深圳某甲級(jí)寫字樓冰蓄冷改造經(jīng)濟(jì)性分析

羅磊

深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1 工程簡(jiǎn)況

項(xiàng)目位于深圳市，總 建筑面積 232690.4 m2，地上兩棟建筑，A塔樓高272.55 m，上部為五星級(jí)酒店，下部為甲級(jí)寫字樓。B塔高145.05 m，為甲級(jí)寫字樓。設(shè)三層地下室，包括停車庫(kù)、設(shè)備用房。裙房三層，為酒店服務(wù)用房及部分商業(yè)。地下室制冷機(jī)房按照酒店、A座辦公、B座辦公區(qū)域不同分為三個(gè)制冷機(jī)房，項(xiàng)目于2012年竣工投入運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過(guò)前期對(duì)兩個(gè)制冷機(jī)房的在線能耗分析，A座制冷機(jī)房在典型日的EERr[1]達(dá)到5.0以上，而 B座制冷機(jī)房在典型日的機(jī)房EERr僅為4.1左右，本次改造的主要對(duì)象為B座制冷機(jī)房。

1.1 負(fù)荷分布

B座全部采用中央空調(diào)系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)了B座辦公樓及約 6000 m2左右商業(yè)的提前（加班）負(fù)荷，B座機(jī)房為兩臺(tái)790RT 離心式冷水機(jī)組及一臺(tái) 350RT螺桿式冷水機(jī)組，根據(jù)能耗檢測(cè)平臺(tái)提供的 2017年9月25日～10月27日的有效數(shù)據(jù)顯示，主機(jī)運(yùn)行在一大一小時(shí)候的情況占多數(shù)，以10月10日至10月17日一周的數(shù)據(jù)為例，最大冷負(fù)荷約3335 kW（948RT）。

能耗檢測(cè)平臺(tái)于2017年8月底調(diào)試完成，數(shù)據(jù)采集從9月份開始，沒有采集到最熱天的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)工程師溝通，最熱天的時(shí)候開啟兩臺(tái)大的離心式冷水機(jī)組可滿足大樓冷負(fù)荷需求，即最大冷負(fù)荷約1580冷噸。以2017年10月10日的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以全年最大負(fù)荷時(shí)刻開啟兩臺(tái) 790RT 離心式冷水機(jī)組為例，采用全年負(fù)荷模擬軟件以及當(dāng)年的室外逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得出全年最大日冷負(fù)荷如圖 1，B座辦公樓的全年負(fù)荷率及對(duì)應(yīng)負(fù)荷率的全年運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖1 全年最大日逐時(shí)冷負(fù)荷分布（kW）

表1 B座能耗模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)

1.2 制冷主機(jī)實(shí)際運(yùn)行COP值

在進(jìn)行方案改造的經(jīng)濟(jì)性分析之前，對(duì)原制冷主機(jī)的COP值進(jìn)行測(cè)定，是對(duì)原系統(tǒng)實(shí)際制冷性能的客觀評(píng)價(jià)，也是進(jìn)行系統(tǒng)改造行經(jīng)濟(jì)性比較分析的基礎(chǔ)，原來(lái)系統(tǒng)的COP值越高，說(shuō)明主機(jī)的運(yùn)行能效高，則改造的投資回報(bào)年限就越長(zhǎng)。根據(jù)主機(jī)的開機(jī)情況，選取了 B1（790RT）、B3（350RT）主機(jī)在10月10日～10月27日的逐時(shí)運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)測(cè)得的流量、溫差、功耗數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)實(shí)際 COP 值，對(duì)應(yīng)負(fù)荷率的變化，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中離心機(jī)的負(fù)荷率在55%～100%范圍內(nèi)變化，螺桿機(jī)負(fù)荷率從 35%～100%范圍內(nèi)變化，將根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的 COP 值與負(fù)載率的關(guān)系與廠家提供的理論COP與負(fù)載率的關(guān)系對(duì)比，如圖2。

圖2 負(fù)載率與COP值的理論運(yùn)行曲線

2 系統(tǒng)改造方案

2.1 冰蓄冷改造部分

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)有條件，擬將現(xiàn)有的一臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組改造為雙工況冷水機(jī)組（制冰/空調(diào)），而離心式冷水機(jī)組改造為雙工況機(jī)組需要改造的機(jī)械部件太多（葉輪、控制系統(tǒng)等均需做改造），建議保留原來(lái)兩臺(tái)離心式冷水機(jī)組，同時(shí)增加兩臺(tái)乙二醇泵（一用一備）、一套板式換熱器，將原設(shè)計(jì)中水機(jī)房的位置用于安裝1800RTH的蓄冰槽，雙工況機(jī)組夜間低谷電價(jià)時(shí)制冰，在白天電價(jià)高峰時(shí)段融冰調(diào)峰，主要改造的設(shè)備如表2所示。

