广州市某大型商场空调系统运行性能分析

何业龙

(广东省海洋工程职业技术学校,广州510320)

1 前 言

随着科技的发展和人们对室内空气品质和环境要求的提高,建筑物及其空调系统的能耗问题也日益显现出来。在发达国家,建筑能耗占总能源消耗的30%～40%,是能耗的最大部分;据统计,目前我国建筑能耗已占全国总能耗的20%左右[1],成为总能耗的重要组成部分,预计到2020年,民用和商业用能耗将分别占到全国总能耗的23.2%和28.6%,而这部分能源利用率却很低,只有30%左右。我国大型公共建筑单位面积耗电量约为住宅建筑的5～13倍,普通公共建筑的3～7倍[1],存在较大的节能潜力。广州市地属夏热冬暖地区,能源供应主要以电力为主,广州地区公共建筑 (特别是大型商场、高档旅馆饭店、高档办公楼等)的全年能耗中,空调系统用电约占50%～60%[1],空调负荷高峰期,其用电量已经超过4500万kWh,相当于2.5倍三峡电站满负荷的发电量[2],因此,对于有高耗能需求的现代化城市,提高能源利用效率、降低建筑使用能耗、实施经济和社会的可持续发展,建筑节能势在必行。

2 广州市大型商场建筑能耗特点

随着社会的发展,第三产业不断增加的情况下,商场建筑的兴起,是现代经济发展的必然产物,是城市发展进程中不可或缺的一部分。商场建筑是与当代大众生活关系最密切的公共建筑之一。在我国市场化程度越来越高的情况下,其从数量、规模上都有着很大的拓展空间。大型商场建筑的服务内容和功能结构已选远超出了常见的商场建筑类型范畴。商业建筑在以商业购物为基本功能的基础上,加入餐饮、文化娱乐、休闲,甚至是旅馆、公寓、办公等内容,它们之间相互协调、融合,从而整合出新的建筑形式——商业综合体,其内容的多元化、复杂化,产生了形态的多样化,形成方便的、受欢迎的购物环境,从而吸引大量顾客。

笔者通过查阅广州地区7栋大型商场建筑能耗资料[3],包括商场建筑基本情况、商场建筑年耗电量、逐月耗电量和空调系统分项能耗,看出大型商场建筑能耗水平和能耗构成特点,其中蕴含巨大的节能潜力。

广州市大型商场建筑作为集多种功能于一体的综合性建筑,由于其功能复杂多样,且同一建筑中常常有销售、出租和自持等多种物业管理方式,因此,其能耗构成更为复杂,如图1,即为广州某大型商业综合体的能耗调查结果。

图1 某商场设备分项耗电量及比例 (kWh/m2·a)

图2 典型商场2010年全年耗电量分布图

从图2中我们可以看出由于夏季空调系统的使用,该建筑耗电量在6、7、8月较高,在1、2月较低,最小的耗电量出现在2月,最大耗电量出现在8月份,而且通风空调能耗的变化直接影响了总能耗的变化,这二者的变化在数值上是基本一致的,在趋势上是完全一样的,可见照明、设备等电耗是全年基本稳定的,通风空调的耗电量的增加直接导致了总耗电量的增加。

空调系统能耗在商场能耗中占有很大的比例,节能潜力大,研究其能耗构成,对商场空调系统节能研究意义重大。从图3可以看出:空调系统能耗中,空调冷水机组能耗所占的比例最大,高达51%,其次是风柜机,为26%,冷冻水泵和冷却水泵分别占12%和9%,冷却塔只有2%。

资料调查中了解到广州市一些商场的空调设备从3月开启运行到12月[3]。并且,这类建筑多采用大型的全空气系统空调方式。全空气系统,尤其是许多商场所采用的定风量式全空气系统,其风机电耗远高于风机盘管空调系统的水泵电耗。这样,运行时间长和风机耗电高导致大型商场单位建筑面积的电耗指标在大型公共建筑中最高[4]。

图3 某商场空调能耗构成

3 广州市某大型商场空调概况

3.1 建筑基本情况

该商场是目前广东省营业面积最大的集购物、美食、娱乐、休闲、服务于一体的现代大型购物中心。该商场是座 “三位一体”的建筑—— 由购物中心)、写字楼 (东塔)、公寓式酒店 (西塔)组成,购物中心建筑面积16万m2,营业面积10万m2。地上7层,地下3层,北面露天广场面积3000多m2。写字楼总建筑面积10.3万m2,主体总高度195m。层数45层,标准层层高4.05米。5～45层为办公楼层,每层建筑面积约2270m2。第四、十九、三十三层为避难层。

