成都某商业制冷站能效目标的制定与验证

冯 源



成都某商业制冷站能效目标的制定与验证

冯 源

（成都基准方中建筑设计有限公司 成都 610021）

在公共建筑能耗中，中央空调制冷站内设备的能耗占较大比重。为制冷站制定能效目标能指导制冷站节能运行。介绍了制冷站能效目标的制定方法，并结合实际项目把目标值及实测值（优化值）进行了对比，验证其准确性。并根据其实际运行情况提出该制冷站能效改善目标值。

制冷站；能效目标；验证

0 引言

据统计，公共建筑能耗占全国能源消耗总量的3.6%。其用电量为70～300kWh/m2·年，为住宅建筑用电量的10～20倍。其中大型公共建筑是普通公共建筑的4～6倍，在我国大型和特大型城市中，这类建筑的总耗电量大于当地住宅的总电耗[1-3]。中央空调系统作为能耗大户约占总能耗40%～60%（包括电、燃气及市政热源消耗），在常规公共建筑中，中央空调平均电耗至少约占30%左右，图1为典型商业建筑的电耗比例[4]，若管理不善空调电耗比例将更高。在空调设备的主要耗电设备分别为冷源设备，输配设备及末端设备。根据《公共建筑节能监测标准》的统计空调冷源设备的电耗约占总空调能耗的65%左右，加上输配系统，总能耗将达到85%以上。节约整个制冷站的能耗，使其保持高效率运行，对建筑节能非常关键。

图1 典型商业建筑电耗强度比例

从国家到各地方政府出台了多项有关绿建节能相关的法律法规及规范措施，从各个环节来规范项目设计，推广高能效产品运用及指导运维；另一方面，开发商及运营商通过多年对持有物业的使用，发现运维管理相对粗放，尤其是制冷站的能效管理不容乐观，若提升能源管理水平，能有效的降低能耗成本，在商业运营中获取更大的盈利。

对于已建成项目的制冷站，系统已设计完成，设备已采购安装到位。其运行能耗及节能潜力完全取决于后期的运维管理。目前多数制冷站都运行管理是凭借操作人员的经验。部分项目采用了机房智能群控系统[5]，其控制方式是根据检测到的水温，水压及流量来实时控制冷机组及水泵启停及变频运行，有节能效果但无参照指标，运维管理者不清楚该系统的真实能效水平如何，还有多少节能潜力。若能制定一个较为准确能效目标值，不但能让商业运营者测算出该项目的能耗成本，并能指导系统往能效目标值进行不断改进。

1 能效目标的制定

制冷站运行能效是一个综合能效指标，主要受制冷站中各主要设备（制冷机组，水泵及冷却塔）的能效及其运行匹配度有关，匹配度包括制冷量与制冷需求的匹配及系统内各设备间的匹配。所有设备中制冷机组的能效对制冷站运行能效影响最大。项目对制冷量的需求主要受到外部气候及内部灯光设备散热及客流活动变化而变化，制冷系统的制冷量，输送系统的输送量也是受项目空调制冷量需求的变化而持续的变化，制冷机和水泵的能效也会随之变化。故为制冷站制定能效目标不能简单的将站内各设备都最大能效值进行叠加测算。

为制定合理制冷站能效目标，引入两个无量纲参数作为目标能效指标[6]：

（1）制冷系统能效比（EERr）：空调系统制备的总冷量与制冷系统能耗（制冷机，冷却水泵及冷却塔）之比。

（2）冷冻水输送系数（WTFchw）：空调系统制备的总冷量与冷冻水泵（包括冷冻水系统的一级泵，二级泵等）能耗之比。

式中，为空调系统制备的总冷量，kWh；chiller、cp、chp、ct为制冷机、冷却水泵、冷冻水泵及冷却塔能耗，kWh。

制冷站能效目标的制定步骤：

（1）模型建立。基于已完成设计的建筑，输入业主（管理者/使用者）所预测的运行条件（灯光设备运行时间，客流及活动情况），建立较为准确的项目模型。

（2）模拟空调负荷。通过成熟的能耗模拟软件，准确的模拟出项目运行周期内空调负荷变化情况，得到空调冷量需求情况。

（3）冷量分段汇总。将不同时段的冷量需求进行分段汇总，得到从1～100%情况下各冷量1%～100%对应的运行时间1%～100%。工况段越多则代表对机房设备控制管理要求越精细，对应运行工况数量越多。

