某辦公樓空調(diào)冷熱源系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)研究

胡芳芳

上海浦公節(jié)能環(huán)保科技有限公司

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度要求的提高，公共建筑能耗逐年提高，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗可達(dá)40%～50%［1］。此外，近10 年隨著空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，新一代產(chǎn)品性能和節(jié)能指標(biāo)明顯提高。基于上述情況，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的節(jié)能改造尤為重要，直接影響空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益［2］。該項(xiàng)目對(duì)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，采用節(jié)能高效改造方案，并進(jìn)行了可行性論證和改造價(jià)值與成果分析，為同類機(jī)關(guān)建筑的節(jié)能改造提供經(jīng)驗(yàn)及參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為一棟?rùn)C(jī)關(guān)辦公樓，已投運(yùn)超過(guò)20 年，地上7層，建筑高度30 m。建筑面積為15 768.59 m2，空調(diào)面積為13 403.31 m2。運(yùn)營(yíng)時(shí)間為周一至周五，8:30-17:00。大樓空調(diào)系統(tǒng)分為：1）1F～5F 為職工辦公室，采用風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)；2）6F、7F為領(lǐng)導(dǎo)辦公室，采用VRV 空調(diào)和分體空調(diào)，近兩年已整體更新，運(yùn)行良好。1F～5F的空調(diào)機(jī)組接近壽命年限，老化嚴(yán)重，安全隱患高，空調(diào)內(nèi)機(jī)保養(yǎng)尚好，項(xiàng)目針對(duì)1F～5F 的冷熱源系統(tǒng)（機(jī)組、水泵及管道附件）進(jìn)行節(jié)能改造，原空調(diào)末端系統(tǒng)保持不變。設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 空調(diào)冷熱源設(shè)備技術(shù)參數(shù)表

1.2 運(yùn)行狀況

查閱近三年空調(diào)運(yùn)行記錄可知，每年5 月-10月為制冷運(yùn)行季，11 月-次年3 月為供暖運(yùn)行季。運(yùn)行策略為7 F 平臺(tái)冷熱源系統(tǒng)的典型工況開(kāi)啟2臺(tái)空調(diào)機(jī)組和3 臺(tái)循環(huán)泵，極端天氣開(kāi)啟3 臺(tái)空調(diào)機(jī)組和4臺(tái)循環(huán)泵；8 F平臺(tái)冷熱源系統(tǒng)的典型工況開(kāi)啟1臺(tái)空調(diào)機(jī)組和1臺(tái)循環(huán)泵，極端天氣開(kāi)啟2臺(tái)空調(diào)機(jī)組和2臺(tái)循環(huán)泵。經(jīng)節(jié)能診斷可知：

1）空調(diào)機(jī)組：根據(jù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)報(bào)告，機(jī)組運(yùn)行COP為1.3，能效衰減較大。外立面銹蝕嚴(yán)重，故障率高，原負(fù)荷配置冗余較大。

2）循環(huán)水泵：無(wú)防雨裝置，露天放置，銹蝕嚴(yán)重。安裝于8樓平臺(tái)的水泵未根據(jù)單臺(tái)空調(diào)機(jī)組額定流量進(jìn)行選型，而是根據(jù)系統(tǒng)總水量確定，選型偏大。

3）管道：室外管道銹蝕嚴(yán)重，保溫層及管道附件（如溫度計(jì)、壓力表等）部分損壞。

1.3 能耗分析

根據(jù)2017-2019年能耗賬單和用能面積分析，大樓三年內(nèi)年均消耗總標(biāo)煤為476.2 tce，單位建筑面積能耗為30.1 kgce/ (m2·a)，該數(shù)值高于指南先進(jìn)值24 kgce/(m2·a)［3］，說(shuō)明該大樓仍有一定節(jié)能潛力。結(jié)合三年逐月電力能耗賬單對(duì)大樓進(jìn)行能耗分析，見(jiàn)圖1。

圖1 大樓逐月能耗分析柱狀圖

大樓已安裝能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)詳細(xì)記錄了主要用能支路的能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)取平臺(tái)能耗數(shù)據(jù)拆分用能占比見(jiàn)圖2所示。

圖2 大樓主要用電占比

由圖1 和圖2 可知，每年12 月-次年3 月、6 月-10 月為用電高峰月，經(jīng)分析是冬季采暖和夏季空調(diào)使用能耗大所致；根據(jù)已有能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)用電占比最大，為37%。綜上分析，空調(diào)系統(tǒng)用電主要為耗能項(xiàng)，為有效遏制能耗攀升，須重點(diǎn)關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行節(jié)能技改。

2 改造方案

針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，分析論證后確定對(duì)冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行更新改造和智能控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能減排。改造方案采用高效風(fēng)冷熱泵空調(diào)機(jī)組和水泵對(duì)原設(shè)備進(jìn)行替換，安裝一套冷熱源群控系統(tǒng)，對(duì)空調(diào)機(jī)組及水泵進(jìn)行智能管控和優(yōu)化運(yùn)行，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

2.1 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)踏勘現(xiàn)狀及運(yùn)行策略，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行解析，可知7 F 平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)在極端工況下所需制冷量為1 005 kW；8 F 平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)在極端工況下所需制冷量為527 kW。空調(diào)已運(yùn)行20 年，極端工況下多開(kāi)啟機(jī)組的原因與機(jī)組本身老化、制冷能力衰減、管道保溫破損等因素有關(guān)［4］，并參考機(jī)組歷史電耗數(shù)據(jù)，得出大樓的實(shí)際用冷（熱）需求不大于1 600 kW。

