基于實測數(shù)據(jù)的酒店空調(diào)系統(tǒng)用能問題診斷

李 剛李紅擴(kuò)周洪波邵明磊

1．同圓設(shè)計集團(tuán)有限公司

2．魯商健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展股份有限公司

3．華東建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

建筑行業(yè)是全球能源的主要消費者，其所占用能源比例已達(dá)40%[1]。由于我國節(jié)能科技相對落后，能源利用效率普遍低下，進(jìn)入21世紀(jì)后中國建筑物能耗(采暖、制冷、辦公設(shè)備等能耗)占全年總能耗的20%，而此比例每年都在持續(xù)上升[2]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們對環(huán)境舒適性要求的提高，建筑能耗問題日益嚴(yán)峻。而建筑所消耗的能源大量用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC），HVAC系統(tǒng)所占建筑物總能耗的比例達(dá)到60%以上。其能耗高的主要原因是即使在設(shè)計時選取合適設(shè)備，在運行一段時間后也會由于老化而無法按預(yù)期運行，從而產(chǎn)生巨大的能耗。因此，及時對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能診斷是有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，緩解建筑用能問題的有效途徑。

1 空調(diào)系統(tǒng)用能診斷研究現(xiàn)狀

專業(yè)人員已做過大量針對HVAC系統(tǒng)能耗的診斷性研究，Zhao和Wang[3]提出了一種簡化的物理模型方法用于冷水機組故障檢測與診斷方法，這種方法利用擬合、熱力學(xué)分析等方法找到了用以診斷各個故障的PIs（利用擬合、熱力學(xué)分析等方式），其故障診斷效果較好。但應(yīng)用此方法同時對多棟建筑進(jìn)行診斷時效率較低，需要逐一對建筑物進(jìn)行擬合與熱力學(xué)分析，工作量較大。Zhao[4]提出了一種系統(tǒng)級基于支持向量回歸（support vector regression,SVR）的方法以實現(xiàn)對暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）潛在故障的檢測，并在香港地區(qū)某商業(yè)大樓對模型效果進(jìn)行實際驗證。李銳[5]通過決策樹和C4．5算法對某辦公建筑空調(diào)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，利用數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)運行，提高系統(tǒng)能效。

通過對前人成果的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)研究的重點大多集中在商業(yè)、辦公類的建筑上。對酒店的研究較少，原因主要是酒店能耗使用情況更復(fù)雜。酒店具有復(fù)雜的功能區(qū)域，不同功能區(qū)域用能特點不同，而且酒店需要全天提供能源，客戶要求的多樣性同樣導(dǎo)致了酒店用能復(fù)雜。本文針對酒店類建筑空調(diào)系統(tǒng)用能復(fù)雜的現(xiàn)狀，選擇某酒店對其空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實測，評價酒店空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)。

2 酒店空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)現(xiàn)場實測診斷

2.1 酒店概況

該酒店1999年開業(yè)，樓高30層，擁有客房143套，是集客房、餐飲、康樂、會議功能于一體的三星級賓館。酒店建筑面積為2萬m2，分為主樓和副樓。主樓地下為餐廳和機房。該酒店的用能設(shè)備主要包括供配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明以及電梯。表1至表3對酒店的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了簡要的統(tǒng)計。

表1 制冷機組設(shè)備一覽表

表2 供熱設(shè)備一覽表

表3 水泵設(shè)備一覽表

2.2 測定內(nèi)容

現(xiàn)場實測是獲得真實能耗狀況的根本途徑，同時也是相關(guān)內(nèi)容深入研究的依據(jù)和前提。因此，本文根據(jù)酒店主要用能設(shè)備具體條件確定如下測定內(nèi)容及其基本測定參數(shù)：

1）冷水機組

主要測試內(nèi)容：壓縮機排出口溫度、蒸發(fā)器出/回水壓力、蒸發(fā)器出/回水溫度、蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝器出/回水壓力、冷凝器出/回水溫度、冷凝溫度、冷凝壓力、冷凍水流量、電流、電壓等，以考察冷水機組制冷性能。

