二級泵空調系統節能改造能耗分析

盧智慧王仰慧張超姜玲浩

1淄博共創暖通工程有限公司

2淄博市建筑設計研究院

0 引言

隨著經濟發展和國民生活水平的不斷提高，節能減排日益受到人們的廣泛關注。我國房屋總面積已超過400億平方米，建筑的單位面積能耗相對較高，建筑使用能耗占全社會總能耗約28%，這一比重未來20年內有可能達到35%，發展綠色建筑產業對于我國應對氣候變化、推動低碳經濟發展具有重要意義。其中空調系統能耗約占整個建筑能耗的35%以上，空調冷水和冷卻水系統能耗約占空調總能耗的30%[1]。而對于系統作用半徑較大、設計水流阻力較高的大型工程，空調冷水宜采用變流量二級泵系統[2]。本文從原有設計的一級泵定流量系統運行后，發現存在一些使用不便和高能耗的特點分析，結合該大樓設計水流阻力高的特點，提出采用二級泵變流量系統，冷卻水泵和冷卻塔風機加變頻的改造方案，從節能，運行合理以及投資回收期等方面進行比較計算，以供同行在類似工程設計中參考借鑒。

1 工程概況

該辦公大樓位于淄博市張店區，上海路和聯通路交叉口東北角，地上主樓共23層，其中1～4層為裙樓，層高均為5.1 m。主樓層高均為4.0 m。地下一層為雙層機械式停車庫，物資庫房和設備用房等，層高5.8 m。建筑總高度為99.4 m，建筑總面積為48600 m2，主樓均為辦公用房，裙房則設有會議室、活動室、餐廳等功能房間。

2 一級泵運行參數及現狀分析

整棟大樓的供冷、供熱均由位于地下一層的制冷機房負擔，冷卻塔設置在大樓西側室外綠化帶內，空調夏季總冷負荷為5100 kW，冬季總熱負荷為3360 kW。配置離心式冷水機組2臺（帶變頻驅動裝置）：每臺制冷量2813 kW，電功率510 kW，冷凍水進出口水溫度為12/7℃，冷卻水進出口水溫度為32/37℃。方型逆流超低噪聲冷卻塔2臺：每臺流量600 m3/h，電功率5.5×3 kW。高區冷凍水循環泵2臺（一用一備）：每臺流量550 m3/h，揚程32 m，電功率75 kW。低區冷凍水循環泵2臺（一用一備）：每臺流量500 m3/h，揚程28 m，電功率55 kW。冷卻水循環泵3臺（二用一備），每臺流量600 m3/h，揚程28 m，電功率55 kW。現狀空調為一級泵定流量系統，循環水泵選用定頻泵，空調末端裝置設有三通調節閥，冷卻水泵和冷卻塔風機均為定頻運行，大樓水系統共分為三部分：K1 低區：1～10 層空調系統、K1 高區：11～23 層和K2系統：6～23層新風系統，三個區冷負荷及總阻力詳見表1，其中K1低區由一臺離心機負擔，K1高區和K2系統由另1臺離心機通過分集水器分二路供給，空調系統原理圖詳見圖1。

圖1 一級泵變流量空調水系統原理圖

從表1可以看出，K1系統低區熱負荷2408 kW與K1系統高區和K2系統總和2692 kW相接近，原設計一級泵定流量系統2臺離心機組從負荷分配上符合設計要求，是較為合理的設計方案，可是在實際運行過程中，存在以下幾方面的問題：

