广州某科研楼空调供冷系统运行能耗实测及节能分析

陈玉魁

（工业和信息化部电子第五研究所广州510507）

0 引言

中央空调为高能耗设备，并且在我国普遍存在运行管理不合理的现象［1］。因此，对中央空调在运行管理过程中存在问题和运行能耗进行研究很有必要。好的节能设施、节能方案，最终都是要通过操作人员的运行管理得以实现节能的目的的。因此运行管理水平对节能工作具有重要的影响［2］。我国现有建筑装有综合能耗管理系统的中央空调还较少，大多数空调系统是分散管理就地控制，人工进行开关机和开机组合操作。人工操作的系统运行能耗更是直接取决于操作人员的管理水平。因此提升运行管理水平应该是中央空调节能工作的一个重点。本文以广州市某科研楼为对象进行研究，分析运行管理对能耗的影响，以提升运行管理水平、优化运行方案。

1 空调系统概况

这幢建筑是位于广州某研究所的一幢科研楼。是一幢集科研、办公、实验室于一体的7层的综合楼。建筑面积共21000平方米。冷水机房位于半地下层，冷却塔置楼顶。中央空调各设备配置情况参见表1。

表1 该科研楼中央空调设备配置情况

冷冻水系统为一次泵定流量。冷冻水配管设计为异程式。各楼层末端设备主要为风机盘管加新风系统。

冷水机组、水泵、冷却塔均为手动启动、手动停机。开机组合为1台冷水机组对1台冷却、冷冻水泵和1台冷却塔，2台冷水机组对2台冷却、冷冻水泵和2台冷却塔。各台冷水机组冷却、冷冻水管路未设电动阀联锁控制，阀门开关也均为手动操作。

全年空调的开机时间大约为4月1日至11月15日，供冷时间约7个半月。

该幢楼的上班时间为星期一至星期五的8∶00～17∶30，平时开机时间为7∶30～17∶30共10个小时。整幢楼上班时间一致，用冷时间相同，周末除特殊情况偶有临时开机外，基本上不开机。

该楼设计冷负荷为3000kW。半地下层展览厅的风柜机全年基本不开；新风机因为噪声的原因也多数不开，新风需求通过自然渗透；还有部分区域在使用的过程中，因为各种需要另装了独立空调，不需中央空调供冷了。目前该系统实际最大冷负荷远小于设计冷负荷。

该空调系统的能耗构成：冷水主机占69%，水泵占28%，冷却塔占3%。

图1 2012-2017年空调用电量对比图

2 空调系统运行能耗现状

根据2012-2017年该幢楼各年空调运行能耗统计如图1所示。这里不包括末端装置的用电，因末端未安装单独计量电度表，无法进行统计。

由图1可知，总体来说，各年的运行能耗相差悬殊，能耗最低的一年跟能耗最高的一年相差18万多kWh用电，这说明节能潜力大，有各种因素在影响空调系统的能耗。

3 空调系统不同开机组合操作的运行能耗对比分析

螺杆冷水机组的功耗与其负荷率有着紧密的关系，低负荷运行，冷水机组效率就低。2台以上的冷水机组成的冷源系统，不同的开机台数，相对于每台冷水机组就会有不同的负荷率，冷水机组的运行效率也就不相同，因此，这就存在机组运行最佳组合的问题。

冷却塔担负着散发整个中央空调系统所吸收的热量的任务，它的换热情况对冷水机组的运行能耗也有着至关重要的影响。文献 ［3］在对某建筑进行综合能耗管理系统节能改造后，能耗数据显示：冷水机能耗节约幅度很大，但冷却塔能耗却成增加趋势。这说明冷水机的节能运行是需要牺牲一定的冷却塔的能耗的，或者说增加冷却塔的投入，有利于冷水机的节能。

笔者利用该幢楼新建立的分项能耗计量平台在2016年和2017年间对高温气候条件下全天开1套和开2套冷水机组系统的能耗进行了测试；并且测试了1台冷水机组和1台冷却水塔的组合及1台冷水机组和2台冷却水塔组合的能耗情况；还测试了开2套冷水机组系统冷却塔风机不同转速的能耗变化情况。

3.1 高温天气不同开机组合及冷却塔不同运行功率的能耗对比分析

从日最高气温约35℃，日平均气温和湿球温度相近的高温天气进行的测试中，选取4天对不同开机组合的能耗情况进行对比分析。因该幢楼上下班时间一致，只要各天室外环境温度相同，湿球温度相同，各天的供冷需求就相同。由于水处理外包给了专业的水处理公司，这2年换热器的换热温差一直处在稳定和较理想的状态。因此相同室外温、湿度条件下开机组合相同，则能耗相同。选取用来对比的4天，8∶00～17∶00的平均温度相近，湿球温度相近，并且节能运行日的室外温度略高于不节能的各天，因此能够对它们进行合理的能耗对比。

