办公建筑空调单级泵水系统节能技术改造的实践与分析

2013-09-13陈榕

制冷 2013年1期

陈榕

(中国人民银行福州中心支行,福建福州350003)

办公建筑中空调系统的能耗占建筑总能耗的比例可高达50%～60%,因此,降低空调系统能耗是建筑节能的关键。在空调系统的总能耗中,水系统(包括冷冻水系统和冷却水系统)的能耗占30%～40%。水系统耗电设备 (冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等)的容量是按最大设计热负荷选定的,但空调在实际运行中绝大部分时间都是处于部分负荷运行,且负荷率在50%以下的运行时间占一半以上,而冷冻水泵和冷却水泵全速运行,造成了能量的大量浪费。因此,空调水系统的节能是既有办公建筑空调节能改造的重点。

空调水系统节能的常用方法有机、泵台数控制和变频控制,变频调速不改变管路特性,而靠移动水泵工作点使之沿管路特性曲线移动,保持水泵在最高效率点运行,因而可以达到最大的节能效果。目前,变频调速在二级泵水系统中应用比较成熟,但由于二级泵水系统存在系统复杂、初投资大、自控要求高、机房占地面积大等缺点,使得二级泵水系统在工程中应用并不多,一般只应用于大型、多功能建筑 (如展览馆)中,在办公建筑中应用很少。目前,在既有建筑中广为应用最广的是单级泵水系统,因此,研究变频技术用于单级泵水系统有重要的现实意义。

变频调速用于单级泵水系统时,冷冻水流量的下降可能影响到冷水机组的正常运行甚至可能出现蒸发器结冰胀裂事故。因此,一般认为,对于蒸汽压缩式制冷,变频调速不适用于单级泵系统,只能用于负荷侧循环泵[1]。随着压缩机技术及控制技术的发展,目前各类冷水机组大都能够根据空调负荷的变化实现冷量的自动调节,如离心式冷水机组通过调节进口导叶以改变吸入的气体量,使制冷量在15%～100%之间作无级调节;螺杆式冷水机组通过滑阀的轴向移动改变螺杆有效长度,从而改变吸入的气体量,使制冷量在10%～100%间连续可调。相应地,这些冷水机组允许冷冻水流量在一定范围内变化,如Dunham-Bush公司的WCFX型螺杆式冷水机组允许冷冻水流量在+10%～-50%范围内变化。因此,单级泵冷冻水系统是可以采用变频控制的,已有的理论分析和实践也证明了这一点[2,3]。

单级泵水系统的变频改造不但会改变机、泵的运行特性,同时也会对冷源和末端设备的运行产生影响,该领域无论在理论上还是在实践上都有待深入研究。本文介绍了某办公建筑空调单级泵水系统变频改造的实践及其节能效果。

1 空调系统简介

1.1 建筑基本信息

该建筑是一幢位于福州市的办公建筑,于1993年竣工并投入使用。该建筑为东西朝向的高层现浇钢筋混凝土框架—筒体结构建筑,总高度约为58 m,标准层层高3.5 m。主楼地上16层,地下1层,附楼三层。总建筑面积为19 700m2(地上建筑面积17 315m2,地下建筑2 385 m2),空调面积为13 292 m2。地下室为车库、设备房等。附楼一层为设备房及营业柜台等,二、三层均为会议室。主楼一层为值班室、会议室和监控室,二层为计算机房,三层为至十六层为办公室。

1.2 空调系统简介

该建筑空调的办公室、会议室等场所均采用风机盘管加新风机的形式,大楼主楼一层大厅及附楼大厅采用低速全空气系统。冷源采用两台顿汉布什WCX480B型螺杆式冷水机组,每层设置一台新风机组。每台主机各配冷冻水泵 1台、冷却水泵 2台、冷却塔1组 (四台冷却塔)。大楼主楼空调系统的送回风方式均为上送上回方式。空调系统主要设备的详细资料见表1。

