廣州某辦公建筑空調系統節能改造

鄭慶紅 楊瑞

西安建筑科技大學環境與市政工程學院

0 引言

隨著我國經濟的發展和城鎮化建設的持續進行，公共建筑的總面積和總能耗均迅速增長。2012年， 我國公共建筑面積約為83.3億m2， 能耗 （不含北方采暖）為 1.82 億 tce， 占建筑總能耗的 26.4%， 其中電力能耗為4900億kWh [1] 。而在建筑能耗中， 空調系統能耗占了很大份額。隨著人們對室內環境舒適性要求的提高， 中央空調系統的能耗也在逐年攀升。有研究表明，根據建筑物類型的差異，空調能耗占建筑總能耗的10%～60% [2] 。因此， 在保持熱舒適的前提下， 降低建筑空調系統能耗成為緩解我國能源緊張， 實現建筑節能的有效措施之一。

在各類公共建筑類型中， 辦公建筑的能耗問題非常值得關注。由于現代人多半的時間都呆在辦公建筑中， 對其功能性與舒適性的要求很高， 因此， 辦公建筑的能耗居高不下。本文主要研究廣州某辦公建筑的能耗現狀, 存在的問題以及空調系統改造方案和節能量預測。

1 建筑及設備系統概況

本文所研究的辦公建筑地處廣州， 分為主樓和附樓兩幢， 兩樓之間連通。其中主樓共28層， 附樓 8層，房間的主要類型為辦公室， 會議室和信息機房。該樓于1987年建成投入使用，總建筑面積約4.1萬m2， 空調面積約3.3萬m2。該建筑地處夏熱冬暖地區，全年只有供冷需求， 冷源為三臺332 RT的特靈水冷螺桿式冷水機組， 采用兩用一備的方式。空調水系統為一次泵定流量形式， 冷凍水泵和冷卻水泵各有兩大兩小四臺， 水泵之間并聯運行， 空調系統主要設備情況見表1。除附樓6樓報告廳采用全空氣系統外， 其余均采用風機盤管加獨立新風系統，每層各設置一臺新風機組。由于該建筑中有一層為信息機房， 采用單獨的冷源設備， 應業主要求， 不對其進行節能改造， 故不在研究范圍。

表1 空調系統主要設備表

2 空調系統全年及分項能耗特征

從該建筑的分項計量系統中收集到的各低壓回路逐月用電量資料，整理得到該建筑 2014 年 8 月至2015年7年的年耗電量為483.6萬kWh。其逐月用電量隨季節規律性波動，每 年的7、8月份用電量最多，1、2月份用電量最少。另 外，對 整個建筑的年耗電量進行拆分，得 到各分項設備的年耗電量。各分項耗電量排序見圖1。可 以看出，整 個空調系統共耗電95萬kWh，占總電耗的比例為22%。因此，應 作為節能改造的主要對象。

圖1 各分項耗電量排序

3 空調系統存在的問題

根據對該辦公建筑空調系統運行狀況的現場調研及數據處理發現， 其空調系統運行存在很多問題， 主要歸納如下：

1） 由冷水機組全年的制冷量分布延續圖 （圖 2） 可知， 冷機的制冷量并不是呈平緩式分布， 而是存在一個陡峰區域， 其尖峰負荷為 643 RT。該陡峰區域的運行小時數約為 30 小時， 僅占總運行時數的 2%， 在該運行時段內， 冷機一般滿負荷運行。 而冷負荷在 332～500 RT的運行小時數卻有約500小時， 占總運行時數的38%，此時開啟一臺冷機無法滿足系統冷量需求，而開啟兩臺冷機時平均負荷率又不足 65%， 因此造成冷機大部分時間都處于低負荷運行狀態下。

圖2 冷水機組冷負荷延續圖

2） 由冷水機組的性能可知， 冷水機組的負荷率在50%～80%時， 其運行能效較高， 在某一負荷率時可能會達到峰值[3]。如果冷機能維持在高能效比對應的負荷率下運行， 可大大提高冷機的運行效率， 減少空調系統的電耗。該空調系統冷機的運行策略為每年的5月至10月開啟兩臺冷機， 其余季節根據負荷狀況控制一臺冷機的開啟。

圖3 1#與2#冷機并聯運行

對冷水機組全年的運行記錄進行分析可知， 冷水機組的負荷率較低，導致機組的能效比也不高。當一臺冷水機組運行時，冷水機組的負荷率主要分布在30%～70%之間， 其平均 COP 只有約 4.0， 而冷水機組的額定COP為5.63。當兩臺冷水機組并聯運行時， 由于總冷負荷較低且機組負荷分配不平衡， 導致其中一臺冷機的負荷率只有40%～60%。當1#與2#冷機并聯運行時， 平均 COP分別為 4.7 和 4.4， 當 2# 與 3# 冷機并聯運行時，平均COP分別為5.0和4.4。其中1#與2# 冷機并聯運行，2#與3# 冷機并聯運行時的冷機負荷率與能效比的關系分布散點圖如圖3、4所示。

圖4 2#與3#冷機并聯運行

3）在對空調水系統的供回水溫度進行測試時發現，冷機的冷凝器和蒸發器的趨近溫度偏高，都在3.0～4.0 K之間。冷機蒸發器與冷凝器的趨近溫度可以反映冷機換熱效果的好壞， 一般情況下， 溫差在 1 ℃左右說明冷機的換熱效果較好。當溫差較大時， 說明冷機換熱器存在臟堵現象， 換熱效果受到影響， 同時也降低了冷機的制冷效率， 且額外的增加了輸配系統的阻力。

