廣州某皮具商場(chǎng)能耗分析及改進(jìn)建議

辛軍哲 鄒華 胡吉龍

廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

0 概況

廣州某皮具商場(chǎng)位于廣州白云區(qū)三元里大道，地下2 層，地上11 層，是一棟綜合商業(yè)大廈。其功能劃分為：地下二層為機(jī)房和車庫(kù)，地下一層為商鋪和機(jī)房以及工程部辦公室，地上一層—地上三層為普通皮革商鋪，四層—六層為皮革旗艦店及銀行，七層—十一層為寫字樓。總建筑面積46300 m2，空調(diào)面積為36940 m2，商場(chǎng)賣場(chǎng)的營(yíng)業(yè)時(shí)間為9:00-17:30，但是為滿足消費(fèi)者的熱舒適狀況，商場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)會(huì)在8:30開(kāi)啟進(jìn)行預(yù)冷。

該商場(chǎng)位于白云區(qū)某商圈的主要地段，日常客流量較大，商場(chǎng)內(nèi)部商鋪反應(yīng)每月所繳電費(fèi)過(guò)高，為了了解整個(gè)商場(chǎng)的能耗系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，提高運(yùn)行能效，根據(jù)該皮具城物業(yè)人員測(cè)得的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合大廈照明、動(dòng)力等部分的歷年電耗數(shù)據(jù)，找出了大廈能耗系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案。

1 大樓能耗分析

根據(jù)物業(yè)人員提供的數(shù)據(jù)計(jì)量系統(tǒng)的記錄結(jié)果，得到了該商場(chǎng)2009 年及2018 年兩年共計(jì)24 個(gè)月的逐月總電耗，如圖1 所示。

圖1 商場(chǎng)總耗電量

從圖1 可知，自2009 年1 月以來(lái)，該商場(chǎng)的總電耗量不斷上升，從2009 年的3688 MWh 到2018 年的5746 MWh，增幅達(dá)56%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)該商場(chǎng)具有較大節(jié)能空間，商場(chǎng)類建筑能耗主要由三大部分組成，分別為空調(diào)系統(tǒng)能耗，照明系統(tǒng)能耗以及動(dòng)力系統(tǒng)能耗，下面從這三方面分析找出商場(chǎng)電耗增加的主要原因所在。

1.1 空調(diào)系統(tǒng)的逐月耗電量

該商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)僅用于夏季制冷用，冬季不用于供暖，且只有一套冷水系統(tǒng)，服務(wù)于整棟大樓。本建筑制冷機(jī)房設(shè)于地下二層，制冷機(jī)房?jī)?nèi)有3 臺(tái)450RT 離心式制冷主機(jī)（兩用一備），設(shè)4 臺(tái)冷凍水泵（3 用1備），冷卻水系統(tǒng)設(shè)4 臺(tái)冷卻水泵（3 用1 備），3 臺(tái)超低噪聲冷卻塔。地下一層至四層為商場(chǎng)，除個(gè)別小房間外，均采用全空氣系統(tǒng)，空氣處理機(jī)組布置在各層的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。五層至十一層為寫字樓，基本采用吊頂空調(diào)加新風(fēng)機(jī)組的形式，部分樓層區(qū)域改造成風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組位于各層空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。大廈空調(diào)系統(tǒng)2009 年和2018 年的逐月耗電量具體如圖2所示。

圖2 大廈空調(diào)系統(tǒng)逐月耗電量

2009 年的空調(diào)能耗為1862 MWh，2018 年的空調(diào)能耗為3099 MWh，空調(diào)能耗這一塊的增幅達(dá)到了66.4%。從2018 年各能耗系統(tǒng)的占比情況來(lái)看，空調(diào)能耗占據(jù)該商場(chǎng)能耗的主要部分，其占比達(dá)到了53%，尤其是在夏季，空調(diào)能耗接近當(dāng)月總能耗的七成，因此應(yīng)將其作為解決能耗問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。

