上海某大廈制冷機房系統節能診斷分析

任天宇

上海電力設計院有限公司

0 引言

清華大學建筑節能研究中心發布的《中國建筑節能年度發展研究報告（2021）》顯示，中國建筑運行能耗占全社會總能耗的23%［1］。建筑能耗和碳排放主要來源于用電最多的季節性空調，空調能耗是建筑運行能源消耗中最主要的組成部分，約占建筑運行能耗的50%左右，超過了照明、電梯、辦公設備的總能耗［2-3］。制冷機房作為空調系統的源頭，它的節能與否是判斷建筑是否節能的關鍵。因此，制冷機房節能的意義非常重大，診斷與分析制冷機房的節能問題也顯得尤為重要與迫切。

1 工程概況

工程為上海某5A 甲級辦公樓，總建筑面積達2.8萬m2，地上18層，地下1層，標準層建筑面積1 639 m2，標準層層高3.3 m，物業管理方式為第三方公司管理。辦公樓主要能源消耗類型為電力、天然氣。

大廈中央空調制冷機房設置于B1 層，空調冷源為3 臺螺桿式水冷機組，輔機包括4 臺一次冷凍泵、4臺二次冷凍泵、4臺冷卻泵、3臺冷卻塔。制冷機房設備清單見表1所示。

2 制冷機房系統運行現狀

針對項目制冷機房部分安裝物聯網數據采集系統，并于9 月25 日正式上線，現截取采集周期內數據匯總如表2所示。

表2 物聯網數據采集情況表

2.1 冷機運行規律

冷機本地模式下開關記錄如表3。

表3 螺桿式水冷機組本地模式開關記錄表

可知：為迅速使大樓降溫，工作日早晨通常先開啟兩臺冷機1～3 h，隨后切換為單機運行；除加班等特殊情況外，冷機每天6:30 左右開啟，全天運行時長為11 至12.5 h；節假日冷機開關時間較為靈活，根據大樓辦公需求和工程部人員響應情況而有所不同。

根據平臺溫度數據可知（如圖1 所示）：1 號冷機冷凍出水溫度設定值為9 ℃，2 號冷機冷凍出水溫度設定值為7 ℃。

圖1 9月28日冷機冷凍水出水溫度

根據平臺功率數據可知（如圖2 所示）：1 號冷機及2號冷機9月28日當天，在冷凍水出水溫度小于設定值時仍保持全天未卸載，可知冷機加卸載受回水溫度控制；采集階段的數據反映，大部分工作日，冷機基本保持加載運行狀態。

圖2 9月28日冷機功率

2.2 輔機運行規律

2.2.1 一次冷凍泵

根據一次冷凍泵本地模式開關記錄可知（如表4 所示）：一次冷凍泵運行時段基本與冷機運行時段相吻合，略長于冷機運行時段。單臺冷機運行時，開啟兩臺一次冷凍水泵；雙臺冷機運行時，開啟三臺一次冷凍水泵。一次冷凍水泵無變頻器，運行頻率為50 Hz，額定功率為15 kW。

表4 一次冷凍泵本地模式開關記錄

2.2.2 二次冷凍泵

根據二次冷凍泵開關記錄可知（如表5 所示）：二次冷凍水泵運行時間基本與冷機運行時段相吻合，工作日常開三臺二次冷凍水泵；所有二次冷凍水泵均配置有變頻器，運行頻率設置為48.9 Hz，額定功率均為18.5 kW。

表5 二次冷凍泵本地模式開關記錄

2.2.3 冷卻泵

根據冷卻泵本地模式開關記錄可知（如表6 所示）：冷卻泵運行時段與冷機運行時段基本吻合，單臺冷機運行時，開啟兩臺冷卻泵；雙臺冷機運行時，開啟三臺冷卻泵。冷卻泵無變頻器，運行頻率為50 Hz，額定功率為37 kW。