大厦外墙充分体现环保概念,由节能型Low-E镀膜中空双层的环保玻璃构成,配合横纵交织的喷涂铝条框架,塑造流畅、简洁、明亮的外观效果,有效地减少室外光污染。

3.2 商场空调设备概况

该商场中央空调系统总体设计冷量为31680kW(9000冷吨)(1冷吨≈3.52kW),由美国开利公司制造的4台2000冷吨离心冷水机组和1台1000冷吨离心式冷水机组组成,配套设备有5台250kW冷却水泵、5台132kW冷冻水泵、4台110kW写字楼二次水泵、8台90kW裙楼二次水泵、3台55kW酒店二次水泵、16台15kW和16台7.5kW冷却塔(分为4组),已开通使用风机239台,风柜122台,风机盘管275台,负责天河城广场和45层甲级写字楼 (每层2270m2)的供冷以及由240台微机构成的美国Andover公司空调自控系统所组成。

当运行一台 (2000RT)冷水机时,运行一组冷却水塔 (共4台15kW,4台7.5kW),1台250kW冷却水泵,两台90kW的裙楼二次泵 (东区、西区各一台)以及1台110kW写字楼泵。

当运行一台 (1000RT)冷水机组时,运行一组冷却水塔 (共4台15kW,4台7.5kW),1台 75kW冷却水泵,两台90kW的裙楼二次泵 (东区、西区各一台)以及1台110kW写字楼泵。

空调系统每年3～12月份运行,1-2月份季节性停机保养。每日开机时间为9∶30-22∶00,1号、2号、3号、4号冷水机组独立或联合运行。

4 商场空调运行性能分析

为掌握中央空调系统冷水机组运行特点和规律,现以1#离心冷水机组的主要运行数据 (包括压缩机功耗、负载率、蒸发温度、冷凝温度)进行分析研究。

4.1 冷水机组运行分析

4.1.1 负载率分析

负载率的高低影响离心冷水机组的性能系数,而性能系数是衡量机组是否节能的主要指标[31]。

图4 1#离心冷水机组负载率频数分布图

由图4可以看出,在2010年6-8月期间,1#离心冷水机组负载率在65%以上的时间频数累计占96.46%。这主要是涉及冷水机组群控策略问题。根据工程部反映,1#冷水机组是主力机组,当有冷量需求时,将优先投入运行,直至一台机组无法满足负荷需求,再启动2#冷水机组补充制冷,所以1#冷水机组基本处于高负载率下运行。

4.1.2 冷凝温度运行数据分析

通常,离心式冷水机组具有COP高、单机容量大、工作可靠等特点,且导叶阀可实现15%-100%范围内的能量无级调节。根据我国JV/T7666-1995标准的规定,蒸发温度为5℃,较冷媒水出水温度低2～4℃;冷凝温度为35℃,水冷式机组的冷凝温度一般要高于冷却水出水1～2℃温度。

从图5可以看出,1#机组冷凝温度在33～38℃之间变化,平均温度为36.017℃,在2009年6-8月期间,1#离心冷水机组的冷凝温度大部分时间在38℃以下,主要集中在35～38℃之间,少数时间低于35℃。

图5 1#冷凝温度的时域变化

在相同工况条件下,随着冷凝温度的降低,冷水机组单位制冷量有所增加,理论比功减少。由于性能系数与单位制冷量成正比,而与理论比功成反比,在单位制冷量增大和理论比功减少的情况下,冷水机组性能系数将会有大幅提升。但是,并不是说冷凝温度越低越好,在实际运行中,如果冷凝温度过低,必然要求冷却水温度降低,这样可能会使制冷剂流经过冷凝器后过冷度太大,最终影响到压缩机的正常运行。而且,冷凝温度的降低必须以增加冷却塔能耗为代价 (包括风机、水泵能耗和水量损失),所以,冷凝温度不宜过低。由此可见,1#离心冷水机组的运行还是比较合理和节能的。

4.1.3 蒸发温度运行数据分析

图6 1#离心冷水机组的蒸发温度变化

根据热力学分析可知,蒸发温度的降低将导致COP值的降低,且冷凝温度和蒸发温度越接近,COP值也就会越高,即只需要用很少的功就可以把较多的热量从低温热源转移到高温热源。