质量风险还源于验收方面，物资采购验收工作在整个物资采购管理中非常重要。但是，部分企业未真正重视验收工作，没有严格按照合同以及企业内部制度所规定的内容进行采购审核以及验收，进而引发质量问题以及质量风险。具体来讲，在物资采购的工程中，没有在质量要求方面进行协商与管理，没有采取科学化工作方式对整个采购环节进行合理控制，不仅出现质量的问题，甚至存在数量少的问题，这些都是引发企业物资采购质量风险的主要原因，不利于企业健康稳定的发展。

表2为开2台冷水机组、水泵、冷却塔且冷却塔风力较强和开1台冷水机组、1台冷却冷冻水泵、2台冷却塔组合的能耗对比。

表3为开2台冷水机组系统，但冷却塔风机皮带松弛风力不够和开1台冷水机组，冷却塔也为1台的能耗对比。

为避免测试日因为开关机时间的不完全一致带来的误差，保证比对的准确性，不进行全天的能耗对比，仅对比分析8∶00～17∶00的能耗情况。

由表2表3的分析结果见表4。

表2 冷却塔风力强开2套冷水机系统与开1套冷水机组2台冷却塔组合的能耗对比

表3 冷却塔风力较小开2套冷水机系统与开1套冷水机系统的能耗对比

表4 测试的4天8∶00～17∶00不同开机组合能耗对比分析表

由表5可知：

（1）开1台冷水机组与开2台冷水机组的用电量相差悬殊。2组比较：8日开1台比28日开2台节省用电：1159.5kWh，省电30.7%，这里8日开1台冷水机组时增开了1台冷却塔；27日开1台比22日开2台节省用电：1325.2kWh，省电31.2%，27日冷却塔开1台，由表3知道22日冷却塔风机运行功率约7kW，只相当于1台冷却塔的功率，风机皮带松、转速慢。

（2）开相同数量的1台和2台冷水机组的对比，由于冷却塔开启台数和其风机运转速度的不同用电量也较大差异。开1台冷水机组的对比：8日比27日节约用电：299.3kWh，节电10.3%，8日冷却塔开2台，27日开1台；开2台机组的对比：28日比22日节约用电：465kWh，节电10.9%，22日比28日冷却塔风机转速慢、风力小。

冷却塔运行功率和冷水机开机台数不同直接影响的是冷却水温度和冷水机组负荷率。这4天冷水机组的冷却冷冻水进出水温度如图2所示，各台机的负荷率和各天冷水机组的实际制冷量如图3所示。下面结合表2、3、4和图2、3的数据详细分析冷却水温和负荷率在运行能耗中的影响。

（1）8日在比对的4天里室外平均温度最高为34.4℃，室外湿球温度也最高为26.6℃，相对其它3天供冷负荷需求稍大，机组实际制冷量如图3所示，为1273kW，但用电量最少为2617kWh。由于只开1台冷水机组负荷率为82%，处在螺杆机的高效率区域；同时比开2台冷水机节约了37kW冷却和冷冻水泵各1台的用电；又由于开的是2台冷却塔使冷水机组冷却水回水温度较低，只有28.9℃，由于冷却水温的降低，使机组制冷量增大，因此负荷率也跟着降低，使得单机运行的时候，不致于出现负荷太高，冷水机的效率降低的情况。因此，在夏季高温天气该系统这种开机组合方式最节能。

（2）27日室外平均温度33.9℃，湿球温度24.4℃，机组实际制冷量为1235kW，都比8日稍低。也是单机运行，但由于只开1台冷却塔，冷水机组冷却水进水温度为29.8℃，比8日高。由于冷却水温的升高，使得负荷率高达89%。负荷率升高功率百分数也将跟着上升。螺杆冷水机组负荷过高，使其效率有所下降。冷却水温的影响使得27日比8日多用电：299.3kWh。

（3）28日室外平均温度33.5℃，湿球温度25℃，机组实际制冷量为1228kW。除湿球温度，其它2项都比开单机的2天稍低。这天开2台冷水机、冷却冷冻水泵、冷却塔。冷却水进水温度28℃。2台冷水机的负荷率分别为40%和52.5%。由于负荷率较低，使得冷水机的效率低，能耗增加，再加上多开2台水泵的能耗，使得28日比8日多用电：1159.5kWh。

