上海市某超高層辦公樓空調系統(tǒng)調適

董國強 江吉華 蔡正乾

(阿特金斯顧問(深圳)有限公司上海分公司,上海)

0 引言

隨著碳中和目標的日益細化,近年來政府為開展公共建筑節(jié)能減排出臺了相關政策支持文件,并組織行業(yè)專家編制標準規(guī)范[1-2]、開展科研課題,推進新建和既有公共建筑機電系統(tǒng)的調適。新規(guī)范明確要求100 000 m2以上公共建筑應進行集中空調系統(tǒng)的調適[1]。建設方為提升項目品質,在越來越多的新建項目上聘請專業(yè)顧問人員開展機電系統(tǒng)調適。因空調系統(tǒng)能耗占公共建筑總能耗的30%～50%[3],且易出現(xiàn)舒適性問題,既有公共建筑的業(yè)主選擇對空調系統(tǒng)實施調適,解決日常運行問題并提升系統(tǒng)節(jié)能性。總體而言,建筑行業(yè)愈發(fā)重視機電系統(tǒng)調適。

該項目建筑為上海市某超高層高檔辦公樓,已交付使用5年多。因冬季較多樓層空調供暖效果差,業(yè)主通過對某些設備進行運行調整也未解決該問題,決定聘請專業(yè)人員對整個空調系統(tǒng)進行全面檢測,開展空調系統(tǒng)調適,以達到空調水流量、水溫和室內溫度等設計指標,提高冬季空調舒適度。在梳理該項目空調冷熱水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀后,專業(yè)人員針對運行問題幫助物業(yè)實施了設備整改、自控運行調適。該項目空調冷熱系統(tǒng)為常規(guī)典型設計,其運行調適經(jīng)驗對類似辦公樓建筑具有一定參考意義。

1 空調供熱系統(tǒng)調適

如圖1所示,該項目空調熱源為鍋爐,設計供/回水溫度為95 ℃/70 ℃;熱水系統(tǒng)設計板式換熱器將鍋爐側和用戶側分隔,用戶側主要分為高、低區(qū)板式換熱器系統(tǒng),低區(qū)熱水板式換熱器的二次側設計供水溫度為60 ℃,直接供應低區(qū)空調末端;高區(qū)一級熱水板式換熱器的二次側設計供/回水溫度為90 ℃/65 ℃,供應至設備層二級熱水板式換熱器,換熱成60 ℃熱水再供應高區(qū)空調末端。

圖1 空調熱水系統(tǒng)圖

1.1 熱水系統(tǒng)清洗

針對冬季較多樓層空調供熱效果差的問題,該項目對空調熱水系統(tǒng)進行了檢測,發(fā)現(xiàn)熱水系統(tǒng)流量不足。經(jīng)檢測,熱水泵性能正常,進一步檢測后確認了熱水板式換熱器及部分過濾器臟堵,部分測試數(shù)據(jù)見表1,額定流量下低區(qū)板式換熱器二次側進出水壓降偏大,達到10 m,超過額定值近1倍。系統(tǒng)臟堵導致了最大負荷運行工況下,高低區(qū)板式換熱器一次側鍋爐熱水總流量為設計值的58%,低區(qū)板式換熱器二次側空調末端熱水總流量僅為設計值的33%。為解決臟堵問題,物業(yè)組織維保單位拆洗板式換熱器,并對低區(qū)板式換熱器二次水管路進行了化學沖洗,使熱水系統(tǒng)總流量達到了設計指標,保證了各樓層空調末端的熱水流量需求。

表1 調適前低區(qū)板式換熱器二次側額定流量下壓差檢測結果

1.2 熱水系統(tǒng)運行調適

在熱水流量恢復正常后,該項目對熱水泵和熱水板式換熱器的運行使用進行了調整。

1) 調整鍋爐熱水泵的運行控制。調整前熱水泵與鍋爐啟停連鎖,當鍋爐熱水溫度達到設定溫度95 ℃停機后,鍋爐熱水泵也會全部停止,導致板式換熱器一次側不能持續(xù)穩(wěn)定地向二次側供熱,一段時間后二次側熱水溫度明顯低于設定要求,影響了空調機組供熱,需要物業(yè)手動開啟熱水泵設備。該項目調整了熱水泵連鎖程序,當最后1臺鍋爐停止運行后,對應的熱水泵保持運行,保證了一次側熱水持續(xù)向各臺板式換熱器穩(wěn)定供熱。

