调节控制策略

（1）智能化风机盘管控制

通过联网型温控面板获取室内环境的实时温度和湿度信息，并与预设的舒适温度和湿度值进行比较。根据实际环境条件和使用需求，系统自动调节风阀的开启程度和风机的转速，以实现室内空气的冷却、加热和湿度调节，维持舒适的室内环境。

（2）基于行为分析的智能调节

利用人员统计系统获取室内人员数量和行为数据，识别出不同的空调使用行为模式。系统可以检测到过度制冷或加热的行为，以及不合理的空调设定温度等。根据这些行为模式，系统可调整空调的运行策略，如调整设定温度、优化运行时段等，降低能耗并提升能效。

（3）时间段智能调节

根据园区内人员活动和使用情况的不同，设定不同的空调运行模式和温度控制策略。在人员密集度较低的夜间或午休时间，系统可降低空调运行强度或提高设定温度，以减少能耗。而在高人员密集度的工作时间段，则提供更高效的制冷或供暖，确保舒适性的同时最大限度地节约能源。

4  智慧园区空调系统能效模拟分析

4.1  模型建立

采用EnergyPlus对石家庄某园区典型建筑进行能耗模拟，选取园区内一栋典型办公建筑作为研究对象，其建筑面积为5600m²，建筑总高度为20m，地上5层，通过SketchUp对该教学楼进行建模。

4.2  空调使用模式设置

针对石家庄某园区内的典型办公建筑，模拟其在工作日的空调系统运行情况。首先，设置了不同的运行模式，包括上班模式、办公模式、午休模式、加班模式和下班模式，以反映人员流动对空调负荷的影响。其次，在智能调节模式下，根据人员统计系统获取的室内人员数量和行为数据，识别出不同的空调使用行为模式，并相应调整空调系统的运行策略。最后，将固定运行策略作为对比，保持空调系统在固定的运行模式下运行。

为了模拟不同时间段内的空调运行情况，根据园区内办公人员的入驻情况和办公时间，设定了以下五种供冷模式,，如表1所示。

表1  空调使用模式设置

4.3  能耗分析

模拟结果如表2，与采用固定运行策略相比，采用智能调节使得空调系统的能耗减少了25%。因此，智能调节系统能够根据实际情况动态调整空调系统的运行策略，包括温度设定、风量调节等，从而最大限度地降低能耗并实现节能减排的目标。这表明在智慧园区空调系统的设计和管理中，采用智能调节技术是一种有效的策略，可以提高系统的能效并降低运行成本。

表2  空调控制策略效果对比

5  智慧园区空调能效提升策略

5.1 能效评估与监测

在智慧园区的空调系统中，能效评估与监测是提升能效的重要环节。采用先进的监测设备和数据分析技术，对空调系统的运行情况进行实时、全面的监测与记录，以获取准确、可靠的能效数据。这些数据涵盖能源消耗、运行效率、设备利用率等多个方面，为能效分析提供重要依据。通过对数据的深入分析，能够精准识别能效低下的环节和问题，为后续的优化改进提供科学依据。同时，这些数据也为能效提升策略的制定提供了有力支持，帮助实现能源的高效利用和节约。

5.2 智能化控制系统

智能化控制系统的引入，显著提升了智慧园区空调系统的能效水平。该系统基于先进的人工智能算法和大数据分析技术，实现对空调系统的智能监测、分析和控制。通过实时感知和分析园区内外部环境、建筑结构、人员活动等因素，智能化控制系统能够智能调整空调设备的运行模式和参数设置，确保系统始终处于最佳运行状态，实现能效最大化。

5.3 负荷柔性调节

负荷柔性调节是提升智慧园区空调系统能效的关键技术之一。根据实际需求和环境变化，灵活调整空调系统的负荷分配和运行模式，以实现能源的高效利用。在高负荷时段，通过增加设备投入、优化运行参数等方式，确保满足园区的制冷或供暖需求；而在低负荷时段，则降低设备运行强度，减少不必要的能源消耗。这种灵活的调节方式有助于实现能源的高效利用和节约。

5.4 设备优化与维护

设备优化与维护是确保智慧园区空调系统长期稳定运行和高效能效的重要措施。定期对空调设备进行检查、维护和清洁，确保设备的正常运行和高效性能。同时，通过优化设备运行参数和工作状态，提高设备的能效和耐用性，减少能源的浪费和损耗。此外，引入新技术和新设备对空调系统进行升级改造，进一步提升能效水平。

6 结语

在综合能源管理下，探讨了智慧园区空调系统负荷柔性调节的智能控制策略以及利用智能控制技术提升智慧园区空调系统能效的可行性，通过模拟方法评估了智慧园区空调系统智能控制对能源效率的影响，结果表明，智能控制策略能够有效降低能源消耗，为智慧园区可持续发展提供参考。