基于关键指标法的某大型公共建筑空调供冷系统用能诊断与优化

2022-08-19汪雨清董翠丽上海市建筑科学研究院有限公司上海201108

绿色建筑 2022年4期

汪雨清，卜震，董翠丽（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 201108）

大型公共建筑因其高能耗引起人们的广泛关注[1]，而供暖空调系统运行能耗则占大型公共建筑用能的 40%～50%[2]，能耗占比高。近年来针对大型公共建筑节能工作，也取得了一系列的成就[3]。传统的空调用能诊断主要以专家经验为主，耗时耗力，因此难以跟上新时代下基于智能化系统的新型高效用能诊断。当前，建筑智能化系统监测和控制建筑的主要用能设备，通过智能化平台可实时显示建筑各设备运行和能耗等基本用能参数。

凭借部分运维记录及智能化平台监测的供冷用能数据，并基于空调系统供冷冷源机组运行性能系数（Coefficient of Performance，COP）及运行负荷率等指标，可快速、有效诊断大型公共建筑的空调供冷系统冷源运行中存在的用能问题，并结合专业知识分析原因，给出优化策略。

1 冷水机组运行关键指标

通常空调冷源机组的运行评价采用的关键指标主要为冷水机组运行性能系数，指冷水机组制备的冷量与冷水机组能耗之比，计算公式如式（1）所示。

式中：COP—冷水机组运行性能系数；

Q—冷水机组制备的冷量，kWh；

Nchiller—冷水机组的能耗，kWh。

对于电制冷机组，Nchiller为输入的电量；对吸收式冷水机组，Nchiller为加热热源消耗量（以低位热值计）与电量消耗量（折算成一次能源）之和。

冷机运行的另外一个重要指标即为冷机负荷率，指标可有效反映冷机实际运行制冷量占额定制冷量的比例，可初步判定冷机实际运行出力。指标计算公式如式（2）所示。

式中：R—冷水机组运行负荷率；

Qs—冷水机组实际运行时制备的冷量，kWh；

Qe—冷水机组额定工况运行下制备的冷量，kWh。

2 诊断案例供冷系统

本案例建筑位于夏热冬冷地区，主要功能为办公和商业。空调系统分为内区和外区，其中内区常年供冷。在过渡季和冬季内区供冷时段，主要供冷策略为采用冰蓄冷与常规电制冷机组相结合的模式，白天由冰蓄冷系统承担内区供冷负荷，晚间则由常规电制冷主机提供内区所需冷量。建筑配备的 3 台双工况离心式冷水机组（以下简称双工况冷机）和 3 台常规电制冷离心式冷水机组（以下简称常规冷机）。其中 3 台双工况冷机在冬季和过渡季主要用于夜间制冰，3 台常规冷机则用于夜间制冷。本次诊断对象为常规冷机，冷机额定供冷量等参数见表 1。

表1 常规冷机性能系数表

3 常规冷机用能诊断

现场调研及沟通可知，过渡季和冬季建筑内区晚间负荷相对稳定，晚间主要开启常规 2 号冷机，1 号常规冷机从不开启。分别选取过渡季和冬季典型月数据，分析 2 号冷机的运行负荷率及运行 COP，分别如图 1、图 2 所示。

图1 过渡季和冬季典型月2号冷机夜间运行负荷率

图2 冬季和过渡季典型月2 号冷机夜间运行 COP 分布情况

分析冬季和过渡季典型月2 号冷机夜间运行的负荷率和 COP 分布情况可知，冬季和过渡季夜间 2 号冷机运行负载率低于 55%（1 号冷机额定制冷量为 2 号或 3 号冷机额定制冷量的 55%）以下时段分别占 58% 和 69%，COP 分布分别为 2.96～3.77 和 2.53～3.74，COP 均值分别为 3.37 和 3.14。可以看出，冬季和过渡季夜间运行 2 号大的冷机，多数时段均处于低负荷率运行，且运行 COP 均低于 3.5，仅为 2 号冷机额定 COP 的 60% 左右。因此，此策略下夜间运行 2 号冷机进行内区供冷，存在一定的用能潜力。

4 优化及节能效益计算

为最大发挥冷机制冷能力，本次提出采用 “小冷机替代大冷机”的运行优化策略，改善冷机运行效率偏低和负荷率低的情形。结合实际冷机 2019年全年用能数据（图 3），初步测算冬季（12月、1月及 2月）及过渡季（3～5月、10～11月）内区供冷采用“小冷机替代大冷机”可节省的电量。

图3 全年逐月常规冷机运行数据

因夏季白日冰蓄冷系统供冷量不足情况下，开启部分常规冷机，因无法准确剥离具体夏季夜间常规冷机用电，本次仅计算过渡季和冬季夜间运行常规冷机用电及采用优化策略后可节省的电量。

分别统计和计算冬季及过渡季常规冷机夜间运行用电量，分别为 151709 kWh 和 589100 kWh，低于 55% 运行时段分别占 58% 和 69%，对应的常规冷机运行 COP 均值分别为 3.37 和 3.14。替代 2 号冷机负荷率低于 55% 的时段运行的 1 号常规冷机（小冷机）额定 COP 为 5.57，且基本可保证小冷机运行负荷率在 80%～100%，始终处于高效运行状态。据文献《基于全年负荷计算的制冷机组选型》[5]可知，冷机 COP 在负荷率为 80% 以上时，基本接近额定 COP。冬季及过渡季夜间内区供冷优化节能量及单项节能率计算见表 2。