2) 調整二次側水泵變頻程序。該項目低區(qū)熱水泵為變頻水泵,但2臺水泵變頻運行時不同頻,導致頻率低的水泵輸出不足,故對水泵變頻控制程序進行了檢查調整,保證水泵同頻運行,提升了水泵運行性能。

3) 調整板式換熱器出水溫度。調適前高區(qū)一級板式換熱器設定出水溫度與低區(qū)板式換熱器同為60 ℃,但低區(qū)板式換熱器二次側熱水直接供應空調末端,而高區(qū)一級板式換熱器二次側熱水供應至設備層高區(qū)二級板式換熱器,經(jīng)換熱后再供應末端,如果一級板式換熱器設定出水溫度為60 ℃,將會降低二級板式換熱器出水溫度,影響高區(qū)末端供熱,故該項目將高區(qū)一級板式換熱器在寒冷天氣時的出水溫度調整為80 ℃。

經(jīng)過以上調整,整個熱水系統(tǒng)的溫度更加穩(wěn)定、合理,保證了空調末端的供熱需求,冬季室外氣溫近0 ℃時檢查了各樓層空調的送風溫度和室內溫度,均達到了設定值,提升了業(yè)主和各租戶的空調滿意度。

2 空調制冷系統(tǒng)調適

該項目空調制冷系統(tǒng)的冷源為3臺離心式冷水機組和1臺螺桿式冷水機組,冷水系統(tǒng)為二級泵系統(tǒng),一級冷水泵定頻,二級冷水泵變頻,分集水器間設計了平衡管,保證一次水流量達到冷水機組額定流量;同熱水系統(tǒng)相似,由于樓層較多,二次水分為高、低區(qū)系統(tǒng),高區(qū)系統(tǒng)在大樓中間設備層設置了冷水板式換熱器。

2.1 制冷設備整改

該項目通過對制冷系統(tǒng)檢測,發(fā)現(xiàn)設備存在以下問題,由物業(yè)進行了相應整改。

1) 如表2所示,整改前該項目螺桿式冷水機組夏季運行時蒸發(fā)溫度最低僅為0.8 ℃,影響冷水機組能效,檢測實際COP為4.35。物業(yè)聯(lián)合廠家對冷水機組進行調適,經(jīng)過更換潤滑油、添加制冷劑、清洗蒸發(fā)器換熱管后,將蒸發(fā)溫度提高到了4 ℃以上,實際COP也提升到了5.49,冷水機組運行能效和安全性有明顯改善,以螺桿式冷水機組平均負載率70%、年運行500 h、節(jié)能率15%進行估算,全年可節(jié)電11 550 kW·h。

表2 螺桿式冷水機組性能檢測

2) 如表3所示,整改前檢查發(fā)現(xiàn)1臺小冷卻水泵和1臺高區(qū)一級冷水泵運行異常,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)實際流量很低;通過檢查水泵前后壓力發(fā)現(xiàn)過濾器臟堵,清洗后水泵流量恢復正常。

表3 小冷卻水泵整改前后測試數(shù)據(jù)