表1 空调系统主要设备表

该建筑空调的冷冻水采用单级泵变流量系统,冷冻水泵定流量运行,末端的供冷量通过两通阀改变开度控制冷冻水流量来调节,以适应负荷的变化。末端冷冻水流量的改变将导致供回水压差的变化,根据供、回水压差控制旁通阀的开度,调节旁通流量,实现负荷侧变流量运行。在部分负荷下,末端所需的冷冻水流量减小,而冷冻水泵的流量不变,导致能量浪费。

2 空调水系统节能潜力分析

2.1 水泵变流量的节能潜力

对该办公建筑在空调季 (5月1日至10月15日)期间进行建筑冷负荷模拟计算,得到该办公建筑空调季的冷负荷时间频数统计如图1所示。由图1可知,该办公建筑冷负荷主要分布在500～1500 kW的范围内,在该冷量范围内的时间占空调系统开启总时间的86%。建筑冷负荷大于1800 kW的时间频数为7小时,只占空调系统开启总时间的0.64%,而空调系统按最大冷负荷设计、选型,因此,该建筑空调的冷冻水泵、冷却水泵定速运行,必然产生大的能量浪费,节能潜力较大。

图1 各冷负荷段时间频数的计算结果

表2 一天内冷水机组启动的压缩机数量统计表 (单位:台)

2.2 机组容量设计裕量过大

对该办公建筑在空调季 (5月1日至10月15日)期间进行建筑冷负荷模拟计算,可得出的逐时冷负荷及整个空调季累计冷负荷值。模拟计算结果如下:空调季累计冷负荷值为1.2143×106kW·h,最大冷负荷为1904.3 kW。两台冷水机组的额定总制冷量为2×424×3.517=2982.4 kW。冷水机组的设计制冷量是建筑最大冷负荷的1.57倍,相当于在按最大冷负荷设计的基础上,还增加了57%的裕量!冷水机组的容量过大,则配套的冷冻水泵、冷却水泵等的额定流量都偏大。因此,与通常在按最大冷负荷设计的基础上增加10%～20%裕量的机组相比,该建筑空调水系统变频改造的节能潜力更大。

2.3 运行控制策略的节能潜力

该建筑空调的两台冷水机组属多压缩机冷水机组,每台机组含有三台独立的螺杆压缩机。在开启一台机组就能满足冷负荷要求的工况下,两台机组采用每天交替运行的策略,既可节电,也有利于延长机组寿命。然而,查阅该空调运行记录发现,该机组的实际运行方式不利于节能。表2为该机组在空调季的某一天运行时启动的压缩机数目的统计结果。由表2可知,在12∶00～17∶00期间,2#机组启动了2个机头、1#机组启动了1个机头且为部分负荷运行。从12∶00～17∶00期间机组运行总功耗看,只要开2#机组的三台压缩机就完全能满足用户冷负荷要求。由于冷冻水泵和冷却水泵随冷水机组连锁启停,因此,在12∶00～17∶00期间1#机组的冷冻水泵和冷却水泵的电耗就浪费掉了。合理的机组启动策略是:只有当一台机组不能满足用户冷负荷要求时才开启第二台机组。这一启动策略对水系统变频改造后依然适用,因为冷水机组对冷冻水流量的降低是有下限要求的。

3 水系统变频改造方案

3.1 变频器数量的确定

该办公建筑空调的水系统的耗电设备共有2台冷冻水泵、4台冷却水泵、8台冷却塔风机。变频器数量的搭配有多种方式,若仅从节能角度考虑,需要为每台机、泵配置一台变频器,但这将增加投资。针对该建筑空调水系统的机、泵功率大小及运行情况,综合考虑投资、节能效益、系统复杂程度、控制及维护管理等各方面因素,经方案比较确定变频器数量如下:2台冷冻水泵各配一台变频器;每台冷水机组的2台冷却水泵配1台变频器;每台冷水机组配置了4个冷却塔,由于冷却塔风机功率较小,因此,每台冷水机组的4个冷却塔配一台变频器。水系统流程及变频器的配置如图2所示。图2中各变频器 (VHF)的功率满足各被控机、泵的要求。