1.2 公共區(qū)域照明系統(tǒng)的耗電量

照明系統(tǒng)方面由于商場(chǎng)類建筑外表較少采用玻璃幕墻，建筑采光大多被實(shí)心墻體和廣告牌遮擋，因此建筑內(nèi)部大多為需要人造光源的內(nèi)區(qū),而且商家為了商品展示能達(dá)到較好的效果，通常會(huì)采用照度較高的燈具，使得照明的能耗大大增加。但是隨著LED 節(jié)能燈的興起，以及一部分照明燈具經(jīng)久失修，使得照明電耗逐年變化并不大。通過(guò)查看該商場(chǎng)物業(yè)人員的記錄：2009 年公共區(qū)域的照明能耗為1396 MWh，2018 年公共區(qū)域的照明能耗為2159 MWh，增幅約為37%。

1.3 動(dòng)力系統(tǒng)的耗電量

動(dòng)力系統(tǒng)的耗電主要在電梯（貨梯及手扶電梯），空氣幕等設(shè)施。2009 年動(dòng)力系統(tǒng)的能耗為428 MWh，2018 年動(dòng)力系統(tǒng)的能耗為473 MWh，對(duì)比2009 及2018 年該系統(tǒng)的耗電量可以發(fā)現(xiàn)其基本保持平穩(wěn)，增幅不大，因此在分析整個(gè)大樓的節(jié)能降耗方面可以忽略其影響。

1.4 各系統(tǒng)的耗電量對(duì)比

從2009 年和2018 年的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，整個(gè)商場(chǎng)在十年間，其耗能增加了2058 MWh，其中空調(diào)系統(tǒng)耗能增加了1236 MWh，占總增加量的60%。照明系統(tǒng)耗能增加了739 MWh，占總增加量的37%。動(dòng)力系統(tǒng)耗能增加了40 MWh，占總增加量的3%。因此解決該大樓的能耗增長(zhǎng)問(wèn)題需要深入到空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)部分。

2 商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀檢測(cè)

2.1 空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備年運(yùn)行電耗占比

通過(guò)該商場(chǎng)物業(yè)管理人員給出的空調(diào)系統(tǒng)各部件的能耗情況來(lái)看，制冷主機(jī)，水泵以及末端設(shè)備的電耗占比分別達(dá)到了49%，25%和21%（圖3），因此應(yīng)將制冷主機(jī)和冷凍水泵，末端設(shè)備作為節(jié)能降耗的重點(diǎn)。

圖3 冷水機(jī)組各部件電耗占比

2.2 冷水機(jī)組的性能測(cè)試

根據(jù)商場(chǎng)物業(yè)管理部門委托專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)的制冷主機(jī)的調(diào)查報(bào)告來(lái)看，三臺(tái)主機(jī)運(yùn)行時(shí)間已達(dá)23 年，全部進(jìn)入老化期，筆者和該商場(chǎng)物業(yè)管理人員合作于2019 年1 月對(duì)商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，得了包括不同制冷工況下機(jī)組的冷凍水和冷卻水進(jìn)出口溫度，流量等數(shù)據(jù)[1]。由測(cè)得的數(shù)據(jù)可以分別計(jì)算這三臺(tái)機(jī)組在測(cè)試日的實(shí)際制冷量，制冷量的計(jì)算公式如下：

式中：Q-制冷機(jī)的制冷量，kW；c-冷凍水的比熱容，取4.19 J/ (kg℃)；m-冷凍水的流量，m3；tin-制冷機(jī)冷凍水進(jìn)口溫度，℃；tout-制冷機(jī)冷凍水出口溫度，℃。

由此可分別得到三臺(tái)制冷機(jī)的實(shí)際制冷量：

冷水機(jī)組電耗可由下式計(jì)算得到

式中：P-制冷機(jī)的電耗，W；U-制冷機(jī)的輸入電壓，V；I-制冷機(jī)的輸入電流，A。

由此可得三臺(tái)機(jī)組的實(shí)際電耗：

從而進(jìn)一步得出三臺(tái)主機(jī)的實(shí)測(cè)能效比：

額定能效比是主機(jī)在額定工況下的效率，即主機(jī)運(yùn)行時(shí)，冷凍水的供水溫度為7 ℃，冷卻水出水溫度為32 ℃，根據(jù)主機(jī)運(yùn)行特性的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有：冷凍水供水溫度每升高1 ℃，制冷機(jī)效率提高1%-2%（計(jì)算取1.5%），冷卻水回水溫度每升高1 ℃，制冷機(jī)效率下降2%～3%（計(jì)算取（2.5%）。因此可以推斷出制冷機(jī)額定工況下的實(shí)際能效比為：