根據(jù)最新規(guī)范規(guī)定的室內(nèi)外氣象條件和最小新風(fēng)量要求，參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08107-2015）圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，并依據(jù)前述供能面積數(shù)據(jù)，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，得出冷負(fù)荷為1 670 kW，熱負(fù)荷為1 610 kW，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)為125 W/m2，單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為120 W/m2。

由此可見(jiàn)，冷熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值與現(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)果基本吻合，滿足大樓當(dāng)前冷熱負(fù)荷的用能需求，即空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和制熱量分別為1 670 kW 和1 610 kW。

2.2 冷熱源系統(tǒng)改造

基于大樓空調(diào)冷熱源現(xiàn)狀，參考負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，選擇采用13 臺(tái)（制冷量130 kW/臺(tái)）模塊式風(fēng)冷熱泵空調(diào)機(jī)組替換原有機(jī)組，可滿足全年制冷制熱負(fù)荷需求，新機(jī)組完全符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08107-2015）的標(biāo)準(zhǔn)要求（COP 3.0）。13 臺(tái)空調(diào)機(jī)組分兩組配置，8 臺(tái)安裝于7 F平臺(tái)，5 臺(tái)安裝于8 F 平臺(tái)。改造后空調(diào)機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)冷模塊機(jī)組參數(shù)表

2.3 輸配系統(tǒng)優(yōu)化及改造

由踏勘現(xiàn)狀及運(yùn)行策略可知，對(duì)原有水泵進(jìn)行整體更新替換，替換方案兼顧夏季制冷和冬季供暖輸配循環(huán)需要，以滿足空調(diào)機(jī)組循環(huán)流量要求。水泵選型根據(jù)空調(diào)機(jī)組布置、水系統(tǒng)流量及原設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)的水泵參數(shù)進(jìn)行確定，新更換的循環(huán)水泵技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 循環(huán)水泵參數(shù)表

另對(duì)室外管道、儀器儀表等部件及保溫層進(jìn)行更新修復(fù)，并新增電子除垢儀，以全面保證系統(tǒng)的安全可靠及節(jié)能運(yùn)行。根據(jù)空調(diào)實(shí)際負(fù)荷、水泵選型等合理優(yōu)化設(shè)計(jì)供回水管徑，其中7 F（冷負(fù)荷1 040 kW）供回水干管管徑為DN200；8 F（冷負(fù)荷650 kW）供回水干管管徑為DN200；機(jī)組（冷負(fù)荷130 kW）進(jìn)出水支管管徑為DN80；水泵進(jìn)出水支管管徑為DN150，集水器總管管徑為DN300；以上管道設(shè)計(jì)流速均在合理流速范圍之內(nèi)。改造后的系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 7 F平臺(tái)（左）和8F平臺(tái)（右）冷熱源系統(tǒng)流程圖

2.4 新增冷熱源群控系統(tǒng)

為保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠、能效提升及節(jié)能降耗，新增一套冷熱源群控系統(tǒng)，對(duì)空調(diào)機(jī)組和水泵遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制（自動(dòng)啟/停控制、手自動(dòng)控制、故障報(bào)警等監(jiān)控）、自動(dòng)調(diào)節(jié)（根據(jù)室內(nèi)外溫度和負(fù)荷變化，智能調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)及控制策略）；空調(diào)機(jī)組回水管路安裝電動(dòng)閥門(mén)，遵循一機(jī)對(duì)一泵，實(shí)現(xiàn)機(jī)組與電動(dòng)閥互鎖及優(yōu)化控制；機(jī)組與水泵連鎖控制，提升系統(tǒng)效率和延長(zhǎng)設(shè)備壽命；對(duì)機(jī)組和水泵用電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握冷熱源能耗情況，便于用戶對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及精細(xì)化管理。

3 節(jié)能效果

據(jù)已有資料，改造前冷熱源系統(tǒng)年用電量539 510 kWh。根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，改造后冷熱源系統(tǒng)2022年用電量354 815 kWh，每月用電量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。經(jīng)計(jì)算，冷熱源系統(tǒng)改造后實(shí)現(xiàn)年節(jié)能量184 695 kWh，年節(jié)省標(biāo)煤52 tce，電費(fèi)單價(jià)1 元/kWh，年節(jié)約能源費(fèi)用184 695 元。項(xiàng)目投資額150萬(wàn)元，靜態(tài)回收期約8年。

表4 改造后空調(diào)冷熱源系統(tǒng)2022年用電量報(bào)表

4 結(jié)論

該項(xiàng)目深入貫徹落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略，積極推進(jìn)綠色低碳工作。首先通過(guò)節(jié)能診斷，找出耗能及潛力所在，其次在充分考慮技術(shù)可行性、施工便捷性、智慧運(yùn)營(yíng)及高效節(jié)能的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性的改造方案，并最大程度利用原設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了新舊系統(tǒng)高效融合。實(shí)施改造后實(shí)現(xiàn)年節(jié)省標(biāo)煤52 tce，年節(jié)約能源費(fèi)用184 695 元，年CO2減排量77.6 t，同時(shí)大幅降低了設(shè)備維護(hù)成本和物業(yè)人員管理成本，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。項(xiàng)目成果為同類既有建筑改造項(xiàng)目提供了參考和借鑒，為新建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供了新思路［5］。