图2 水系统流程及变频器的配置框图

3.2 变频控制方案

冷冻水泵的运转由冷冻水供、回水温差控制,同时要满足冷水机组最小冷冻水流量的要求。冷却水泵的运转根据冷却水回水温度控制。冷却塔风机的运转根据冷却塔进、出口水温来控制,使冷却塔和冷却水泵及制冷机组的运行相协调,同时,保留冷却塔风机原有的控制方式作为备用。变频控制系统与原有启动控制系统构成冗余备用控制系统,实现工频和变频运行方式的切换。

实际运行表明,上述变频控制方案是可行的,既能保证冷水机组长期正常运行,又获得了可观的节能效益。

4 变频改造节能效果的测试与分析

4.1 节能效果测试方案

在空调季,根据天气预报并参考历年天气数据,选择天气稳定的四天,按一天工频、一天变频交替运行,对空调系统一天的运行能耗进行测试。四天测量完毕,找出天气最接近的两天 (其中一天为工频运行,另一天为变频运行)进行对比性分析。测试期间,每天的开、关机时间、主机启动和运行方案、冷冻水泵开启台数均保持相同。

冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔风机的耗电量用电表分项计量。为了研究水泵变流量运行对冷水机组和末端设备的影响,需要测量末端设备的电耗、冷水机组供回水温度及冷冻水流量。其中,末端设备 (包括风机盘管、空调箱和新风机)的电耗通过钳形电表测量各设备的电压值、电流值及功率因数后计算得到。冷冻水流量采用超声波液体流量计测量,冷冻水供、回水温度用热电偶温度计在供、回水管上测量。

4.2 水系统变频改造的节能效果

用于对比的工频运行日和变频运行日的天气非常接近,空调的日平均负荷率均为50%左右。冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔风机在工频运行日和变频运行日的耗电量测试结果如图3所示。测试结果表明,单级泵水系统变频改造的节能效果明显:冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔风机的节电率依次为53.3%、54.2%、39.2%,整个水输送系统的节电率达48.8%,变频节能改造使整个空调系统的能耗下降18.2%。

图4为水系统工频运行日和变频运行日冷水机组冷冻水供、回水温差的测试结果。由图4可知,变频日的逐时冷冻水供、回水温差基本上都比工频日大,使工频运行时的 “大流量小温差”得到改善,从而使冷冻水泵的电耗降低。按照《公共建筑节能设计标准》 (GB 50189-2005)的要求,冷水供、回水温差不应小于5℃,而图4表明,变频日冷冻水供、回水温差均未达到5℃,只有2.4℃～3.6℃,其主要原因是单级泵水系统的冷冻水流量不能小于冷水机组允许的最小流量值。因此,对于单级泵水系统,不能单纯以冷冻水供、回水温差均作为变频器的控制目标,应同时兼顾冷水机组的运行要求。

图3 工频和变频运行的日耗电量测试结果

图4 冷水机组冷冻水供、回水温差测试结果

4.3 变频对冷水机组和末端能效的影响

图5、图6分别给出了变频运行对冷水机组和末端能效影响的实测结果,两图中图例标示的离散数据点为测量值,曲线为将实测数据按多项式拟合得到的趋势线。由图5、图6可以看出,水系统变频运行使冷水机组COP值和末端能效比均下降。其原因是空调工作于部分负荷下,在变频器的控制下冷冻水泵转速降低、流量减小,使得流经蒸发器和末端设备的冷冻水量减少,流速降低,则蒸发器和末端散冷设备的传热系数降低,从而使冷水机组的COP值和末端能效比下降。因此,空调单级泵水系统变频改造的节能效果评价中,不能只考虑机、泵产生的节能量,还应计及因变频运行使冷水机组和末端运行能效下降造成的能耗增加量。