广州某办公建筑空调系统节能改造

郑庆红 杨瑞

西安建筑科技大学环境与市政工程学院

0 引言

随着我国经济的发展和城镇化建设的持续进行，公共建筑的总面积和总能耗均迅速增长。2012年， 我国公共建筑面积约为83.3亿m2， 能耗 （不含北方采暖）为 1.82 亿 tce， 占建筑总能耗的 26.4%， 其中电力能耗为4900亿kWh [1] 。而在建筑能耗中， 空调系统能耗占了很大份额。随着人们对室内环境舒适性要求的提高， 中央空调系统的能耗也在逐年攀升。有研究表明，根据建筑物类型的差异，空调能耗占建筑总能耗的10%～60% [2] 。因此， 在保持热舒适的前提下， 降低建筑空调系统能耗成为缓解我国能源紧张， 实现建筑节能的有效措施之一。

在各类公共建筑类型中， 办公建筑的能耗问题非常值得关注。由于现代人多半的时间都呆在办公建筑中， 对其功能性与舒适性的要求很高， 因此， 办公建筑的能耗居高不下。本文主要研究广州某办公建筑的能耗现状, 存在的问题以及空调系统改造方案和节能量预测。

1 建筑及设备系统概况

本文所研究的办公建筑地处广州， 分为主楼和附楼两幢， 两楼之间连通。其中主楼共28层， 附楼 8层，房间的主要类型为办公室， 会议室和信息机房。该楼于1987年建成投入使用，总建筑面积约4.1万m2， 空调面积约3.3万m2。该建筑地处夏热冬暖地区，全年只有供冷需求， 冷源为三台332 RT的特灵水冷螺杆式冷水机组， 采用两用一备的方式。空调水系统为一次泵定流量形式， 冷冻水泵和冷却水泵各有两大两小四台， 水泵之间并联运行， 空调系统主要设备情况见表1。除附楼6楼报告厅采用全空气系统外， 其余均采用风机盘管加独立新风系统，每层各设置一台新风机组。由于该建筑中有一层为信息机房， 采用单独的冷源设备， 应业主要求， 不对其进行节能改造， 故不在研究范围。

表1 空调系统主要设备表

2 空调系统全年及分项能耗特征

从该建筑的分项计量系统中收集到的各低压回路逐月用电量资料，整理得到该建筑 2014 年 8 月至2015年7年的年耗电量为483.6万kWh。其逐月用电量随季节规律性波动，每 年的7、8月份用电量最多，1、2月份用电量最少。另 外，对 整个建筑的年耗电量进行拆分，得 到各分项设备的年耗电量。各分项耗电量排序见图1。可 以看出，整 个空调系统共耗电95万kWh，占总电耗的比例为22%。因此，应 作为节能改造的主要对象。

图1 各分项耗电量排序

3 空调系统存在的问题

根据对该办公建筑空调系统运行状况的现场调研及数据处理发现， 其空调系统运行存在很多问题， 主要归纳如下：

1） 由冷水机组全年的制冷量分布延续图 （图 2） 可知， 冷机的制冷量并不是呈平缓式分布， 而是存在一个陡峰区域， 其尖峰负荷为 643 RT。该陡峰区域的运行小时数约为 30 小时， 仅占总运行时数的 2%， 在该运行时段内， 冷机一般满负荷运行。 而冷负荷在 332～500 RT的运行小时数却有约500小时， 占总运行时数的38%，此时开启一台冷机无法满足系统冷量需求，而开启两台冷机时平均负荷率又不足 65%， 因此造成冷机大部分时间都处于低负荷运行状态下。

图2 冷水机组冷负荷延续图

2） 由冷水机组的性能可知， 冷水机组的负荷率在50%～80%时， 其运行能效较高， 在某一负荷率时可能会达到峰值[3]。如果冷机能维持在高能效比对应的负荷率下运行， 可大大提高冷机的运行效率， 减少空调系统的电耗。该空调系统冷机的运行策略为每年的5月至10月开启两台冷机， 其余季节根据负荷状况控制一台冷机的开启。

图3 1#与2#冷机并联运行

对冷水机组全年的运行记录进行分析可知， 冷水机组的负荷率较低，导致机组的能效比也不高。当一台冷水机组运行时，冷水机组的负荷率主要分布在30%～70%之间， 其平均 COP 只有约 4.0， 而冷水机组的额定COP为5.63。当两台冷水机组并联运行时， 由于总冷负荷较低且机组负荷分配不平衡， 导致其中一台冷机的负荷率只有40%～60%。当1#与2#冷机并联运行时， 平均 COP分别为 4.7 和 4.4， 当 2# 与 3# 冷机并联运行时，平均COP分别为5.0和4.4。其中1#与2# 冷机并联运行，2#与3# 冷机并联运行时的冷机负荷率与能效比的关系分布散点图如图3、4所示。

图4 2#与3#冷机并联运行

3）在对空调水系统的供回水温度进行测试时发现，冷机的冷凝器和蒸发器的趋近温度偏高，都在3.0～4.0 K之间。冷机蒸发器与冷凝器的趋近温度可以反映冷机换热效果的好坏， 一般情况下， 温差在 1 ℃左右说明冷机的换热效果较好。当温差较大时， 说明冷机换热器存在脏堵现象， 换热效果受到影响， 同时也降低了冷机的制冷效率， 且额外的增加了输配系统的阻力。

4）冷冻水泵和冷却水泵均采用一级泵定流量方式运行， 水泵均无变频器， 由于冷水机组大部分时间都处于部分负荷状态下工作， 系统存在大流量小温差的现象， 供回水总管温差主要分布在 2.0～3.0 K， 不仅降低水系统冷量输送效率， 也造成泵的能耗增加。并且对泵的性能进行测试发现， 泵的效率有所下降。