表6 冷卻泵本地模式開關記錄

2.2.4 冷卻塔

冷卻塔風機根據冷卻水供回水溫度進行啟停控制，同時，冷卻塔風機配置的雙速電機會根據相應條件進行高低速切換。根據數據分析，冷卻塔高低速運行功率如下所述：1 號冷卻塔風機高速運行時段平均功率為14.41 kW，低速運行時段平均功率為4.64 kW；2號冷卻塔風機高速運行時段平均功率為13.95 kW，低速運行時段平均功率為4.18 kW；3 號冷卻塔風機高速運行時段平均功率為13.06 kW，低速運行時段平均功率為4.30 kW。

2.3 管路特性

根據采集階段的平臺溫度數據可知（如圖3所示）：冷機出水溫度與二次側供水溫度存在較大溫差。以9 月26 日和9 月27 日為例，系統平穩運行時，冷機出水溫度與二次側供水溫度溫差在4 ℃以上。

圖3 冷機出水溫度與二次側供水溫度

根據采集階段的平臺溫度數據可知（如圖4所示）：二次側供回水溫差較小。以9 月26 日和9 月27 日為例，系統平穩運行時，二次側供回水溫差在0.8 ℃以下。

圖4 二次側供水溫與二次側回水溫

根據采集階段的平臺溫度數據可知（如圖5 所示）：冷卻水供回水溫差較小。以9月27日為例，系統平穩運行時，冷卻水供回水溫差在3 ℃以下。

圖5 9月27日冷卻水出水溫與冷卻水回水溫

2.4 系統能耗情況

物聯網數據采集系統對各用電設備進行了用電量計量，現將9月25日-10月11日采集數據匯總如表7所示。

表7 制冷機房設備用電量計量表(單位：kWh)

根據導出數據可知（如表7、圖6所示）：各設備用能結構相對合理。

圖6 制冷機房系統設備用能占比

3 系統節能潛力分析

3.1 冷凍水側

現象一：冷機出水溫度與二次側供水溫度溫差較大，二次冷凍泵設定頻率較高，二次側供回水溫差較小。

節能潛力分析：二次側流量過大，導致一次側、二次側流量配比不平衡，冷機制冷量無法完全釋放［4］。通過優化一次冷凍泵及二次冷凍泵開啟數量、調整二次冷凍泵運行頻率，從而使一次冷凍泵、二次冷凍泵流量達到相對平衡，冷機產生的高品質冷量得以輸配至二次側。

現象二：冷機出水溫度設定值較低，長時間處于加載狀態。

節能潛力分析：由于回水溫度高，供回水溫差大，冷機長時間保持加載狀態，在系統管路輸配問題得到解決后，在保證二次側供水溫度的前提下，可以動態優化出水溫度設定值［5］，從而提升冷機效率并且減小冷機供回水溫差，使冷機可進入待機狀態，達到節能效果。

現象三：冷機平穩運行時，相同參數冷機耗電量不一致。

節能潛力分析：冷機內部運行邏輯設定及效率存在差異，同時冷機之間的管路連接特性存在一定差異，對冷機進行設備尋優，盡量多開啟效率較高的主機，可減少冷機能耗。

3.2 冷卻水側

現象一：冷卻水供回水溫差較小，冷卻泵運行功率大。

節能潛力分析：冷卻水供回水溫差較小，是由于冷卻水流量存在過供應問題，調整冷卻水流量［6-7］，加裝冷卻泵變頻器，降低冷卻泵運行頻率，改善冷卻水過供應問題，減少冷卻泵能耗。

現象二：冷卻泵未及時關閉，啟停時間與冷機不一致，導致浪費。

節能潛力分析：由于人力管理的缺陷，導致了冷卻泵未能及時停機，引入智能管控，與冷機關聯啟動，防止工作人員忘記或者未及時關泵等誤操作，及時停止冷卻泵運行，可減少冷卻泵能耗。

現象三：冷機平穩運行時，負荷波動受冷卻塔啟停及風機電機高低速切換影響。

節能潛力分析：冷機能效受冷卻塔控制影響較大，冷卻塔控制不合理，需根據冷機效率變化，重新確定冷卻塔控制邏輯，使冷機效率始終維持在高效區間，冷卻塔控制存在優化空間。

4 節能優化方案及節能分析

基于上述第3 章的節能潛力分析，采取以下節能控制策略。

4.1 冷機節能

優化方案1：動態調整冷機出水溫度設定值

鑒于目前二次側供水溫12 ℃仍能匹配末端需求的現狀，冷量輸配問題解決后，冷機設定溫度可由7～9 ℃調整至10 ℃及以上，減小供回水溫差，使冷機進入待機狀態，增加待機時長，達到節能效果。