表2 冰蓄冷改造設(shè)備清單

2.2 原冷凍水泵變頻改造

冷凍水輸送系數(shù)[1]為空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與冷凍水泵（包括冷凍水系統(tǒng)的一次泵、二次泵）的能耗之比，表征的是冷凍水系統(tǒng)的輸送效率，該值越高，冷凍水系統(tǒng)的輸送效率就越高。從9月25日與10月10日的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出：這兩天主機(jī)均開啟一大一小，水泵開啟一大一小，大水泵均處于35 Hz的變頻工況下運(yùn)行，小水泵10月10 日處于變頻運(yùn)行，9月25日小水泵處于工頻運(yùn)行，10月10 日的冷凍水輸送系數(shù)要明顯優(yōu)于9月25日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，10月10日水泵的運(yùn)行功率（約13.5 kW）遠(yuǎn)低于9 月25 日的運(yùn)行功率（約39 kW），冷凍水系統(tǒng)的輸送系數(shù)對(duì)比如圖3。

圖3 B座水泵工頻與變頻工況下的冷凍水輸送系數(shù)對(duì)比

經(jīng)過(guò)與運(yùn)營(yíng)工程師溝通發(fā)現(xiàn)，B座制冷機(jī)房的主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)在項(xiàng)目交付使用時(shí)調(diào)試好，再未改動(dòng)過(guò)，且機(jī)房設(shè)備的運(yùn)營(yíng)靠人工進(jìn)行，集分水器之間的壓差旁通閥斷路，水泵的變頻工況點(diǎn)依靠人工設(shè)定，尤其是小水泵的變頻與否取決于運(yùn)維人員的手動(dòng)設(shè)定，且頻率不隨負(fù)荷的變化而變化，針對(duì)冷凍水泵建議加裝末端壓差測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)集分水器之間的壓差旁通閥應(yīng)接駁到位，壓差信號(hào)恢復(fù)正常，空調(diào)循環(huán)水泵根據(jù)末端的水流壓差信號(hào)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，改變?nèi)斯ぴO(shè)定水泵工作頻率的現(xiàn)狀[2]。

2.3 原系統(tǒng)的冷卻水泵變頻改造

原有的空調(diào)系統(tǒng)的管徑設(shè)計(jì)選擇、水泵的流量揚(yáng)程均是基于設(shè)計(jì)日最大冷負(fù)荷來(lái)確定的，空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在部分負(fù)荷下，水泵工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)，水泵流量偏大，在系統(tǒng)只開啟一臺(tái)小主機(jī)的時(shí)候（平均負(fù)載率約70%），開啟一臺(tái)小冷卻泵及一臺(tái)小冷卻塔，冷卻水系統(tǒng)沒有安裝流量計(jì)，但是從冷卻水的供回水溫度可以看出，冷卻水供回水溫差僅2.29 ℃（設(shè)計(jì)溫差為5℃），在主機(jī)輸出的冷凝熱基本不變的條件下，水泵的流量沒有發(fā)生改變（水泵未變頻，未有其他水泵投入運(yùn)行），可以判定水泵的流量偏大。

在系統(tǒng)進(jìn)行冰蓄冷改造以后，在供冷季夜間的 8 h蓄冷均是由小的螺桿冷水機(jī)組、小冷卻泵來(lái)運(yùn)行，在該工況下，原來(lái)設(shè)計(jì)的冷卻水泵勢(shì)必?fù)P程偏大，因此對(duì)于兩臺(tái)小的冷卻水泵（設(shè)計(jì)流量 276 m3/h，揚(yáng)程35 m，功率55kW）的變頻改造具有較大的節(jié)能空間。

3 項(xiàng)目改造投資費(fèi)用概算

該空調(diào)系統(tǒng)改造工程的投資概算詳見表3。

表3 項(xiàng)目改造投資費(fèi)用概算

4 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

根據(jù)上述負(fù)荷分布情況，對(duì)系統(tǒng)改造前后的運(yùn)行費(fèi)用的估算詳見表4、5。

表4 常規(guī)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用分析統(tǒng)計(jì)

表5 蓄冰系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用分析統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論及建議

對(duì)既有建筑空調(diào)系統(tǒng)的改造業(yè)主最關(guān)心的是投資回報(bào)年限，從經(jīng)濟(jì)性分析的結(jié)果來(lái)看，改造工程投資概算 185 萬(wàn)元，改造后運(yùn)行費(fèi)用每年節(jié)約 31.3 萬(wàn)元，資本的年收益率為16.9%，投資回報(bào)周期為5.9年。改造受現(xiàn)有機(jī)房條件限制，自2012年投入使用以來(lái)，各設(shè)備狀態(tài)良好，且改造不能影響大樓的正常運(yùn)作，因此不宜對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造，僅投入了1800RTh的蓄冰設(shè)備，跟業(yè)主溝通后，考慮多方因素認(rèn)為投資收益合理，建議進(jìn)入實(shí)施階段。