測(cè)試結(jié)果及計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 改造前的空調(diào)主機(jī)數(shù)據(jù)

從以上表1 數(shù)據(jù)及計(jì)算得出的結(jié)果可以看出三臺(tái)主機(jī)的實(shí)測(cè)COP 僅為2.7～3.4，約為額定COP 的50%，遠(yuǎn)低于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 中夏熱冬暖地區(qū)離心式機(jī)組COP 最小限值5.7 的要求。一方面，由于蒸發(fā)器的供回水溫差過(guò)小，僅為3.1-3.8 ℃，蒸發(fā)器的實(shí)測(cè)流量偏小，造成實(shí)際制冷量遠(yuǎn)小于其額定制冷量。另一方面，由于泠凝器的實(shí)測(cè)流量偏小，造成實(shí)際功率遠(yuǎn)大于其額定功率。同時(shí)，經(jīng)過(guò)查詢主機(jī)樣本，發(fā)現(xiàn)其蒸發(fā)器、冷凝器前后壓差應(yīng)在71 kPa 左右，而本次檢測(cè)主機(jī)蒸發(fā)器前后壓差在216～223 kPa，冷凝器前后壓差在80～149 kPa，根據(jù)壓差的偏離情況初步推斷制冷量偏小和功率偏大的主要原因應(yīng)該是蒸發(fā)器和冷凝器換熱板及冷凍水，冷卻水管道有結(jié)垢的現(xiàn)象。后經(jīng)物業(yè)人員的拆機(jī)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器換熱板確實(shí)結(jié)垢嚴(yán)重。

2.3 水泵的性能測(cè)試

對(duì)冷卻水泵及冷凍水泵運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)出口壓力等進(jìn)行檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 水泵測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2 中的數(shù)據(jù)可以得出水泵的實(shí)測(cè)效率：

式中：η-水泵效率；N-水泵輸入的軸功率，kW；Ne-水泵的有效功率，kW；ρ-流體密度，kg/m3；G-取9.8N/kg；Q-流量，m3/s；H-水泵揚(yáng)程，m。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出備用水泵已損壞無(wú)法正常使用，計(jì)算得出三臺(tái)冷凍水泵的實(shí)測(cè)效率分別為36%，34%，35%，三臺(tái)冷卻水泵的實(shí)測(cè)效率分別為62%，54%，61%，根據(jù)目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《離心泵效率標(biāo)準(zhǔn)》GBT13007-2011 中的要求，對(duì)應(yīng)流量的離心水泵效率不應(yīng)低于73%，而目前實(shí)測(cè)效率只有規(guī)定限值得56%～76%。通過(guò)分析六臺(tái)水泵的額定參數(shù)，其中三臺(tái)冷凍水泵的額定流量分別為267 m3/h，260 m3/h，251 m3/h，三臺(tái)冷卻水泵的額定流量分別為370 m3/h，353 m3/h，354 m3/h。而根據(jù)理論計(jì)算，制冷主機(jī)對(duì)應(yīng)的冷凍水泵額定流量為320 m3/h，冷卻水泵的額定流量為400 m3/h，可以看出各臺(tái)主機(jī)的冷凍水流量偏小了19%左右，冷卻水流量偏小了10%左右，說(shuō)明冷水機(jī)組及管道的結(jié)垢導(dǎo)致了管道流通界面變小，管道阻力增大，流量偏小，因此水泵實(shí)際并非在最佳工況下運(yùn)行。由此看出冷水機(jī)組及冷凍水，冷卻水管道的結(jié)垢也影響到了水泵的正常運(yùn)行。

2.4 空調(diào)末端的性能測(cè)試

從表3 可以看出只有KT-FGJ-1、KT-FGJ-19 兩臺(tái)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定風(fēng)量，且KT-FGJ-2 只達(dá)到了額定風(fēng)量的65%。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通風(fēng)管道檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)道出口的過(guò)濾網(wǎng)被灰塵堵塞，因此導(dǎo)致風(fēng)壓大大增加，風(fēng)量減少，其運(yùn)行工況偏離了額定工況，就此看來(lái)風(fēng)機(jī)也具有較大的節(jié)能空間。