優化方案2：冷機尋優

根據目前采集階段數據可知冷機之間存在效率差異，引入智控手段可調整冷機設定，根據數據分析冷機性能，完成冷機尋優。

預計實施以上措施，冷機節能率可達15%。根據分項計量統計，冷機年用電量34.8 萬kWh，節電量約5.2萬kWh。

4.2 冷凍泵節能

優化方案1：一次冷凍泵與冷機關聯啟停

根據采集階段數據可知，在冷機由雙臺切換為單臺時，一次冷凍泵會減少運行臺數，本操作受工作人員影響較大，往往停泵不及時（9 月26 日、9 月30 日）。引入智能管控，使一次泵運行臺數與冷機運行臺數關聯，對冷機、冷凍泵進行啟停跟蹤，做到機組的智能啟停，防止工作人員忘記或者未及時關泵等誤操作，可減少一次冷凍泵能耗。

優化方案2：二次冷凍泵與冷機關聯啟停

根據采集階段數據可知，在冷機關機時，二次冷凍泵曾出現忘記關泵的失誤（9 月24 日-9 月25日），引入智能管控，對冷機、冷凍泵進行啟停跟蹤，做到機組的智能啟停，防止工作人員忘記或者未及時關泵等誤操作，可減少二次冷凍泵能耗。

優化方案3：二次冷凍泵降頻運行

目前工作日常見的工況為兩臺一次冷凍泵對應三臺二次冷凍泵，通過對二次冷凍泵進行頻率調整，使一次冷凍泵、二次冷凍泵流量達到相對平衡，減少二次冷凍泵能耗。

預計實施以上措施，冷凍泵節能率可達20%。根據分項計量統計，冷凍泵年用電量12.2 萬kWh，節電量約2.4萬kWh。

4.3 冷卻泵節能

優化方案：規范冷卻泵運行和降頻運行

根據采集階段數據可知，中央空調系統冷卻水供回水溫差較小，在雙臺冷機運行時，開啟兩臺冷卻泵就能使冷卻水供回水溫差降低至3 ℃以下（9 月27 日），在加裝變頻器后，物聯網智控系統可以對濕球溫度、冷卻水供回水溫度進行跟蹤，據此智能調控冷卻泵運行臺數并降低冷卻泵運行頻率，減少冷卻泵能耗。

預計實施以上措施，冷卻泵節能率可達30%，根據分項計量統計冷卻泵年用電量12.9萬kWh，節電量約3.9萬kWh。

4.4 冷卻塔節能

優化方案：冷卻塔智能啟停和風機高低速切換

物聯網智控系統可以對冷機、冷卻塔進行啟停跟蹤，及時關塔，防止因關塔不及時造成浪費，并通過專家規則，結合冷機能耗進行風機高低速切換。

預計實施以上措施，冷卻塔不產生節電量，節電量在冷機側體現，冷機節能率提高2%。根據分項計量統計冷機年用電量34.8 萬kWh，節電量約0.7萬kWh。

根據項目系統運行現狀和節能潛力分析，項目將采用新建物聯網智控節能優化控制系統的方式，利用硬件設備，搭建一套完整的控制系統，實現制冷機房系統運行的數字化、參數調整的智能化和管理的便利化。通過對大廈制冷機房新增物聯網智控節能優化控制系統，制冷機房預計可實現年節電量12.2 萬kWh，年節約標準煤約35.2 tce，改造后制冷機房系統綜合節能率19.1%。

5 結論

通過對安裝在制冷機房的數據采集系統記錄的相關數據進行節能診斷分析，發現項目制冷機房內的主機和輔機的運行規律，同時針對現有系統運行存在的問題進行了節能潛力分析，并提出相應的節能優化控制策略，最后在制冷機房安裝一套物聯網智控節能優化控制系統，通過對制冷機房系統實施物聯網智控節能優化，改造后制冷機房系統綜合節能率19.1%，為既有建筑的空調系統節能降耗提供了一種高效可行的解決方案。