（4）22日室外平均温度32.5℃，湿球温度26℃，平均温度低于其它3天，因此相对其它3天供冷负荷需求稍小，机组实际制冷量为1134kW。这天同样也开2套系统，但由于冷却塔皮带松弛转速慢，其风机运行功率几乎只有1台机的功率，冷却水回水温度上升到30.5℃。2台冷水机组的负荷率为53%和54%。回水温度和负荷都比28日开2套系统的高，因此使得这一天的能耗最高为4241.5kWh，比28日多用电465kWh，比27日多用电1325.2kWh，比8日多用电1624.5kWh。

从实测的4天空调系统的能耗情况对比分析可以得到结论：

该中央空调系统在高温天气开1台机组比2台机组同时运行节能效果明显，节电率将近1／3。无论是开1套系统还是2套系统保持冷却塔运行台数足够和风机运转速度，冷却塔增加用电比起整个系统节约的用电量，所占权重非常小：开1台冷水机组的对比，因增加1台冷却塔，运行功率增加3.2kW，8∶00-17∶00共增加28.9kWh用电，但整个系统节电 299.3kWh，冷水机组节电334.4kWh，冷却塔增加用电仅占冷水机组节电量的8.6%；开2台冷水机组的对比，因冷却塔风机转速增加运行功率增加了4.42kW，8∶00-17∶00共增加39.8kWh用电，但整个系统节电465kWh，冷水机组节电499.2kWh，冷却塔增加用电仅占冷水机组节电量的8%。

由于节电运行日的室外温度是略高于不节电各天的，因此计算的占比数据是保险的。

图2 测试的4天冷却冷冻水温度及湿球温度对比图

图3 测试的4天冷水机组负荷率及实际制冷量对比图

3.2 2016和2017年的节能潜力分析

通过对比2016和2017年影响能耗的气温情况、运行记录的开机组合和冷却塔的运行功率情况，对2年供冷季节每个月运行能耗进行了对比分析。

相对2016年来比较2017年冷水机和冷却冷冻水泵约有4万kWh电的能耗是可通过优化开机的组合来节约的。同时2016年也存在少量节能空间。

4 空调系统节能策略

4.1 设备启停组合优化

根据科研楼的上班时间，考虑了开机的预冷时间可缩短一些及下班提前停机仅留冷冻水泵可节约能耗同时也不会影响供冷的因素，给出设备的启停组合优化方案如表5所示：

表5 科研楼空调设备的启停组合优化方案

4.2 运行管理措施

（1）正确开启冷却水、冷冻水、冷却塔系统的阀门。（2）在供冷低温季节及时提高冷水机组冷冻水出水温度的设定值。（3）每班定时巡查冷却塔，密切注意风机转速及进出水温度。（4）每天及时查看用电分项计量系统空调系统各设备在每天每时的能耗情况，以便及时采取节能运行措施，充分利用这个平台为节能工作服务。

5 结语

该空调系统实际使用最大冷负荷远小于设计负荷。通过以上分析表明全年单冷水机组运行的节能效果明显。全年应尽量避免低负荷率的双冷水机组运行。开单机运行时，增开1台冷却塔是节能的，实测的其中2天能耗对比，增开冷却塔增加的用电仅为冷水机组节约用电的8.6%。因此，全年除供冷季节中较高气温，开1台冷水机组、1台冷却冷冻水泵、2台冷却水塔的运行模式是该中央空调系统最优的运行组合。如果不是特别高温天气，开1套系统，满足不了负荷的需求，不能只去增加开机台数，而是需要检查水塔、换热器的换热情况及水系统的阀门开关是否正确等，以免带来能源的浪费。

保证冷却塔足够的风机转速是节能工作的保障，因为它对冷水机组的能耗影响很大，实测的2天对比，风机皮带在调紧状态，使冷却塔能耗增加39.8kWh，冷水机组能耗则减少499.2kWh。冷却塔增加的能耗只占冷水机节约能源的8%。文献［3］通过综合能耗管理系统控制，冷却塔增加能耗为冷水机节约能耗的8.2%，跟该科研楼测试的数据比较接近。通过冷却塔实际运行功率的增减对冷水机组实际能耗影响的数据分析，给我国中央空调冷却塔变频调速节能措施的设计和改造在具体工程项目的适用性提供数据参考。

该空调系统节能优化运行策略也可为类似配置系统的运行管理提供借鉴。