上海市某超高层办公楼空调系统调适

董国强 江吉华 蔡正乾

(阿特金斯顾问(深圳)有限公司上海分公司,上海)

0 引言

随着碳中和目标的日益细化,近年来政府为开展公共建筑节能减排出台了相关政策支持文件,并组织行业专家编制标准规范[1-2]、开展科研课题,推进新建和既有公共建筑机电系统的调适。新规范明确要求100 000 m2以上公共建筑应进行集中空调系统的调适[1]。建设方为提升项目品质,在越来越多的新建项目上聘请专业顾问人员开展机电系统调适。因空调系统能耗占公共建筑总能耗的30%～50%[3],且易出现舒适性问题,既有公共建筑的业主选择对空调系统实施调适,解决日常运行问题并提升系统节能性。总体而言,建筑行业愈发重视机电系统调适。

该项目建筑为上海市某超高层高档办公楼,已交付使用5年多。因冬季较多楼层空调供暖效果差,业主通过对某些设备进行运行调整也未解决该问题,决定聘请专业人员对整个空调系统进行全面检测,开展空调系统调适,以达到空调水流量、水温和室内温度等设计指标,提高冬季空调舒适度。在梳理该项目空调冷热水系统运行现状后,专业人员针对运行问题帮助物业实施了设备整改、自控运行调适。该项目空调冷热系统为常规典型设计,其运行调适经验对类似办公楼建筑具有一定参考意义。

1 空调供热系统调适

如图1所示,该项目空调热源为锅炉,设计供/回水温度为95 ℃/70 ℃;热水系统设计板式换热器将锅炉侧和用户侧分隔,用户侧主要分为高、低区板式换热器系统,低区热水板式换热器的二次侧设计供水温度为60 ℃,直接供应低区空调末端;高区一级热水板式换热器的二次侧设计供/回水温度为90 ℃/65 ℃,供应至设备层二级热水板式换热器,换热成60 ℃热水再供应高区空调末端。

图1 空调热水系统图

1.1 热水系统清洗

针对冬季较多楼层空调供热效果差的问题,该项目对空调热水系统进行了检测,发现热水系统流量不足。经检测,热水泵性能正常,进一步检测后确认了热水板式换热器及部分过滤器脏堵,部分测试数据见表1,额定流量下低区板式换热器二次侧进出水压降偏大,达到10 m,超过额定值近1倍。系统脏堵导致了最大负荷运行工况下,高低区板式换热器一次侧锅炉热水总流量为设计值的58%,低区板式换热器二次侧空调末端热水总流量仅为设计值的33%。为解决脏堵问题,物业组织维保单位拆洗板式换热器,并对低区板式换热器二次水管路进行了化学冲洗,使热水系统总流量达到了设计指标,保证了各楼层空调末端的热水流量需求。

表1 调适前低区板式换热器二次侧额定流量下压差检测结果

1.2 热水系统运行调适

在热水流量恢复正常后,该项目对热水泵和热水板式换热器的运行使用进行了调整。

1) 调整锅炉热水泵的运行控制。调整前热水泵与锅炉启停连锁,当锅炉热水温度达到设定温度95 ℃停机后,锅炉热水泵也会全部停止,导致板式换热器一次侧不能持续稳定地向二次侧供热,一段时间后二次侧热水温度明显低于设定要求,影响了空调机组供热,需要物业手动开启热水泵设备。该项目调整了热水泵连锁程序,当最后1台锅炉停止运行后,对应的热水泵保持运行,保证了一次侧热水持续向各台板式换热器稳定供热。

2) 调整二次侧水泵变频程序。该项目低区热水泵为变频水泵,但2台水泵变频运行时不同频,导致频率低的水泵输出不足,故对水泵变频控制程序进行了检查调整,保证水泵同频运行,提升了水泵运行性能。

3) 调整板式换热器出水温度。调适前高区一级板式换热器设定出水温度与低区板式换热器同为60 ℃,但低区板式换热器二次侧热水直接供应空调末端,而高区一级板式换热器二次侧热水供应至设备层高区二级板式换热器,经换热后再供应末端,如果一级板式换热器设定出水温度为60 ℃,将会降低二级板式换热器出水温度,影响高区末端供热,故该项目将高区一级板式换热器在寒冷天气时的出水温度调整为80 ℃。

经过以上调整,整个热水系统的温度更加稳定、合理,保证了空调末端的供热需求,冬季室外气温近0 ℃时检查了各楼层空调的送风温度和室内温度,均达到了设定值,提升了业主和各租户的空调满意度。

2 空调制冷系统调适

该项目空调制冷系统的冷源为3台离心式冷水机组和1台螺杆式冷水机组,冷水系统为二级泵系统,一级冷水泵定频,二级冷水泵变频,分集水器间设计了平衡管,保证一次水流量达到冷水机组额定流量;同热水系统相似,由于楼层较多,二次水分为高、低区系统,高区系统在大楼中间设备层设置了冷水板式换热器。

2.1 制冷设备整改

该项目通过对制冷系统检测,发现设备存在以下问题,由物业进行了相应整改。

1) 如表2所示,整改前该项目螺杆式冷水机组夏季运行时蒸发温度最低仅为0.8 ℃,影响冷水机组能效,检测实际COP为4.35。物业联合厂家对冷水机组进行调适,经过更换润滑油、添加制冷剂、清洗蒸发器换热管后,将蒸发温度提高到了4 ℃以上,实际COP也提升到了5.49,冷水机组运行能效和安全性有明显改善,以螺杆式冷水机组平均负载率70%、年运行500 h、节能率15%进行估算,全年可节电11 550 kW·h。