2）水泵

水泵水量、冷凍水泵電流電壓等電參數(shù)，水泵功率、水量測量、系統(tǒng)供/回水溫差經(jīng)常是考察水系統(tǒng)特性的依據(jù)。

3）室外

室外溫度、濕度，室外的環(huán)境情況對于冷水機組的影響至關(guān)重要，也是考察冷水機組制冷性能條件。

現(xiàn)場測試儀器見表4。．

2.3 基本參數(shù)測定方法

1）水溫測量

如果管道上有測量孔，則在被測量管道上安裝KIMO數(shù)字溫度儀。將儀器的PT100傳感器插入管道中進(jìn)行水溫測量，或?qū)⒐艿乐性械牟Ａ囟扔?、溫度傳感器替換為PT100傳感器進(jìn)行水溫測量。如果以上兩種條件都不具備，則讀取機器內(nèi)的溫度顯示值。

表4 測試儀器一覽表

2）空氣溫濕度測量

使用溫濕度儀,將其放置在被測環(huán)境中，穩(wěn)定三分鐘，再測量空氣溫濕度。

3）大氣環(huán)境參數(shù)測量

使用氣象溫濕度自動記錄儀、大氣壓力表，將其放置在測量環(huán)境中，每隔三分鐘讀取數(shù)據(jù)，平均后得到環(huán)境參數(shù)。

4）管道流量測量

在被測管道上安裝超聲波流量計以測量管道內(nèi)水流量。超聲波流量計分為V法安裝和Z法安裝。具體安裝方法見圖1。

圖1 超聲波流量計安裝方式示意圖

考慮到超聲波流量計的安裝位置對于流量測量精度有一定的影響，因此本次測試參照圖2所示的原則進(jìn)行安裝。

圖2 超聲波流量計安裝位置示意圖

5）電參數(shù)測量

采用鉗型功率計直接測量電機功率，或者測量電機的電流和電壓，用于計算電機功率。如果現(xiàn)場沒有測試位置和條件可以測量制冷機組功率、電流、電壓，則讀取電柜電壓表、電流表或變頻器中顯示的電流、電壓。然后根據(jù)式（1）和式（2）進(jìn)行計算。

式中：P—三相總功率，W；

Up—三相相電壓，V；

UL—三相線電壓，V；

Ip—三相相電流，A；

IL—三相線電流，A；

2.4 冷水機組性能測試

冷水機組測量原理如圖3所示，在冷凍水進(jìn)水或出水（視現(xiàn)場管道而定）安裝超聲波流量計，待流量穩(wěn)定后讀取冷水機組HMI顯示的冷凍水流量、冷凍水進(jìn)出水溫度、冷卻水進(jìn)出水溫度。

采用鉗型功率計直接測量，或者測取電機的電流和電壓數(shù)據(jù)，得到電機功率。利用上述方法測量制冷機組功率、電流、電壓。

通過所測冷凍水進(jìn)出水溫及其水流量，采用式（3）計算機組供冷量，通過所測得的功率，利用式（4）獲得機組能效比COP。

式中：cp水—水的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；

G水—水流量，kg/s；

Δt—進(jìn)出水溫差，℃；

N—功率，kW。

在該酒店進(jìn)行多日現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)后，選取了其中具有代表性的四天的測試數(shù)據(jù)，冷水機組性能實測結(jié)果見表5。

圖3 冷水機組測試原理圖

從表5的實測數(shù)據(jù)分析可見，機組每天的實測COP值均小于機組額定COP，四天的平均COP為3．91，小于機組的額定平均 COP 值 4．62，偏低了15．5%。此外，測量日的室外環(huán)境溫度幾乎均小于30℃，低于上海市的空調(diào)設(shè)計室外環(huán)境溫度34℃，由此可見，空調(diào)系統(tǒng)處于欠負(fù)荷狀態(tài)運行，實測的供冷量也未達(dá)到額定值。

