商场冷热源系统节能化及智能化技术改造

引言

随着“双碳”目标的推进，商场作为耗能很高的建筑，正持续开展照明、电梯、空调等综合型用能系统和设施设备节能改造，提升能源利用效率。冷热源系统在全年运行中消耗大量电能和热能，其节能化及智能化改造势在必行。传统冷热源系统存在能效低、调节能力差、管理粗犷等问题，导致建筑能耗浪费。本项目旨在通过变频技术、智能控制系统、物联网平台等手段，优化冷热源系统运行模式，提高能源利用效率，该改造不仅有助于商场节能减排，还能提升设备运行稳定性，大大降低了对人力物力的投入，降低运营成本。

1. 项目概况

该商场位于苏州常熟市，建筑面积约 4 万 m2 ，建筑地上 4 层，地下 2 层，集国际品牌旗舰店、大型超市、时尚精品店、餐饮美食、休闲娱乐于一体。空调冷冻机房共有 3 台制冷量 800RT 水冷离心式冷水机组、1 台制冷量 265RT 水冷螺杆式冷水机组，锅炉房共有 2 台制热量 1.4MW，水量 2.15m³ 燃气热水锅炉。其余空调设备包括：冷却塔机组 5 台，锅炉房板式换热器 2 台、冷冻机房板式换热器 2 台、冷冻冷却及热水循环泵 10 台。原冷热源系统已运行超过 15 年，夏季制冷期 5-10 月，冬季供暖期 12 月 - 次年 3 月。系统无冷量监测，无每台设备的电量监测，系统无每台设备的能耗计量，无能耗历史数据，无法经行能耗分析从而达到能耗控制。

2. 系统改造难点及解决措施

2.1 冷冻机房

2.1.1 冷冻水泵变频升级

系统目前的冷冻水泵无变频控制，其采用工频运行的冷冻水泵存在温差小、流量大的现象，因此亟需对水泵加装变频器，以实现更加准确的调节流量。本次冷冻水泵变频改造面临的首要技术难点在于如何实现新旧系统的无缝衔接与稳定运行。原工频系统已运行 10 年以上，存在电机绝缘老化、电缆性能下降等问题，直接加装变频器可能会有绝缘击穿风险。改造过程中采取分级防护措施：首先对全部电机进行绝缘耐压测试，对不符合变频运行要求的 6 台电机绕组进行重新浸漆处理；其次在变频器输出端加装滤波器和正弦波滤波器，将输出电压谐波畸变率控制在 3% 以内。变频改造后会造成管网压力波动的水力系统平衡问题。为此，系统中增加”压力 - 流量双变量”控制算法，通过实时监测最不利环路的压差变化，动态调整水泵转速，确保系统各末端水力工况稳定。为了避免出现的共振问题，在控制程序中应设置频率跳跃功能，成功避开了 45-48Hz 的机械共振区间。

通过分析三年历史运行数据，建立不同季节、不同时段的负荷预测模型；在控制系统中集成室外温湿度补偿算法，提前 30 分钟预判负荷变化趋势。台水泵并联运行中，为了避免出现协调控制难的问题，系统采用 " 等效率分配 " 原则，开发了智能轮换控制程序，既保证设备均衡磨损，又使机组始终工作在最佳效率区间。在调试阶段发现，简单的温差控制会导致水泵频繁启停，为此专门设计了 " 动态死区 "控制算法，根据负荷变化率自动调节控制灵敏度。为解决改造后系统能效的持续优化问题，项目还部署了云端能效分析平台，通过大数据分析不断优化运行参数，使系统能效在改造后三个月内又提升了 8% 。

2.1.2 智能控制系统优化

原冷冻水系统缺乏关键能效监测设备，既无法计量系统冷量产出，也无法独立监测水泵、冷却塔等设备的实时能耗，导致能效管理长期处于" 盲调" 状态。商场管路系统老旧，传统流量计安装需要停水焊接，影响商场正常运营。因此，在确保不停产的前提下，首先采用超声波时差法流量计，通过专用夹具实现管外安装，解决了传统焊接式流量计必须停水的要求；其次利用带压开孔技术，在系统维持 0.6MPa 运行压力下完成压力传感器安装，单点施工时间压缩至 2 小时内；在材料的选择上，选用高分子密封材料，解决老旧管道表面不平整导致的传感器无法耦合的问题。这些技术使整个改造期间商场空调系统保持正常运行，避免日均 300 万元的营业损失。特别在主管道改造中，通过预制的三通旁路装置，实现流量计安装无需停水。

本次改造构建了完整的能效监测物联网架构：在设备层，为每台冷机、水泵加装流量计（计算冷量），在关键管段安装压力传感器（计算水泵效能），在水泵，冷却塔，冷机加装智能电表，并接入能耗系统；在传输层，采用工业级边缘计算网关，实现分钟级数据采集；在应用层，开发具备机器学习能力的能效分析平台。改造后系统可实时显示冷机COP 值、水泵效率曲线等10 项关键指标，自动生成能效对标报告。实测表明，冷量计量误差控制在 2.8% 以内，设备能耗监测完整率达100% ，为后续节能改造提供了有效数据支持。

2.2 机房自控

2.2.1BA 系统

原冷水机组群控系统功能只做了一半，仅实现部分基础控制，缺乏自动启停功能、运行策略优化及全自动运行能力。为实现 BA 系统的升级改造，本工程的方案如下：首先基于 BACnet 协议重构智能群控系统架构，深度整合现场既有设备数据，将现场原有数据纳入其中，通过对历史能耗分析，择优逻辑；其次开发多协议通讯网关，实现与原有 BA 系统的无缝对接，有效修复原自控系统；最后采用模块化物联网控制单元和无线传感网络，构建免调试、易扩展的能耗 & 传感数据采集体系。通过机器学习算法对历史能耗数据进行深度挖掘，建立机组最优启停策略和负载分配模型。