表2 螺杆式冷水机组性能检测

2) 如表3所示,整改前检查发现1台小冷却水泵和1台高区一级冷水泵运行异常,经测试发现实际流量很低;通过检查水泵前后压力发现过滤器脏堵,清洗后水泵流量恢复正常。

表3 小冷却水泵整改前后测试数据

2.2 自控系统调适

2.2.1水泵运行调适

该项目空调水泵运行能耗偏高,一是由于个别水泵因过滤器脏堵“出工不出力”,运行效率低;二是因自控程序编写错误,螺杆式冷水机组的备用水泵也同时自动开启;三是因二级水泵变频程序未调适合格,当频率自动微调时水泵就会频繁启停,导致物业人员只能强制工频使用,大部分时间空调水流量大于需求,末端空调箱大部分电动水阀长时间关小,强制限流。上述问题导致了水泵能耗的增大,本次调适首先清理了水泵过滤器,减少了水泵运行数量,然后由维保单位检查修正了变频程序并更换了出现故障的压力传感器,使水泵频率控制平稳,供回水压差稳定在设定值。如表4所示,空调水泵运行调适取得了较高的节能收益,经计算每年运行1 000 h可节约水泵用电约82 100 kW·h,按照上海市2022年电力碳排放因子计算,年减碳量共34.5 t。

表4 水泵调适节能计算

2.2.2冷却塔运行调适

原自控程序启停冷却塔风机过快,冷却水温度超过设定值后,短时间增加了多台风机,冷却水温度持续下降;低于设定值后,冷却塔快速减机,水温复又升高,导致冷却塔风机运行不稳定,冷却效率也低。本次调适由厂家对程序进行了调整,增大了加减机的时间间隔,使冷却塔运行趋向稳定,冷却水温度也不再一直波动。

3 未来节能提升

因空调系统原设计缺少一些必要的自控系统温度传感器和电动阀,该项目空调制冷系统的自控调适未达到最优效果,故提出了以下几点优化建议,由业主未来选择实施。

3.1 增加高低区冷水温度监测点位

该项目高区和低区二次冷水管路未设计楼宇自控系统(BA)温度监测点位,集水器各回水管路也未安装温度表。此设计缺失会影响二次冷水系统的运行监测,无法准确了解高区和低区的回水温度,不便于二次水系统调适。当二次冷水流量高于一次水时,部分二次回水会通过平衡管与冷水机组出水混合,升高分水器供水温度,使空调末端对二次水流量需求变大,增大水泵能耗。因此建议增加相应的自控监测点位,通过回水温度随时了解各区流量需求,使各组水泵更加准确地变频运行,保持二次水总流量接近一次水流量。

3.2 调整水泵变频程序

该项目冷水泵变频均为压差控制,由于压差控制能更加灵敏地匹配末端流量需求,因此逐渐取代了温差控制方式,成为多数民用建筑冷水系统的变频方式,但并不是所有水泵变频控制的最优选择。该项目高区冷水通过制冷机房单独的1组变频水泵输送到设备层高区板式换热器进行供冷,自控系统调节板式换热器一次侧电动阀开度,使板式换热器二次侧出水温度稳定在设定值;同时自控系统监测板式换热器一次侧供回水压差的变化,调节对应水泵频率。此设计是目前常规设计,笔者认为如果将压力传感器改为温度传感器,并将一次侧电动阀保持全开,避免阀门节流损失,通过监测板式换热器一次侧供回水温差来调节水泵变频,将取得更好的水泵节能效果。

3.3 增加冷却塔出水电动阀

该项目各开式冷却塔进水管设计了电动开关阀,但出水管未设计,如果关闭进水电动阀,冷却塔不进水、只出水,会导致冷却塔液面降低后自动补水,浪费水资源。目前部分进水电动阀执行器也出现故障,无法远程控制,故进水电动阀均常开。夏季部分负荷时,风扇已停止的冷却塔仍进出水,使得风扇在运行的冷却塔流量变低,影响冷却塔冷却效果。针对该设计缺陷,建议未来增加冷却塔出水电动阀,检修故障的进水电动阀,恢复BA控制,实现根据冷却水温度决定冷却塔运行数量;关闭不运行冷却塔的进水、出水电动阀,避免冷却水无效旁通,提升冷却塔整体冷却效果。

4 结论

该项目空调系统的运行调适,既提升了办公楼冬季各楼层的供热效果,也降低了夏季制冷系统的运行能耗,减少了项目的碳排放,达到了业主的预期。笔者总结了新建和既有公共建筑机电系统调适项目的经验,提出以下建议：

1) 新建公共建筑应按照国家规范要求进行细致的机电系统调适,实现机电系统的功能性和节能性,避免建设资金的浪费。现有较多项目因工期紧张,竣工交付时未进行系统性调适,特别是空调系统,不仅舒适度不高,而且整体运行能效低,增加了部分运行费用。为响应国家节能减排的要求,类似项目建议在交付3 a内由专业技术人员开展空调系统运行再调适。

2) 项目业主在建设阶段应重视空调自控系统的设计和调适,因某些自控设计师和编程人员对空调系统工艺理解的疏漏,导致较多项目的自控设计需要优化。如果冷热源群控系统未经专业人员调适,其基本的控制程序都难以达到稳定运行的要求,导致物业对控制系统信任度低,在部分电动阀故障或传感器失准后,自控系统就转变成了手动操作系统或者仅是设备启停的监视系统,失去了设计初衷。

3) 对于既有公共建筑,定期进行空调系统的“体检”,检测各设备性能指标,是保持空调系统健康运行的重要措施,可以及时发现设备存在的“隐疾”,避免设备损坏而影响使用寿命,建议每2～3 a实施一次全面检测;自控系统调适是重要的节能手段,不仅可以节约能源费用,还可以减少管理人力。