（4）工况匹配。根据厂家提供的制冷机，水泵，冷却塔的设备实际参数及能耗曲线，针对各工况（冷量需求）匹配最优的运行方式。在部分负荷情况下，有多种设备运行方式，通常以最少总功率的运行方式为最优，兼顾工况间的切换复杂程度及设备启停情况。

（5）分项汇总。根据模拟所得的各工况点的设备运行功率及运行时间1%～100%，得到制冷站内各设备的总电耗。

（6）计算指标。

（7）对比ASHRAE提供的制冷站能效标尺[7]，了解项目能效目标的水平。EERr≤3.5为需要改进；4.25≥EERr＞3.5为一般；5≥EERr＞4.25为良好；EERr＞5为优秀。

图2 美国暖通工程师协会制冷站能效标尺

2 实例测算

以下将测算某建成已开业运行的实际项目案例，为其制定制冷站能效目标。

项目位于成都市区，为一个大型商业综合体的一期，总建筑面积为32万平米，其中包括商业购物广场及一栋超高层写字楼。项目设一个制冷站，商业及办公合用冷源系统，采用4台2000RT高压（10kV）及2台600RT低压（380V）离心式水冷冷水机组。制冷系统采用一次泵定流量二次泵变流量系统。一次泵与主机采用集管对应设置，二次泵设3个环路，分别为办公楼、商场东区、商场西区，每套系统分别设4台变频泵（3用1备）。系统图参见图3，制冷站主要设备参见表1。

图3 制冷站系统图

由于商业有较大内区需要全年制冷，模拟中制冷机全年运行，商业夏季5～10月每天运行时间12小时，过渡季节3，4，11月每天运行4小时，冬季1，2，12月每天运行2小时，办公。全年共运行2700小时。

表1 制冷站主要设备表

注：（1）项目要求较为特殊，制冷机供水温度为非标准工况水温，故制冷机额定能效COP值较低。（2）业主在冷站建设时考虑预留二期开发预留，项目一期满负荷运行只需要开启3台2000RT主机。

通过全年空调负荷模拟软件对项目进行模拟，可得到项目空调全年负荷变化曲线并可汇总各负荷所占的时段。通过将商业及办公的错峰叠合后，可得到整个项目全年负荷变化情况及各负荷段的时间占比。

图4 商业冷负荷变化及负荷段时数

图5 办公冷负荷变化及负荷段时数

根据厂家提供的主机运行曲线，为不同负荷段点配置最佳工况点，得到制冷机能耗，并计算相应水泵及冷却塔能耗。

通过模拟得到的各负荷段的运行时间，计算得到各主要用电设备的用电量，参见表2～4。继而可计算出制冷系统能效比及冷冻水输送系数：EERr=4.24，WTFchw=27.20。对照冷站能效标尺，该制冷站能效目标值位于良好范围。但由于该制冷机处于非标准工况运行，COP值较低，且冷冻水二次泵选型扬程过大，能效指标低于现行国家节能规范的标准。

图6 2000RT制冷机COP

图7 600RT制冷机COP

表2 制冷站耗电量统计表1

续表2 制冷站耗电量统计表1

表3 制冷站耗电量统计表2

表4 制冷站耗电量统计表3

续表4 制冷站耗电量统计表3

3 评测检验及优化

该项目开业一年后，由业主委托某权威机构对本项目第一年运行的数据能效进行测评，测试时间从6月至次年5月。制冷站最大制冷量为14159kW，全年总制冷量为设计总制冷量的51%。全年制冷时间为2640h。测得项目总耗冷量为1216万kWh。供冷季项目制冷站设备的全年总耗电量为490万kWh。其中各分项设备能耗如下表5所示。

表5 制冷站主要设备全年电耗

根据测评分析及优化建议：

（1）制冷机综合能效较低，600RT小制冷机的能效接近额定能效，2000RT大制冷机能效较低约为4.1左右，有较大提升空间，通过将制冷机能效调整至额定水平，全年可节约电量约为81.5kWh。