4）冷凍水泵和冷卻水泵均采用一級泵定流量方式運行， 水泵均無變頻器， 由于冷水機組大部分時間都處于部分負荷狀態下工作， 系統存在大流量小溫差的現象， 供回水總管溫差主要分布在 2.0～3.0 K， 不僅降低水系統冷量輸送效率， 也造成泵的能耗增加。并且對泵的性能進行測試發現， 泵的效率有所下降。

5） 樓層之間水力分布不平衡， 導致系統出現冷熱不均的現象。通過對部分樓層的水平干管供回水溫度進行記錄， 得到了水平干管供回水溫差分布， 其中最小溫差為 2 K,最大溫差為 5 K， 各層干管的供回水溫差差別較大。

6） 冷卻塔的風量和水量分布不均勻， 導致冷卻塔效率較低。

7） 部分風機盤管性能惡化嚴重。對部分風機盤管進行性能測試發現， 由于運行年限較長， 風機盤管的性能已經退化很多， 風量以及冷量則均不能達到額定水平。

8） 該空調系統因為設計年代久遠， 并未安裝自控系統， 系統中所有設備的開啟與運行臺數搭配全由物業人員手動操作， 不能根據系統負荷的變化來控制， 導致系統能耗偏大。

4 空調系統節能改造方案

根據相關理論研究， 并結合該項目的實際情況以及各項運行數據與測試數據的分析結果， 以盡量減少改造費用和盡可能提高系統的運行效率為目標， 現對該系統所做的技術改造具體如下。

4.1 冷水機組

1） 分別對三臺冷機進行單點運行測試， 發現 1#冷機由于運行時間已有十五年， 其性能系數有了很大的衰減。為了解決冷水機組在低負荷運行狀態下制冷效率低的問題， 同時又滿足尖峰冷負荷時的制冷量， 考慮將1# 螺桿式冷水機組替換為1266 kW的磁懸浮離心式冷水機組， 其額定 COP 為6.26。磁懸浮離心冷水機組具有較大的負荷調節范圍， 可以實現負荷率在 15%到 100%的無極調節， 且低負荷時效率高于普通機組。當負荷率為其額定制冷量的 30%～60%時， 其 COP 可達7.0以上。因此， 可以極大的改善冷水機組由于負荷率偏低， 造成能效比也較低的情況， 從而提高了能源利用率 [4-5] 。

2） 對2#和3#冷機的蒸發器和冷凝器進行通炮清洗， 同時對相關水閥的狀態進行排查。

4.2 水系統

由于空調系統中的冷水輸配系統所占的能耗比重較大，因此也是節能改造的主要對象。一個節能的空調系統， 不僅要求設備的性能和臺數可以滿足系統負荷變化的需求， 同時也要求系統在運行時各種負荷能夠保持最小。因此為了解決水系統大流量小溫差運行的問題，決定為冷凍水泵和冷卻水泵加裝變頻器。水泵的變頻調速裝置可以使水系統變流量運行， 在不改變管路特性的同時， 通過靠移動水泵工作點使之沿管路特性曲線移動， 保持水泵在最高效率點運行， 達到最大節能效果 [6-8] 。 同時， 將大功率的兩臺冷凍水泵和兩臺冷卻水泵更換為高效率水泵， 對冷凍水管路和冷卻水管路進行深度清洗， 排查主要的閥門部件， 并對冷凍水系統進行平衡調試。

為了改善冷卻塔的風量以及水量分布的不平衡問題， 需要對冷卻塔水流量分配進行平衡調試， 對冷卻塔扇葉進行維修和更換， 以提高冷卻塔的效率。

4.3 自控系統

由于該建筑空調系統設計時間較早， 沒有安裝自控系統， 所有設備的運行均由物業人員根據經驗手動操作，不能根據負荷變化合理的控制冷機的運行， 造成冷機經常處于低負荷運行狀態。因此， 對該空調系統安裝一套服務型能源管理系統。該系統可實時監測冷機的各項運行參數，并對各項參數進行數據分析，同時對各個設備進行聯動控制， 優化出最合理的運行策略。

4.4 風系統

該空調系統的部分風機盤管更換過一次， 此次主要對送風風速低， 送風溫差小， 噪音大， 制冷量不足的風機盤管進行更換。對有問題的百葉風口以及散流器同時進行更換和維修。

5 節能量預測

針對該辦公樓的實際情況， 本文提出了若干節能改造意見， 現對其冷站的節能效果進行預測。根據冷站全年的制冷量以及各主要設備的年耗電量之比， 求出各項設備的能效比以及輸送系數。然后根據項目改造情況制定能效比以及輸送系數的目標值， 預估出大致的耗電量。具體見表2。

表2 系統節能量預測

6 結論

由于該建筑地處廣州，空調系統運行時間較長，因此空調系統的節能改造顯得更加重要。本文通過對一系列運行數據和測試數據進行分析， 結合該系統存在問題的具體特點， 提出了一系列的改造方案， 并對其冷站節能量進行預測。預測經過改造后， 冷站的運行費用將減少 24 萬元， 節能率可達 37.2%， 節能潛力巨大。目前， 空調系統的節能改造已成為提高系統運行效率， 節約能源的重要手段， 因此， 本結論可為同類建筑的節能改造提供一定的借鑒。

參考文獻

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