表3 改造前的末端裝置風(fēng)量

3 改造措施

3.1 空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器、冷凝器的改造

經(jīng)過(guò)商場(chǎng)物業(yè)管理人員的拆機(jī)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)制冷主機(jī)由于運(yùn)行年限過(guò)長(zhǎng)引發(fā)的蒸發(fā)器、冷凝器內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致傳熱效率大幅下降，且冷凍水、冷凝水水管流通截面變小使得水流阻力增大，機(jī)組出水溫度升高繼而使得能耗大幅提高，運(yùn)行成本增加，并且存在較大的安全隱患[2]。鑒于更換制冷主機(jī)成本較高，且目前該建筑變壓器無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)容改造，因此決定對(duì)原制冷主機(jī)采取修復(fù)措施。

目前，對(duì)于制冷機(jī)的阻垢和除垢的常用方法主要有兩種：物理阻垢法和化學(xué)阻垢法。物理阻垢法一般是對(duì)結(jié)垢表面，水質(zhì)或水質(zhì)成分的物理作用，使得污垢失去粘附在表面的能力，在一定沖刷作用下就能脫附被水沖走，包括機(jī)械除垢，磁場(chǎng)電場(chǎng)阻垢以及涂料法等等。化學(xué)阻垢法是通過(guò)用化學(xué)的方法來(lái)去除水垢，主要有添加阻垢劑，加酸法，離子交換法及CO2法等[3]。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組水垢的結(jié)垢情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)研后確定了除垢方案：在商場(chǎng)營(yíng)業(yè)時(shí)間結(jié)束以后停運(yùn)主機(jī)，拆開(kāi)主機(jī)的機(jī)殼，先用高壓水槍沖洗換熱通關(guān)把大部分的污垢沖洗掉，然后用毛刷刷掉部分水垢。最后將配置好的酸洗液加入到循環(huán)水系統(tǒng)中，開(kāi)啟水系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，使加入藥劑的水自動(dòng)清洗換熱管道環(huán)路，直至清洗掉余下的水垢后，打開(kāi)排水裝置，排掉污水及清洗掉的水垢。加入新水并用堿進(jìn)行中和，并用鈍化劑進(jìn)行鈍化。再次排掉廢水后，加入2～3 次新水進(jìn)行漂洗。至此，機(jī)組即可進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

在物業(yè)管理人員按除垢方案進(jìn)行除垢后，物業(yè)管理人員再次對(duì)冷水機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4 所示，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出三臺(tái)冷水機(jī)組的平均COP 達(dá)到了3.79 W/W。

表4 改造后的空調(diào)主機(jī)數(shù)據(jù)

3.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的改造

根據(jù)前面的分析檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)道出口的過(guò)濾網(wǎng)被灰塵堵塞，導(dǎo)致風(fēng)壓大大增加，風(fēng)量減少，運(yùn)行工況偏離額定工況。據(jù)此，對(duì)風(fēng)機(jī)盤管及各樓層的風(fēng)管進(jìn)行疏通處理并拆卸過(guò)濾器進(jìn)行清洗。通過(guò)以上措施，物業(yè)管理人員再次檢測(cè)末端裝置風(fēng)量發(fā)現(xiàn)，末端風(fēng)柜平均風(fēng)量達(dá)到了額定風(fēng)量的91%。

表5 改造后的末端裝置風(fēng)量表

4 改進(jìn)意見(jiàn)

4.1 空調(diào)水系統(tǒng)的改進(jìn)建議

對(duì)于該建筑用途而言，該商場(chǎng)月用電高峰主要集中在7、8 月，日用電高峰主要在11:00 到15:00，空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間其實(shí)都處于部分負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)下，因此一直處于定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的水泵造成了大量的能源浪費(fèi)。該商場(chǎng)原空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)采用的是主機(jī)定流量、末端變流量的一級(jí)泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)雖然對(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)有一定的節(jié)能效果，但水泵的能耗并未減少[4]。因此有必要對(duì)6 臺(tái)水泵加裝水泵變頻器，并結(jié)合溫度傳感器、溫度變送器等構(gòu)成自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)冷凍水、冷卻水泵進(jìn)行改造。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，變頻器調(diào)節(jié)水泵流量發(fā)生變化，冷水機(jī)組改變制冷量，達(dá)到主機(jī)和水泵均節(jié)能的目的。控制策略如圖4所示：