（2）通过调整开机策略，增加开启2台小冷机，通过开启两台小冷机的运行工况替代1台大冷机部分负荷运行工况来提高能效，全年可节约电量约为19.3kWh。

本项目运行第一年，设计为变频的冷冻水二次泵全都为定频运行，若后期变频运行，二次泵也有较大节能潜力，根据测算，全年节约能耗约为49kWh。

根据以上优化建议，对比目标，实测及优化值如下表6所示。

表6 电耗及指标对比表

该项目提交评测的运行数据为开业后第一年的运行数据，写字楼入驻率约为40%，商业客流也未达到峰值，空调制冷量及运行台数未达到设计值，冷机运行效率较低，运行工况尚未按最佳主机能效比进行冷水机组配置。冷冻水二次泵定频运行，小温差大流量。第一年运行效率非常低，对能效标尺，其EERr值位于红色“需要提高”的位置。优化后的EERr值与WTFchw值有明显提升且与目标值较为接近，偏差为2%及5.1%。

由于初始建立的模型尚有部分不确定性，实际运行和预测分析也有偏差，所以能效目标不应是个固定值。为持续提高能效，项目在运行过一个周期后应根据实际经营及各运行指标参数的记录数据，进一步完善及修正初次建立的计算模型，制定优化后的目标值。

根据实际运行情况及实测数据拟针对上述项目的能效目标进行优化。实际运行中：

（1）1，2，12三个月份制冷机未启动；

（2）冷冻水供水温度提高至6.5℃；

（3）冷却水温度低于标准工况，参见图1。

根据经验，冷却水温度每降低1℃，冷机COP值可提高约3%[8]。故实际运行中制冷机的平均COP值可大幅提升，根据测算，大冷机可提升至6.3左右，小冷机将提升至5.9左右。得到EERr的优化目标值为4.91。

图7 冷却水温实测值

4 结论

（1）在投入使用前为制冷站设定能效目标是非常必要的，有利于经营者对制冷能耗成本进行经济测算，也能协助制冷站运维管理者了解该制冷站能存在的节能潜力，推进制冷站节能运行。

（2）通过设计过程中制作的项目模型进行模拟运行，并根据实际安装的设备进行运行工况匹配，可得到较为准确能耗目标值。

（3）初始目标值是根据设计时或运营前所预测的初始参数模拟而得，根据实际运维后得到的实测累计数据可优化提高得到改善目标值，有助于持续提升制冷站能效。

（4）设计者可运用类似方法在项目方案设计阶段，对冷站设计中冷冻机组及水泵配置及选型进行方案比选，以优化冷站系统配置。

[1] 纪凯,赵树兴.既有商业建筑能耗现状分析及节能对策[J].建筑节能,2012,40(5):64-66.

[2] 李召泼.城市大型公共建筑能耗监测、评价与优化的研究[D].南京:东南大学,2011.

[3] 李俊橙.成都大型公共建筑空调系统节能诊断与分析[D].重庆:重庆大学,2015.

[4] 中国建筑节能年度发展研究报告（2013）[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[5] 唐兴亮.唐中华空调系统节能运行自动控制的应用研究[J].制冷与空调,2015,29(6):724-728.

[6] GBT 17981-2007,空气调节系统经济运行[S].北京:中国标准出版社,2008.

[7] Thomas Hartman.All-Variable Speed Centrifugal Chiller Plants[J].ASHRAE Journal, 2011:44-51.

[8] 范园园,王旭.空调水系统质调节研究[J].制冷与空调, 2006,(1):20-23.

Formulating and Confirmation ofEnergy Efficiency Target of Chiller Plants Station in a Commercial Building in Chengdu

Feng Yuan

( Chengdu JZFZ Architectural Co., Ltd, Chengdu, 610021 )

The energy consumption of chiller plants station is larger than that of other energy consumption in public buildings. Energy efficiency targets can be established to guide energy-saving operation of chiller plants station. This paper introduces the method of formulating the energy efficiency target, and compares the target value with the measured value (optimization value) in combination with the actual project to verify its accuracy. According to its actual operation situation, the target value of energy efficiency improvement is put forward.

Chiller Plants Station; Energy Efficiency Target; Confirmation

1671-6612（2017）06-620-07

TU831

A

冯 源（1981-），男，硕士，高级工程师，E-mail：fengyuan@jzfz.com.cn

2017-06-20