從主機實測COP低于額定COP可見，機組處于欠負(fù)荷運行，這與空調(diào)機組使用年限較長也有一定關(guān)系。因此建議主機加裝變頻器，根據(jù)實際室外溫度或者室內(nèi)空氣溫度變化調(diào)節(jié)主機頻率，從而降低欠負(fù)荷運行的功率以達(dá)到節(jié)能目的，保持額定COP。

3 酒店空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能評估

基于實測數(shù)據(jù)對酒店空調(diào)系統(tǒng)用能診斷的結(jié)果，結(jié)合酒店空調(diào)系統(tǒng)用能特點，對冷水機組和水泵等空調(diào)系統(tǒng)主要用能設(shè)備進(jìn)行了節(jié)能改造，以達(dá)到降低空調(diào)能耗，節(jié)省能耗費用開支的目的。

3.1 空調(diào)機組

3.1.1 空調(diào)機組設(shè)備概況

酒店的空調(diào)系統(tǒng)由2臺約克螺桿機制冷機組，2臺蒸汽鍋爐，4臺冷凍、冷卻水泵組成。夏季主要使用螺桿機制冷機組，全年制冷期約為5月下旬到10月上旬。冬季使用鍋爐制熱，全年制熱期約為11月中旬到來年3月下旬，酒店擁有2臺蒸汽鍋爐，供熱水溫度維持在55℃左右。全年鍋爐運行分兩個階段，用熱高負(fù)荷期為11月至來年4月，用熱低負(fù)荷期為5月-10月,鍋爐產(chǎn)生的熱水主要供暖、賓館客人盥洗。

表5 冷水機組性能測試匯總表

3.1.2 改造方式

1）在原有水冷機組上改造，增加熱回收裝置，將回收的熱量供于夏季的生活熱水。

2）用空氣源熱泵機組替代蒸汽鍋爐，利用電制熱替代天然氣采暖和生活熱水?？諝庠礋岜脵C組有很多優(yōu)勢：一是天然氣費用高，增幅快，電費相對低，增幅慢，且有峰谷平電價相差300%；二是原有天然氣系統(tǒng)設(shè)備老化，效率逐年下降而能耗上升，且制熱時壓力鍋爐存在安全性隱患。新增電制熱系統(tǒng)后制熱效率較原系統(tǒng)可提高30%左右，且系統(tǒng)為常壓，無安全隱患。

3.1.3 改造結(jié)果

1)改造前的能耗情況

冬季采暖能耗天然氣約為11．91萬m3，折合能耗154．79 tce，按照上海商用天然氣單價4．17元計算，共計49．66萬元。

2)改造后的能耗情況

在使用空氣源熱泵后（取冬季采暖效率為320%，鍋爐效率為95%），制取相同的熱量能耗約為38．24萬kWh，折合標(biāo)煤消耗量為114．71 t，按照上海商用電單價1元/kWh計算，需要38．24萬元。

節(jié)省能耗：154．79-114．71=40．08 tce

節(jié)省費用為:49．66-38．24=11．42萬元。

3.2 水泵變頻節(jié)能改造

3.2.1 設(shè)備概況

酒店現(xiàn)使用的水泵銘牌為無錫河埒，冷卻水泵功率為30 kW，共3臺，2用1備；冷凍水泵功率為22 kW，共3臺，2用1備。

3.2.2 改造方式

水泵改為變頻?？照{(diào)系統(tǒng)最大負(fù)載能力是按照日最大冷負(fù)荷設(shè)計，存在著很大的富余量。通常夏季空調(diào)運行大多數(shù)時間并不在設(shè)計工況下，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，空調(diào)設(shè)備95%的時間運行在70%的負(fù)荷以下[6]，并時刻都在波動，因此，實際負(fù)荷無法達(dá)到設(shè)計的滿負(fù)荷狀態(tài)。尤其是冷氣需求量少的情況下，主機負(fù)荷量低。為了提高運行效率，冷水機組采用多機頭或變頻調(diào)速，主機能根據(jù)負(fù)載的變化自動加載或卸載，而與之相配套的冷凍水泵和冷卻水泵如果沒有變頻裝置，仍在高負(fù)荷狀態(tài)下運行，出現(xiàn)大流量小溫差的現(xiàn)象。另外，一般泵功率是按峰值的1．1～1．2倍選配，因此水泵經(jīng)常處于“大馬拉小車”欠負(fù)荷運行，存在著很大的能量損耗。為此采用變頻技術(shù)通過調(diào)節(jié)泵頻率達(dá)到調(diào)節(jié)流量減少功耗節(jié)能的手段是極為有效的。

