基于關鍵指標法的某大型公共建筑空調供冷系統用能診斷與優化

汪雨清，卜 震，董翠麗（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

大型公共建筑因其高能耗引起人們的廣泛關注[1]，而供暖空調系統運行能耗則占大型公共建筑用能的 40%～50%[2]，能耗占比高。近年來針對大型公共建筑節能工作，也取得了一系列的成就[3]。傳統的空調用能診斷主要以專家經驗為主，耗時耗力，因此難以跟上新時代下基于智能化系統的新型高效用能診斷。當前，建筑智能化系統監測和控制建筑的主要用能設備，通過智能化平臺可實時顯示建筑各設備運行和能耗等基本用能參數。

憑借部分運維記錄及智能化平臺監測的供冷用能數據，并基于空調系統供冷冷源機組運行性能系數（Coefficient of Performance，COP）及運行負荷率等指標，可快速、有效診斷大型公共建筑的空調供冷系統冷源運行中存在的用能問題，并結合專業知識分析原因，給出優化策略。

1 冷水機組運行關鍵指標

通常空調冷源機組的運行評價采用的關鍵指標主要為冷水機組運行性能系數，指冷水機組制備的冷量與冷水機組能耗之比，計算公式如式（1）所示。

式中：COP—冷水機組運行性能系數；

Q—冷水機組制備的冷量，kWh；

Nchiller—冷水機組的能耗，kWh。

對于電制冷機組，Nchiller為輸入的電量；對吸收式冷水機組，Nchiller為加熱熱源消耗量（以低位熱值計）與電量消耗量（折算成一次能源）之和。

冷機運行的另外一個重要指標即為冷機負荷率，指標可有效反映冷機實際運行制冷量占額定制冷量的比例，可初步判定冷機實際運行出力。指標計算公式如式（2）所示。

式中：R—冷水機組運行負荷率；

Qs—冷水機組實際運行時制備的冷量，kWh；

Qe—冷水機組額定工況運行下制備的冷量，kWh。

2 診斷案例供冷系統

本案例建筑位于夏熱冬冷地區，主要功能為辦公和商業。空調系統分為內區和外區，其中內區常年供冷。在過渡季和冬季內區供冷時段，主要供冷策略為采用冰蓄冷與常規電制冷機組相結合的模式，白天由冰蓄冷系統承擔內區供冷負荷，晚間則由常規電制冷主機提供內區所需冷量。建筑配備的 3 臺雙工況離心式冷水機組（以下簡稱雙工況冷機）和 3 臺常規電制冷離心式冷水機組（以下簡稱常規冷機）。其中 3 臺雙工況冷機在冬季和過渡季主要用于夜間制冰，3 臺常規冷機則用于夜間制冷。本次診斷對象為常規冷機，冷機額定供冷量等參數見表 1。

表1 常規冷機性能系數表

3 常規冷機用能診斷

現場調研及溝通可知，過渡季和冬季建筑內區晚間負荷相對穩定，晚間主要開啟常規 2 號冷機，1 號常規冷機從不開啟。分別選取過渡季和冬季典型月數據，分析 2 號冷機的運行負荷率及運行 COP，分別如圖 1、圖 2 所示。

圖1 過渡季和冬季典型月2號冷機夜間運行負荷率

圖2 冬季和過渡季典型月2 號冷機夜間運行 COP 分布情況

分析冬季和過渡季典型月2 號冷機夜間運行的負荷率和 COP 分布情況可知，冬季和過渡季夜間 2 號冷機運行負載率低于 55%（1 號冷機額定制冷量為 2 號或 3 號冷機額定制冷量的 55%）以下時段分別占 58% 和 69%，COP 分布分別為 2.96～3.77 和 2.53～3.74，COP 均值分別為 3.37 和 3.14。可以看出，冬季和過渡季夜間運行 2 號大的冷機，多數時段均處于低負荷率運行，且運行 COP 均低于 3.5，僅為 2 號冷機額定 COP 的 60% 左右。因此，此策略下夜間運行 2 號冷機進行內區供冷，存在一定的用能潛力。

4 優化及節能效益計算

為最大發揮冷機制冷能力，本次提出采用 “小冷機替代大冷機”的運行優化策略，改善冷機運行效率偏低和負荷率低的情形。結合實際冷機 2019年全年用能數據（圖 3），初步測算冬季（12月、1月及 2月）及過渡季（3～5月、10～11月）內區供冷采用“小冷機替代大冷機”可節省的電量。

圖3 全年逐月常規冷機運行數據

因夏季白日冰蓄冷系統供冷量不足情況下，開啟部分常規冷機，因無法準確剝離具體夏季夜間常規冷機用電，本次僅計算過渡季和冬季夜間運行常規冷機用電及采用優化策略后可節省的電量。

分別統計和計算冬季及過渡季常規冷機夜間運行用電量，分別為 151709 kWh 和 589100 kWh，低于 55% 運行時段分別占 58% 和 69%，對應的常規冷機運行 COP 均值分別為 3.37 和 3.14。替代 2 號冷機負荷率低于 55% 的時段運行的 1 號常規冷機（小冷機）額定 COP 為 5.57，且基本可保證小冷機運行負荷率在 80%～100%，始終處于高效運行狀態。據文獻《基于全年負荷計算的制冷機組選型》[5]可知，冷機 COP 在負荷率為 80% 以上時，基本接近額定 COP。冬季及過渡季夜間內區供冷優化節能量及單項節能率計算見表 2。

表2 冬季及過渡季優化節能效果計算

通過計算可知，冬季和過渡季采用“小冷機替代大冷機”運行優化策略，單項節能率分別可達 65% 和 61%，節能率較高，說明采用此優化措施可有效提升設備運行效率，節能效益明顯。

5 結語

本文基于建筑實際運行記錄數據，并通過空調供冷系統關鍵指標判定，對空調系統開展用能診斷，發現案例中建筑內區在冬季和過渡季夜間供冷時，采用的常規冷機運行負荷率及系統 COP 均較低，提出采用“小冷機替代大冷機”的運行優化策略，提升常規冷機運行負載率及運行 COP，節能效益顯著。