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空调系统为高校主楼的能耗重点，利用空调系统节能运行的基本理论，根据空调系统检测或监测数据进行理论计算和节能分析，找出空调设备运行效率的影响因素，并对这些因素进行分析，根据存在的问题提出节能改造的措施或优化的运行方案，是主楼节能运行的关键技术。因此，空调系统的节能诊断直接决定利用合同能源管理实施节能改造和优化运行管理的具体实施内容。
空调系统节能诊断的原理是通过对空调系统进行能源审计，找出空调系统的不合理耗能，通过减少不合理耗能达到节能的目的。节能诊断过程中应遵循平衡原理，主要包括电耗、水量、冷/热量和风量平衡。
空调系统能效是建筑空调系统是否节能运行效率的重要指标，空调系统能效与建筑类型的关系不显著。主教学楼空调系统在夏季供冷时通常只开启离心式冷水机组。离心式冷水机组的重要运行特性在于其性能系数与机组负荷率紧密相关，通常，离心式冷水机组COP随着负荷率增大呈升高趋势。下面通过2010年8月主教学楼的空调系统运行情况对离心式冷水机组COP进行诊断。节能诊断过程中需要检测的参数包括空气温湿度、设备输入功率、水流量、水温、水压、风量及风压等。
统计2010年8月主教学楼空调系统能耗监控数据，得到室外平均温度和离心式冷水机组负荷率变化规律如图2.16所示。
图2.16 机组负荷率与室外平均温度变化规律
由图2.16可知，2010年8月，主教学楼空调系统机组负荷率变化趋势与室外平均温度变化趋势基本一致。室外平均温度在21~35 ℃变化，主教学楼离心式机组负荷率在31%~70%波动，均值为50.6%。统计逐日离心式机组负荷率，发现除开机时段外，每日稳定运行工况的机组负荷率基本上低于80%，导致离心式冷水机组难以发挥其性能优势。
统计2010年8月离心式冷水机组逐日运行参数，得到离心式冷水机组COP和负荷率的变化规律如图2.17所示。
由图2.17可知，2010年8月，离心式冷水机组COP在2.2~4.7波动，离心式冷水机组COP与负荷率呈现相同的变化趋势，随负荷率的增大而升高。根据《公共建筑节能改造技术规范》（ JGJ 176—2009）的要求，额定制冷量大于1 163kW时离心式冷水机组COP限值应不低于4.2。因此，离心式冷水机组COP在绝大多数时间都没有达到要求，这是8月主教学楼空调系统基本在部分负荷条件下运行造成的。
图2.17 离心式冷水机组COP与负荷率的变化规律
统计2010年夏季主教学楼空调系统运行监测数据，提取不同负荷率条件下的机组运行参数，分析离心式冷水机组COP与负荷率的对应关系。当离心式冷水机组负荷率为30%~80%时，离心式冷水机组COP负荷率的关系如图2.18—图2.22所示。
图2.18 离心式冷水机组COP与30%~40%负荷率的关系
图2.19 离心式冷水机组COP与40%~50%负荷率的关系
图2.20 离心式冷水机组COP与50%~60%负荷率的关系
图2.21 离心式冷水机组COP与60%~70%负荷率的关系
图2.22 离心式冷水机组COP与70%~80%负荷率的关系
由图2.22可知，随着负荷率的增加，离心式冷水机组COP呈上升趋势。在不同负荷率区段，离心式冷水机组COP增量不同。其中，负荷率为40%~50%和60%~70%区段时，离心式冷水机组COP的增量最大，达到1.2，其他负荷率区段次之。
统计2010年8月离心式冷水机组逐日运行参数，得到机组冷冻水供回水温差和室外平均气温变化规律，如图2.23所示。
图2.23 冷冻水供回水温差和室外平均温度变化规律
由图2.23可知，离心式机组冷冻水供回水温差与室外平均气温保持一致的变化趋势，基本维持在2.5~5 ℃。主教学楼空调冷水系统设计温差为7 ℃，因此，冷水系统存在“大流量、小温差”现象。因此，应该考虑对冷水系统实行变频控制，以降低水系统流量，达到空调系统节能运行的目的。
统计2010年8月离心式冷水机组逐日运行参数，得到离心式冷水机组冷却水供回水温差和室外平均温度变化规律，如图2.24所示。
图2.24 冷却水供回水温差和室外平均温度变化规律
由图2.24可知，离心式冷水机组冷却水温差与室外平均温度保持一致的变化趋势，基本保持在3~5 ℃。由于空调系统处于部分负荷条件下，冷却水系统定流量运行，因此冷却水供回水温差偏低。由于冷却水泵与冷水机组、冷却塔三者能耗存在耦合情况，因此，应该分析冷却水系统变频控制的节能性，以判定该系统是否可以通过冷却水泵变频控制达到空调系统节能运行的目的。
