某商场空调系统节能改造案例分析

黄渝兰

(四川省建筑科学研究院有限公司，四川成都 610000))

1 项目概况

某夏热冬冷地区的商场，2010年投入运营，总建筑面积3.9×104m2，空调面积3.3×104m2，主要功能分区包括设备房、商铺、超市等。该商场主要能源为电力，电力主要用于空调、照明、电梯及冰库等设备。改造前该商场单位建筑面积年平均用电量约为230 kwh/(m2·a)，与同类型建筑单位建筑能耗相比，该建筑属于较高能耗水平，节能空间较大。该商场冬天不需要供暖，空调系统只有制冷形式，为集中式空调，采用2台半封闭螺杆式冷水机组，空调冷水机组夏季每天使用，过渡季节和冬季根据实际情况部分时间使用，空调末端风系统则全年使用。

2 节能诊断

该商场空调水系统冷源采用2台半封闭螺杆式冷水机组，冷水机组本身具有自动调节功能，每台主机有4个机头，机头运行的台数由负荷大小决定，即根据冷冻水出水温度自动调节，负荷高峰期运行一台主机4个机头+另一台主机的n(n<4)个压缩机头，负荷非高峰期则只运行其中一台主机的n个机头(n≤4)；空调冷冻水系统和冷却水系统均采用一次泵定流量运行，分别配置了三台立式泵，均以并联的方式接入，各有一台备用，负荷高峰时(即主机运行2台)分别运行2台冷冻水泵和2台冷却水泵，其他时间各运行1台，水泵长期处在满荷载运行工况下，冷却水系统配用了6 台横流式冷却塔作为系统冷却设备，各塔并联运行，冷却塔根据负荷变化自动控制运行台数；空调末端采用单风道低速全空气系统的形式承担建筑内人体及设备热湿负荷与新风负荷，为定风量运行。空调设备性能参数见表1。

2.1 冷冻/冷却水供回水温差诊断

统计最近一年空调运行记录，该商场的空调冷冻水供回水温差全年平均值为3.4 ℃，冷却水供回水温差全年平均值为3.6 ℃，分别为设计温差5 ℃的68 %和66 %，其中6～9月份的供回水温差相对其他月份较高，这是由于6～9月是空调负荷高峰期，因为水系统为定流量，因此供回水温差较高，而其他月份空调负荷较低，定流量下温差就较小，且经进一步统计温差小于2 ℃的时间超过了空调总运行时间的15 %，根据JGJ 176-2009《公共建筑节能改造技术规范》的第4.3.10条，宜对空调水系统进行相应的调节或改造。

表1 空调系统设备性能参数

2.2 冷水机组运行能效诊断

对冷水机组运行能效进行测试，测试参数包括流量、冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度、冷水机组输入功率、室内外温湿度等，得到冷水主机实际运行的COP值如表2所示。

表2 项目改造前空调主机实际运行的COP值

根据现行国家标准GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》第4.2.10条规定，夏热冬冷地区的水冷变频螺杆式机组当名义制冷量大于1 163 kW时，机组性能系数COP不应低于5.32，可见这2台机组均未达到标准要求。

2.3 冷冻水泵、冷却水泵节能诊断

冷冻水系统和冷却水系统均为定流量运行，水泵长期处于满负载运行工况下，根据上述的冷冻水及冷却水供回水温差统计可知，大部分温差在2.5～4.0 ℃之间，说明该制冷机组大部分时间是在部分负荷下运行，空调部分负荷运行时间占总运行时间的80 %以上，其中温差小于2 ℃的时间超过了空调总运行时间的15 %，可见冷冻水及冷却水系统存在“大流量小温差”现象较严重，根据JGJ 176-2009《公共建筑节能改造技术规范》的第6.3.7条规定，建议对空调水系统进行变流量改造。

2.4 空调风系统

该商场空调末端风系统采用单风道低速全空气系统，所有风机处于工频运行，整个系统水阀均为手动阀，无法适应空调负荷变化进行自动调节。对室内环境及风系统测试结果见表3。

表3 项目改造前室内环境测试

根据GB 50732-2012《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》的第3.0.2条对II级热舒适性空调室内设计参数要求：供冷温度26～28 ℃，相对湿度不大于70 %，风速不大于0.3 m/s。根据测试结果可知：该商场的室内温度过低，过冷现象，不满足标准要求。根据GB 50732-2012《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》第7.4.10条规定：当满足舒适、工艺要求的条件下，宜加大送风温差；当送风口高度不大于5 m时，送风温差为5～10 ℃。而根据表3的商场送回风温差约6.5 ℃，可见商场送风温差还有很大的提升空间，要加大送风温差，则需要减小送风量，对风机做变频改造即可实现。若将该商场定风量运行改造为变风量运行，不仅能降低风机的能耗，而且可以解决商场过冷现象，因此建议对空调风系统进行变流量改造。