2.2.2IoT 平台

原冷热源系统长期存在无法计算能耗的问题，本次改造设计了全方位的数字化升级工程。原系统包含 15 年间不同厂商生产的设备，通信协议繁杂多样，既有 Modbus RTU、BACnet MS/TP 等工业标准协议，又存在各厂商私有协议，且部分老旧设备仅支持 9.6kbps 低速串行通信。同时，商场 24 小时不间断运行的特性要求数据采集必须满足 15秒级刷新频率，而不同协议的传输延迟差异导致数据时间戳难以对齐，严重影响能效分析的准确性。本次升级中使用了多协议自适应网关，通过动态加载协议解析模块实现 200ms 以内的稳定采集延迟。设置时钟协议，利用硬件级时间戳校正将多源数据时间偏差控制在 10ms 以内。在边缘侧构建带时间窗口的数据缓冲区，通过预采集与动态补偿机制确保数据流的连续性。这一系列技术创新不仅成功实现了 5 类协议、32 台异构设备的无缝接入，更将数据采集完整率提升至 99.99% ，为后续智能调控奠定了坚实的数据基础。

依托海量运行数据，优化后开通远程云端登陆界面，实时能耗数据，历史数据，能耗分析一目了然，如图 1 所示。调试过程中，为保证系统稳步运行，系统分三个环节进行升级：第一环节通过半年的数据积累，建立包含室外温湿度、客流指数、电价时段等 8 项特征的负荷预测模型，经实际验证预测准确率达 92% ；第二环节在保证舒适度的前提下，设计多目标优化算法，自动择优选择设备开机策略，如在室外温度 28°C ，湿度 60% 的条件下优先启动2 号水冷螺杆式冷水机组，负荷率达到 50-70% 时自动切换至变频模式；第三环节实现闭环自优化，系统每周自动分析运行偏差，动态调整各项控制参数。改造后系统可以满足负荷预测自动滚动更新、设备组合实时优化推荐、运行参数智能整定、主动能效异常预警的智能化需求。

2.2.3 锅炉自控系统

锅炉在制冷季的能耗占比很大，高于整个建筑能耗的 15% ，因此本项目设计安装调试了锅炉自控系统，并成功实现与楼宇 BA 系统及商场 IoT 平台的深度集成，构建了智能化的供热管理体系。系统采用PLC/DDC 控制技术，可根据实时热负荷需求自动优化锅炉燃烧效率，实现精准供热；通过 Modbus、BACnet 等标准协议与楼宇 BA 系统进行对接，支持远程监控和智能联动；同时将运行数据实时上传至 IoT平台，为能源大数据分析提供可靠依据。改造后系统可实时监测水温、压力、燃气消耗等关键参数，自动生成能效分析报告，并通过历史数据趋势分析实现预测性维护。经测算，该智能化改造可降低燃气能耗10%-20% ，人工无需频繁巡检，巡检工作量明显降低，从而升高了供热系统的运行效率和管理水平，为建筑实现了节能降碳需求。

2.3 空调系统

原空调水系统存在严重水力失调，各个支路流量偏差超过±35% ，尤其是系统末端冷热不均表现明显，最远端出现 4-6℃温差现象，因此系统能耗很高。为解决水力失调问题，本次改造采用智能化水平衡优化方案。通过加装高精度动态平衡阀（ ±2% 精度）和压力无关型压差控制器，结合变频水泵组升级，构建精准的水力调节系统，同时为实现系统动态优化，设计了末端 PID 调节、区域负荷预测及系统级水力平衡算法的三级智能调控架构。

3. 改造效果分析

通过上述一系列改造措施，主要实现了以下几点效果，一是对比近两年的能源情况，本工程构建了完整的能源监测与智能管控体系，降低了冷热源系统整体能耗，改造后系统综合能效（EER）从 3.5kW/kW 提升至 4.7kW/kW ，提升幅度达 34% ；主机 COP 值从 5.0kW/ kW 提升至 5.5kW/kW ，提升 10% ；年节电量达 10.6 万度，预计年节省电费 50 万元；二是在同类商业项目中，系统 EER 平均值 <4.0KW/ KW，COP<5.0KW/KW，本项目经节能改造，系统 EER=4.7KW/KW，COP=5.5KW/KW，远高于常规商业项目；三是建立了远程登陆界面及手机 app 登陆界面。历史能耗数据，及能耗分析一目了然；四是满足了所有接入点位均可通过设备上的 485 口以 bacnet 协议接入商场 IOT系统，方便统筹管理；五是通过BA 接口把原本已就安装的末端温度，湿度数据纳入到能耗平台，方便监控二次侧实际体感效果；最后是锅炉通过协议接入能耗系统，实现一键开启。

4. 结论

通过对现有商场冷热源系统实施节能工程改造，项目成功实现了以下综合效益：1）系统可依据末端负荷需求实现全自动智能化运行，显著提升了能源利用效率；2）依托完善的数据采集系统，完整记录设备运行历史数据，为能效分析提供数据支撑；3）通过能源监测平台实时记录各设备能耗数据及运行参数，实现用能可视化；4）自动生成运行日志，详细记载系统设备运行时长等关键信息。利用技术的改进能源系统，不仅降低了物业管理人员的运维负担，而且更通过精细化能源管理实现了显著的经济效益，具有突出的节能环保价值和经济效益。

参考文献

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作者简介：王浡谕（1992-），女，汉，上海，旖芸建筑科技（ 上海）有限公司，中级工程师，硕士研究生，研究方向为建筑机电工程