5） 楼层之间水力分布不平衡， 导致系统出现冷热不均的现象。通过对部分楼层的水平干管供回水温度进行记录， 得到了水平干管供回水温差分布， 其中最小温差为 2 K,最大温差为 5 K， 各层干管的供回水温差差别较大。

6） 冷却塔的风量和水量分布不均匀， 导致冷却塔效率较低。

7） 部分风机盘管性能恶化严重。对部分风机盘管进行性能测试发现， 由于运行年限较长， 风机盘管的性能已经退化很多， 风量以及冷量则均不能达到额定水平。

8） 该空调系统因为设计年代久远， 并未安装自控系统， 系统中所有设备的开启与运行台数搭配全由物业人员手动操作， 不能根据系统负荷的变化来控制， 导致系统能耗偏大。

4 空调系统节能改造方案

根据相关理论研究， 并结合该项目的实际情况以及各项运行数据与测试数据的分析结果， 以尽量减少改造费用和尽可能提高系统的运行效率为目标， 现对该系统所做的技术改造具体如下。

4.1 冷水机组

1） 分别对三台冷机进行单点运行测试， 发现 1#冷机由于运行时间已有十五年， 其性能系数有了很大的衰减。为了解决冷水机组在低负荷运行状态下制冷效率低的问题， 同时又满足尖峰冷负荷时的制冷量， 考虑将1# 螺杆式冷水机组替换为1266 kW的磁悬浮离心式冷水机组， 其额定 COP 为6.26。磁悬浮离心冷水机组具有较大的负荷调节范围， 可以实现负荷率在 15%到 100%的无极调节， 且低负荷时效率高于普通机组。当负荷率为其额定制冷量的 30%～60%时， 其 COP 可达7.0以上。因此， 可以极大的改善冷水机组由于负荷率偏低， 造成能效比也较低的情况， 从而提高了能源利用率 [4-5] 。

2） 对2#和3#冷机的蒸发器和冷凝器进行通炮清洗， 同时对相关水阀的状态进行排查。

4.2 水系统

由于空调系统中的冷水输配系统所占的能耗比重较大，因此也是节能改造的主要对象。一个节能的空调系统， 不仅要求设备的性能和台数可以满足系统负荷变化的需求， 同时也要求系统在运行时各种负荷能够保持最小。因此为了解决水系统大流量小温差运行的问题，决定为冷冻水泵和冷却水泵加装变频器。水泵的变频调速装置可以使水系统变流量运行， 在不改变管路特性的同时， 通过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， 达到最大节能效果 [6-8] 。 同时， 将大功率的两台冷冻水泵和两台冷却水泵更换为高效率水泵， 对冷冻水管路和冷却水管路进行深度清洗， 排查主要的阀门部件， 并对冷冻水系统进行平衡调试。

为了改善冷却塔的风量以及水量分布的不平衡问题， 需要对冷却塔水流量分配进行平衡调试， 对冷却塔扇叶进行维修和更换， 以提高冷却塔的效率。

4.3 自控系统

由于该建筑空调系统设计时间较早， 没有安装自控系统， 所有设备的运行均由物业人员根据经验手动操作，不能根据负荷变化合理的控制冷机的运行， 造成冷机经常处于低负荷运行状态。因此， 对该空调系统安装一套服务型能源管理系统。该系统可实时监测冷机的各项运行参数，并对各项参数进行数据分析，同时对各个设备进行联动控制， 优化出最合理的运行策略。

4.4 风系统

该空调系统的部分风机盘管更换过一次， 此次主要对送风风速低， 送风温差小， 噪音大， 制冷量不足的风机盘管进行更换。对有问题的百叶风口以及散流器同时进行更换和维修。

5 节能量预测

针对该办公楼的实际情况， 本文提出了若干节能改造意见， 现对其冷站的节能效果进行预测。根据冷站全年的制冷量以及各主要设备的年耗电量之比， 求出各项设备的能效比以及输送系数。然后根据项目改造情况制定能效比以及输送系数的目标值， 预估出大致的耗电量。具体见表2。

表2 系统节能量预测

6 结论

由于该建筑地处广州，空调系统运行时间较长，因此空调系统的节能改造显得更加重要。本文通过对一系列运行数据和测试数据进行分析， 结合该系统存在问题的具体特点， 提出了一系列的改造方案， 并对其冷站节能量进行预测。预测经过改造后， 冷站的运行费用将减少 24 万元， 节能率可达 37.2%， 节能潜力巨大。目前， 空调系统的节能改造已成为提高系统运行效率， 节约能源的重要手段， 因此， 本结论可为同类建筑的节能改造提供一定的借鉴。

参考文献

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2014[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2014

[2] Mathews E H,Arndt D,Geyser M F.Reducing the energy consumption of a conference centre-a case study using software[J].Energyand Building,2002,37:437-444.

[3] 刘莹, 郑贤德, 许新明. 冷水机组部分负荷性能分析[J].制冷,2000,(4):63-67

[4] 宋仁江.磁悬浮离心式冷水机组在某办公建筑空调系统中的应用研究[D]. 青岛: 青岛理工大学,2015

[5] 殷平.磁悬浮离心式冷水机组和国家标准[J].暖通空调,2013,(9):53-61

[6] 孙一坚. 空调水系统变流量节能控制[J].暖通空调,2001,(6):5-7

[7] 尹应德,孙进旭,曹炎,等.空调系统水泵变频改造节能效益分析[J].建筑热能通风空调,2005,(5):44-48

[8] 周巧航,赵加宁,施雪华.深圳市某办公楼空调系统节能潜力分析[J].暖通空调,2004,(4):19-21