水泵在改變轉(zhuǎn)速時，由于流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此可通過調(diào)節(jié)水泵機組的轉(zhuǎn)速來實時調(diào)節(jié)需水量的變化，一方面可避免水泵機組在低效率區(qū)域運轉(zhuǎn)造成的電動機過載，另一方面也可以避免供水壓力偏高所造成的浪費。

水泵變頻調(diào)速應(yīng)用中需注意三個問題：首先超范圍調(diào)速難以實現(xiàn)節(jié)能目的，因此工作流量在額定流量90%以上變化時一般不采用變速調(diào)節(jié)；其次供水系統(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)供水，此時應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能高效運行，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)；最后若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都將使電機效率下降過快，最終影響到整個水泵機組的效率。而且在電機連續(xù)低速運轉(zhuǎn)時，也會因風(fēng)量不足影響散熱，影響電機安全運行。

3.2.3 改造結(jié)果

變頻幅度越大，年節(jié)電量越高。應(yīng)用電機變頻調(diào)速控制技術(shù)，雖然增加了調(diào)速機組以及相應(yīng)的配電設(shè)備、配電柜等設(shè)施，導(dǎo)致一次性投資增大，但經(jīng)驗表明，通常在改造后一年半內(nèi)即可收回調(diào)速控制增大的投資。調(diào)速控制技術(shù)具有長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會效益，是一項很好的節(jié)能措施。通過對空調(diào)水泵變頻節(jié)能量進(jìn)行計算與測試分析，并根據(jù)實際變頻改造工程的節(jié)能量進(jìn)行測評計算，水泵變頻后的節(jié)能率一般在30%左右[7]。按夏季年運行時間180天計算，日運行12 h/d，水泵系統(tǒng)年總能耗為22．46萬kWh，折合節(jié)約67．38 tce。

酒店水泵變頻后年耗電量可節(jié)省能耗為20．21 tce，節(jié)省費用為6．74萬元。

4 結(jié)論

我國建筑能耗長期居高不下，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗較高是主要原因。因此若能獲取建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行深入分析，是降低空調(diào)系統(tǒng)能耗乃至建筑能耗的有效途徑。針對現(xiàn)有建筑用能診斷大多集中在辦公、商業(yè)類建筑，以及缺乏現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，提出了對酒店建筑進(jìn)行現(xiàn)場實測，利用實測數(shù)據(jù)對建筑進(jìn)行節(jié)能分析診斷的方法。

選取上海市區(qū)內(nèi)一家酒店進(jìn)行現(xiàn)場實測診斷。利用流量計、溫濕度記錄儀、微壓差計等儀器測取4天冷水機組中進(jìn)出水溫差、壓力差等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4天內(nèi)機組COP值均小于額定COP，且偏差大于10%。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)該空調(diào)機組長期處于欠負(fù)荷運行狀態(tài)，且機組使用年限較長。在原有冷水機組上增加了熱回收裝置，同時對水泵進(jìn)行變頻節(jié)能改造，改造后可使酒店能耗費用降低18．16萬元。

利用建筑物本身的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直接定位問題所在，提高研究效率，為物業(yè)管理人員提供更有效的節(jié)能建議。對酒店進(jìn)行實測性分析以及節(jié)能評估并提供建議來節(jié)省能源，降低能耗，減少溫室氣體排放，響應(yīng)國家節(jié)能減排政策要求，加快實現(xiàn)國家能源規(guī)劃目標(biāo)；為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更先進(jìn)的技術(shù)指導(dǎo)，為建筑物達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)提供參考。