统计2010年8月空调系统冷冻水逐日运行参数，得到冷冻水输配系数，如图2.25所示。
由图2.25可知，冷冻水输配系数基本大于输配系数限值，仅有4天低于冷冻水输配系数限值，说明冷冻水泵运行工况较好。冷水系统输送性能较好是由于离心式冷水机组负荷率较低，冷水系统输送给末端冷量较大；同时冷冻水泵变频导致水泵能耗骤降造成输配系数增大。
图2.25 冷冻水输配系数变化规律
统计2010年8月空调系统冷却水侧逐日运行参数，得到冷却水输配系数，如图2.26所示。
图2.26 冷却水输配系数变化规律
由图2.26可知，冷却水输配系数基本大于输配系数限值，说明冷却水泵运行工况较好。冷却水输配性能较好也是由于离心式冷水机组负荷率较低，冷却水换热量较大。2010年8月下旬存在冷却水输配系数低于限值的现象则是室外气象参数变化导致冷却侧换热量减小造成的。
通过对主教学楼节能进行诊断，发现每日稳定运行工况的离心式冷水机组处于部分负荷运行状态，导致离心式冷水机组难以发挥其性能优势；冷冻水泵、冷却水泵运行工况均较好，这是离心式冷水机组负荷率较低，空调水系统输送给末端冷量较大造成的。因此，高校主楼相对于其他类型公共建筑来说，更具有变流量节能运行的潜力。
节能改造前，2009年7月28日对主教学楼空调系统进行能效测试，室外空气平均温度为24 ℃。主教学楼空调系统在夏季供冷时通常只开启离心式冷水机组，空调系统测试运行工况为1台离心式冷水机组、2台冷冻水泵、2台冷却水泵和4台冷却塔，28日连续4.5 h稳定运行的冷源系统能效测试数据如表2.6所示。
表2.6 2009年7月28日稳定运行的冷源系统能效测试数据
由表2.6可知，冷水系统分水器供水平均温度高达9.9 ℃，较设定值高2.9 ℃，这是因为未开启的离心式冷水机组进水侧电动阀常年保持开启状态，使得部分冷冻水旁通，冷水温度升高。冷水侧供水温度偏高导致空调末端换热性能降低，使局部空调房间的送风温度高达22.8 ℃，造成室内热舒适性难以达到设计要求。
空调系统能效比仅为2.55，这是由于冷冻水侧和冷却水侧均采用“1机对2泵”的运行方式。冷水系统温差仅为2.8 ℃，在机组侧因为未关闭阀门旁通部分冷冻水，导致离心式冷水机组处于低效运行状态。冷却水系统用于平衡各台冷却塔的水力平衡阀存在堵塞，导致单台冷却水泵运行时流量偏低，系统不能正常运行，并需开启4台冷却塔进行换热，冷却塔出水温度最终略有降低。由于冷却塔未能定期清洗，因此布水不均匀，冷却塔效率降低，增加冷却塔开启台数，但是其换热能力受限，最终导致空调系统能效无法得到有效提高。
根据空调系统设备能耗，当日离心式冷水机组能耗所占比例达到58%；冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔所占比例分别为11%、21%和10%。水系统输配能耗所占比例较大，因此，空调水系统具有变频运行的节能潜力。综上，对空调系统实行节能改造和运行管理方案如下。
对冷冻水泵和冷却塔风机进行变频改造，适应部分负荷要求；对机房群控系统进行相应改造，增设相应的变频控制系统，优化机房原有的不合理自控设计，重新配置自控管理室的相应管理系统软件，从而优化现有的空调管理，提高系统的运行效率和可靠性。其中，空调系统变频改造的可行性研究为本书的主体部分。
①在裙楼异程式水系统的各水平回水管装设平衡阀，通过调试使各层水系统水力平衡，达到设计流量。
②检查并关闭存在旁通的事故旁通阀，仅在电动二通阀发生故障时打开。
③检查并修补水系统管路连接处存在的漏水点，以防水量和冷量浪费。
现场风系统检测时发现风管多处破损，存在大量冷量流失。改造过程中对损坏风管进行补修，在风管、设备和连接处进行密封处理，以减少漏风量。
①根据现场运行诊断分析结果，对运行管理人员进行培训，提示关闭未启用的冷水机组和空调机组的阀门，防止旁通现象；切断长期未使用的冷水机组和设备的电源；实现冷冻水泵、冷却水泵的运行台数与离心式冷水机组一致，冷却塔多台同时开启；开、停机时做到冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、离心式冷水机组与水系统管道电动阀门连锁控制，避免一机对多泵的运行方式。
②对运行管理人员进行培训，提示启动会议厅等房间一直未使用的变风量系统、空调系统间歇运行等综合节能方式。