3 节能改造方案设计

根据上述针对该商场空调系统的的节能诊断，提出以下节能改造方案。

3.1 冷冻水泵变频改造

对冷冻水泵进行变频改造，采用2套变频控制柜，变频采用温差控制的方式，温度传感器分别布置于供水、回水总干管处。其控制原理为：当空调负荷降低时，室内所需冷量降低，导致冷冻水回水温度下降，从而使冷冻水供回水温差减小，温差传感器将温差变化信号传至控制器，控制器输出信号使冷冻水泵电动机的频率降低，从而使流量下降，最终使温差上升至最初设定值[1-2]。商场非满负荷运行时间较长，水泵变频运行能耗降低，最终实现节能。

3.2 冷却水泵变频改造[3]

同冷冻水泵也采用了2套变频控制柜进行变频改造，该系统采用定温差控制的方式，温差控制值为5 ℃，温度传感器分别布置于冷水机组冷凝器的进出口冷却水管处。其控制原理及节能效果同冷冻水系统。

3.3 空调末端风系统

采用23套风机变频控制柜进行变频改造，各风系统采用定室内温度及CO2浓度控制的方式，温度传感器及CO2浓度监控传感器分别布置在各末端风系统的回风管道或回风口上。其控制原理为：当室内负荷降低，室内温度/CO2浓度会降低，温度传感器/CO2浓度监测传感器将温度/CO2的浓度信号传至控制器，控制器输出信号使风机电动机频率降低，从而使风量下降，最终使室内温度升高至设置温度，避免室内出现过冷现象，因为这种变频控制方式没有改变风系统管路的阻力特性，因此风机满足相似定律，即风机能耗与流量的三次方成正比，当部分负荷运行时，风机能耗随流量降低而降低，最终实现节能目的。

4 节能改造效果分析

该商场实施空调系统改造并正常运行一年后，对其空调系统实际运行效果进行检测和分析。测试工况：测试期间恰逢商场促销活动，人流量较大，为了保证室内空气质量，商场所有空调末端风机采用工频运行模式(因此本次不对空调末端风机改造后效果测试分析)，但空调冷冻水泵及冷却水泵全程均为变频运行模式；测试期间空调系统非满负荷运行，空调主机仅启用了一台(1#主机)，冷冻水泵和冷却水泵各运行一台；测试周期为4 d。测试参数包括：主机、冷冻泵、冷却泵、末端风机的输入功率、冷冻水及冷冻水流量、冷冻水及冷却水供回水温度、冷冻水泵及冷却水泵进出口压力、水泵及风机的运行频率、风机送、回风温度风口风速、室内外温度和相对湿度。

4.1 空调主机运行效果

空调冷水机组实测逐时的COP见图1，大部分时间段内的COP值较稳定，部分时刻波动较大的主要受负荷突变的影响，根据实测发现，负荷率降低时，主机的COP值相对也会下降。1#主机实测的COP平均值为5.4，满足相应标准要求的不低于5.32的要求，比改造前能效提升了20 %。

4.2 空调水泵运行效果

冷冻水泵和冷却水泵实测的逐时效率见图2，冷却水泵的运行效率比冷冻水泵的运行效率更稳定，这是由于冷却水泵性能曲线较冷冻水泵性能曲线更平缓的原因，可见，水泵性能曲线越平缓，在变频中不仅可调流量范围更宽，且运行效率也更稳定，也即是说，性能曲线越平缓的水泵更适合做变频改造。从测试的逐时效率计算平均值得到，冷冻水泵和冷却水泵的平均效率分别为66.5 %和67.5 %，根据JGJ/T 177-2009《公共建筑节能监测标准》的8.5.3条规定，水泵效率检测值大于铭牌值的80 %则可判定为合格，可见冷冻水泵和冷却水泵变频改造后的运行效率均满足要求。

已知△t=5℃ 、A=0.004225、B=28、a=0.02、∑L=400m，则可以计算得到该冷水系统耗电输冷比限制为0.0340。根据实测参数计算得到的逐时冷水系统耗电输冷比ECR-a见图3，可见实际运行的ECR-a≤0.0340，改造后空调冷水系统耗电输冷比满足节能要求。

图1 冷水机组逐时COP

图2 冷冻水泵、冷却水泵逐时效率

图3 冷水系统耗电输冷比

4.3 节能量

空调系统实施改造运行一年后，根据商场的空调分项能耗监测结果，空调系统全年节能量为78.2×104kWh,空调单项节能率为46.0 %。

5 结论

通过该商场空调系统节能改造案例分析，对空调水系统和风系统变频改造后，设备能效得到提升、节能量显著，值得借鉴及推广。而既有商场建筑的集中空调系统普遍存在水系统和风系统无节能调节措施、长期满负载运行、供冷期间室内空调过冷现象严重等问题，节能潜力大，应高度重视并采取相应的节能措施进行改造优化。