总体上来说,1#离心冷水机组的蒸发温度多数时间运行在 5～8℃之间运行,但是,也有部分时间蒸发温度运行在5℃以下和8℃以上。1#离心冷水机组93%的时间运行在5℃以上,所以,冷水机组的运行还是合理和节能的。

4.2 冷却水系统运行分析

商场空调冷却水系统采用定流量系统,即进、出冷凝器的水流量基本保持不变。该冷却水系统未设置流量调节机构,可知进出冷却塔的水量也保持不变。冷水机组按照我国JV/T7666一1995标准的规定设计,即按最大冷负荷和5℃的供回水温差来确定。

4.2.1 冷却水进出水温差

1#离心冷水机组冷凝器大部分时间运行在5℃,占97.8%,可以认为,运行规律基本跟随冷水流量和进出水温差变化。

4.2.2 冷却塔耗水量分析

由图8可知,该商场中央空调系统,冷却水系统耗水量 1、2、12月最少,在1000m3以下,7、8、9月耗水量最多,均超过5000m3,全年呈现中间高两端低的趋势。这主要是受环境温度和湿度的影响,在广州地区,夏季天气炎热干燥,而且夏天是空调负荷高峰,机组负荷率高,所以,空调冷却水耗水量增加,这与上面的分析相吻合。

4.3 冷冻水系统运行分析

冷冻水进出水温差分析:

图9反映的是1#离心冷水机组蒸发器进出水温差变化规律。从图中可以看到,1#离心冷水机组蒸发器进出水温差大部分时间集中在4～6℃之间运行,平均温差5.01℃。总体上来说,1#离心冷水机组的运行在这方面较理想,但还有进一步改善的空间。

图9 1#离心冷水机组蒸发器进出水温差变化

5 结论

通过以上分析,总体上说,该空调系统运转良好,但存在冷冻水系统大温差小流量现象,运行控制与管理调节存在诸多不到位的地方、自然能源利用率低,多数商场不能实现全新风等问题,导致较大的能量浪费。因此采取相应的节能措施,降低能耗有很大的空间。

(1)控制和正确使用室外新风量

新风负荷占建筑物总负荷的20%～30%,控制和正确使用新风量是空调系统最有效的节能措施之一。因此在满足卫生条件下,合理的利用新风对建筑节能很重要。如在冬夏季尽量减少新风量,而在过渡季节,尽量较多采用新风甚至采用全新风在适当时间对室内空气进行预冷或预热。

(2)回收冷量

调查中发现排风温度较低,如果把冷量就此排走会损失冷量,增加系统能耗,因此可采用热回收交换设备使新风在被处理前与排气进行热交换,新风温度便有所降低,可减少新风机组的负荷,降低能耗。

(3)增加自控装置

由于该商场建于1992年,自动控制系统相对老化、不足,因此对自控系统进行改进,也可以节约大量能源。例如在组合式空调机组的回风总管和新风机组送风总管上分设温度传感器,也就是使过滤后的混风温度保持在新风温度与回风温度的某一加权平均值,其所测风温与设定值比较后输出电信号,调整回水管比例积分电动调节阀的开度,调节水流量,保证回风温度在设定的波动范围内。

(4)应用一次泵变流量技术

一般来说,空调水系统的设计流量是在最大负荷下确定的,水泵扬程则是据最不利环路的水阻力乘以安全系数确定的,由于目前设计多采用估算法,同时还考虑一定的安全系数,再加上冷量的富余,水泵的设计选型明显偏大[5]。因此通过增设变频器将现存的定流量水系统改造成变量水系统是一个简单可行的节能办法。

[1]江亿.我国建筑耗能状况及其有效的节能途径[J].暖通空调,2005,35(5):30-40

[2]薛志峰.既有公共建筑节能诊断与改造[M].北京:中国建筑工业出版社,2007,9

[3]唐辉强,任俊,龙恩深,等.广州地区商业类建筑能耗调查与节能潜力分析.全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集[A],2008

[4]江亿等.中国建筑节能年度发展研究报告2007[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:3-60

[5]William Ryan,Ph.D.P.e.Driving Absorption Chillers Using Heat Recovery[J].ASHRAEJournal.Septemver 2004:531-538