1）2臺離心機分別為不同的空調區域提供冷水，當1臺機組出現故障需要維修時，所負擔空調區域系統停止運行，影響正常使用，并且這2臺之間為獨立系統，不能互為備用。

2）在夜間加班，房間空調使用率較低時，離心機總是停機保護，空調不能正常使用，不能夠滿足實際工作需求。

3）本次設計的一級泵變流量系統耗電量大，詳見本文一級泵與二級泵系統能耗詳細計算和對比圖表。

3 二級泵系統改造方案

對于中央空調冷卻水系統而言，有文獻認為冷卻塔風機、冷卻水泵的變頻控制，將影響到中央空調主機的能效，使得中央空調主機的能耗增加。雖然達到了水泵和冷卻塔節能的目的，但會導致中央空調冷源設備整體能耗的增加，不利于中央空調系統的節能[3]，而另一些文獻則認為中央空調在部分負荷運行的情況下，當室外氣象條件滿足要求時，合理調節冷水泵流量能夠很好的達到冷源系統整體節能的目的[4-5]。故根據現有空調系統設計和實際運行狀況，從綠色節能，使用便利和系統穩定等方面綜合考慮，將原有系統改為二級泵變流量系統，空調水系統原理圖詳見圖2，同時將冷卻水泵和冷卻塔風機加變頻器，系統設備具體參數選型如下：原有配置離心式冷水機組2臺（帶變頻驅動裝置）：制冷量2813 kW，電功率510 kW，冷凍水進出口水溫度為12/7℃，冷卻水進出口水溫度為32/37℃；新增螺桿式冷水機組1臺：制冷量840 kW，電功率180 kW，冷凍水進出口水溫度為12/7℃，冷卻水進出口水溫度為32/37℃。方型逆流超低噪聲冷卻塔2臺：每臺流量600 m3/h，電功率5.5×3 kW（風機變頻）。初級冷凍水定頻循環泵2臺（二用一備）：每臺流量500 m3/h，揚程20 m，電功率37 kW；次級冷凍水變頻循環泵K1系統高區和K2系統各2臺（一用一備）：每臺流量250 m3/h，揚程32 m，電功率37 kW。冷卻水變頻循環泵3臺（二用一備），每臺流量600 m3/h，揚程28 m，電功率55 kW。冷卻水變頻循環泵1臺（與新增螺桿式冷水機配套），每臺流量145 m3/h，揚程28 m，電功率18.5 kW。這樣K1系統低區直接從分水器分一路供給，K1系統高區和K2系統均由各自的二級循環泵單獨供水，配合末端電動兩通閥變頻使用，冷卻水泵和冷卻塔風機均變頻運行，夜間和節假日有部分房間加班時，開啟螺桿式冷水機組，與新增小流量水泵配套使用，避免原設計低負荷時空調不能啟動不利情況。

圖2 二級泵變流量空調水系統原理圖

4 一、二級泵系統能耗對比計算分析

現將原設計一級泵定流量空調泵系統（方案1）和改造方案二級泵變流量系統（方案2）從以下幾個方面計算對比分析。

1）冷水機組改造前后年運行耗電量、性冷系數和IPLV比較如下，詳見表2和表3。

從表3中可以看出，當負荷率為25%，方案1單臺離心式冷水機組低負荷運行時，COP降低至3.5，而方案2采用單臺螺桿式冷水機組運行，COP高達5.27。IPLV由方案1離心式冷水機運行時的5.62提高到方案2的單臺螺桿式冷水機運行時的5.95，制冷性能系數（COP）提高33.6%，方案2中單臺螺桿機式冷水機組單獨運行滿足了節假日或夜間加班的實際工作需求。

2）冷卻塔風機年運行耗電量比較如下，詳見表4。

3）冷水泵和冷卻水泵年運行耗電量比較如下，詳見表5。

4）一級泵和二級泵系統年運行總耗電量比較如下，詳見圖3和表6。

圖3 一/二次泵變流量空調水系統年運行耗電量對比圖

可見，經過方案改造，二級泵變流量系統的總耗電量比一級泵定流量系統節約了20.44%，符合《綠色建筑評價標準》制冷性能系數（COP）提高6%，空調系統能耗降低幅度＞15%的綠色建筑節能的規范要求，屬于綠色節能的改造方案。

5 投資回收期理論計算

本次改造方案中新增的主要設備，材料和安裝費用如下表所示，詳見表7。

根據以上所列材料表中費用，現對本方案進行投資回收期計算如下：

1）該項目每年節約電量961696-765110=196586 kWh，電價按照1元/kWh，則每年可節約196586元。2）靜態投資回收期T1：574680/196586=2.923年。3）動態投資回收期T2：資金年收益率按照8%計算，投資回收現金流量表詳見表8。

在第四年現金流量為正，另68117.19/144490.71=0.47，則動態投資回收期為3+0.47=3.47年，節能效果顯著，屬于經濟合理的改造方案。

6 結論

本文結合辦公大樓空調系統在實際使用中的不利因素，認為原設計空調一級泵系統不合理，接著對一級泵定流量和二級泵變流量空調系統各自特點分析對比，按年耗電量對冷水機組，冷水泵，冷卻水泵和冷卻塔風機耗電量的詳細計算，得出以下結論：

1）二級泵變流量系統的總耗電量比一級泵定流量系統節約了20.44%，其中，冷水機組節電16.42%、冷水泵和冷卻水泵節電44.32%和冷卻塔風機變頻節電25%，由此可以看出在阻力高的大型工程中，二級泵變流量水系統的節電量非常可觀，系統改造勢在必行。

2）冷卻水泵、冷卻塔風機變頻配上合理的自控系統，節省能源，降低運行費用，節能效果顯著。

3）動態投資回收期為3.47年，改造帶來的經濟利益非常可觀，在類似工程中采用二級泵變流量系統為最佳選擇。