圖4 水泵變頻控制原理圖

圖4 水泵控制策略通過(guò)比較壓差設(shè)定值與實(shí)際壓差，將結(jié)果輸入至通用的PID 控制器，PID 控制器輸出相應(yīng)的水泵頻率。采用水泵變頻，雖然水泵效率較最高效率點(diǎn)略有下降，但是水泵流量和揚(yáng)程均下降，水泵功耗會(huì)顯著下降。考慮到主機(jī)最低流量要求，變頻器變頻范圍設(shè)置為35～50 Hz。當(dāng)水泵頻率為35 Hz 時(shí)，系統(tǒng)壓力仍過(guò)大且未到減機(jī)條件時(shí)，此時(shí)壓差旁通閥開(kāi)啟，旁通部分流量。

查看表2 中數(shù)據(jù)可以知道該冷水機(jī)組冷凍水泵額定功率為PN=55 kW，全速時(shí)供水量QN=320 m3，每天的平均流量為80%QN，泵的空載損耗約為15%PN[5]。則：消耗功率P1=(55-55×15%)×0.8×0.8×0.8+55×15%=32.19 kW。節(jié)電率N1=(55-32.19)/55=41.47%。

同樣的，冷卻水泵每天的平均流量為90%QN，則：消耗功率P2=(45-45×15%)×0.9×0.9×0.9+45×15%=34.63 kW。節(jié)電率N2=(45-34.63)/45=23.04%。

經(jīng)過(guò)計(jì)算證明，改造后水系統(tǒng)節(jié)電率一般可達(dá)到20%～40%以上，預(yù)計(jì)節(jié)省電費(fèi)約（3098071×14%×41.47%+3098071×11%×23.04%）×0.6=15.5 萬(wàn)元。

4.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)建議

建議對(duì)空調(diào)末端風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查并維修，根據(jù)室外溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)反饋的室外空氣溫濕度情況調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)和新風(fēng)閥。當(dāng)室外空氣的比焓低于商場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)的比焓時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟新風(fēng)機(jī)和新風(fēng)閥，加大新風(fēng)量或全新風(fēng)運(yùn)行，充分利用新風(fēng)的自然冷卻能力對(duì)商場(chǎng)進(jìn)行降溫，并擴(kuò)大室外新風(fēng)百葉口面積加大新風(fēng)的引入，提高新風(fēng)量，盡量充分利用新風(fēng)來(lái)自然冷卻，以減少制冷主機(jī)的開(kāi)啟時(shí)間達(dá)到節(jié)能的目的。在過(guò)渡季節(jié)大量引入新風(fēng)的方法減少了制冷主機(jī)6%的運(yùn)行時(shí)間，大約年節(jié)省電費(fèi)約了1518055 kWh×6%×0.6=5.5萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)前面對(duì)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)行除垢改造后，冷水機(jī)組的COP 恢復(fù)為3.9 W/W。根據(jù)物業(yè)管理部門提供的2018 年空調(diào)能耗記錄表，2018 年空調(diào)主機(jī)的耗電量約為1518055 kWh。由三臺(tái)制冷主機(jī)的COP 基本在2.9 W/W 左右，則全年負(fù)荷為4402360 kWh。按除垢后的冷水機(jī)組COP 計(jì)算，預(yù)計(jì)年耗電量為4402360 kWh/3.79=1161573 kWh，年節(jié)省電量約為1518055-1161573=356482 kWh，每年節(jié)省電費(fèi)約為356482×0.6=21.4 萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)前面對(duì)風(fēng)機(jī)盤管及各樓層的風(fēng)管進(jìn)行疏通處理并拆卸過(guò)濾器進(jìn)行清洗改造后，各末端風(fēng)柜平均風(fēng)量達(dá)到額定風(fēng)量的91%。根據(jù)物業(yè)管理部門提供的2018 年空調(diào)能耗記錄表，2018 年各末端風(fēng)柜的耗電量約為650790 kWh，風(fēng)量提高后，預(yù)計(jì)年耗電量為618250 kWh，年節(jié)省電量約為32540 kWh，每年節(jié)省電費(fèi)約為2 萬(wàn)元。上述兩者合計(jì)，年節(jié)省電費(fèi)高達(dá)23.4 萬(wàn)元，該節(jié)能改造案例的成功實(shí)踐，可為廣州地區(qū)其它類似大型公共建筑的節(jié)能改造起到借鑒與指導(dǎo)作用。