2.2 自控系統(tǒng)調適

2.2.1水泵運行調適

該項目空調水泵運行能耗偏高,一是由于個別水泵因過濾器臟堵“出工不出力”,運行效率低;二是因自控程序編寫錯誤,螺桿式冷水機組的備用水泵也同時自動開啟;三是因二級水泵變頻程序未調適合格,當頻率自動微調時水泵就會頻繁啟停,導致物業(yè)人員只能強制工頻使用,大部分時間空調水流量大于需求,末端空調箱大部分電動水閥長時間關小,強制限流。上述問題導致了水泵能耗的增大,本次調適首先清理了水泵過濾器,減少了水泵運行數(shù)量,然后由維保單位檢查修正了變頻程序并更換了出現(xiàn)故障的壓力傳感器,使水泵頻率控制平穩(wěn),供回水壓差穩(wěn)定在設定值。如表4所示,空調水泵運行調適取得了較高的節(jié)能收益,經(jīng)計算每年運行1 000 h可節(jié)約水泵用電約82 100 kW·h,按照上海市2022年電力碳排放因子計算,年減碳量共34.5 t。

表4 水泵調適節(jié)能計算

2.2.2冷卻塔運行調適

原自控程序啟停冷卻塔風機過快,冷卻水溫度超過設定值后,短時間增加了多臺風機,冷卻水溫度持續(xù)下降;低于設定值后,冷卻塔快速減機,水溫復又升高,導致冷卻塔風機運行不穩(wěn)定,冷卻效率也低。本次調適由廠家對程序進行了調整,增大了加減機的時間間隔,使冷卻塔運行趨向穩(wěn)定,冷卻水溫度也不再一直波動。

3 未來節(jié)能提升

因空調系統(tǒng)原設計缺少一些必要的自控系統(tǒng)溫度傳感器和電動閥,該項目空調制冷系統(tǒng)的自控調適未達到最優(yōu)效果,故提出了以下幾點優(yōu)化建議,由業(yè)主未來選擇實施。

3.1 增加高低區(qū)冷水溫度監(jiān)測點位

該項目高區(qū)和低區(qū)二次冷水管路未設計樓宇自控系統(tǒng)(BA)溫度監(jiān)測點位,集水器各回水管路也未安裝溫度表。此設計缺失會影響二次冷水系統(tǒng)的運行監(jiān)測,無法準確了解高區(qū)和低區(qū)的回水溫度,不便于二次水系統(tǒng)調適。當二次冷水流量高于一次水時,部分二次回水會通過平衡管與冷水機組出水混合,升高分水器供水溫度,使空調末端對二次水流量需求變大,增大水泵能耗。因此建議增加相應的自控監(jiān)測點位,通過回水溫度隨時了解各區(qū)流量需求,使各組水泵更加準確地變頻運行,保持二次水總流量接近一次水流量。

3.2 調整水泵變頻程序

該項目冷水泵變頻均為壓差控制,由于壓差控制能更加靈敏地匹配末端流量需求,因此逐漸取代了溫差控制方式,成為多數(shù)民用建筑冷水系統(tǒng)的變頻方式,但并不是所有水泵變頻控制的最優(yōu)選擇。該項目高區(qū)冷水通過制冷機房單獨的1組變頻水泵輸送到設備層高區(qū)板式換熱器進行供冷,自控系統(tǒng)調節(jié)板式換熱器一次側電動閥開度,使板式換熱器二次側出水溫度穩(wěn)定在設定值;同時自控系統(tǒng)監(jiān)測板式換熱器一次側供回水壓差的變化,調節(jié)對應水泵頻率。此設計是目前常規(guī)設計,筆者認為如果將壓力傳感器改為溫度傳感器,并將一次側電動閥保持全開,避免閥門節(jié)流損失,通過監(jiān)測板式換熱器一次側供回水溫差來調節(jié)水泵變頻,將取得更好的水泵節(jié)能效果。

3.3 增加冷卻塔出水電動閥

該項目各開式冷卻塔進水管設計了電動開關閥,但出水管未設計,如果關閉進水電動閥,冷卻塔不進水、只出水,會導致冷卻塔液面降低后自動補水,浪費水資源。目前部分進水電動閥執(zhí)行器也出現(xiàn)故障,無法遠程控制,故進水電動閥均常開。夏季部分負荷時,風扇已停止的冷卻塔仍進出水,使得風扇在運行的冷卻塔流量變低,影響冷卻塔冷卻效果。針對該設計缺陷,建議未來增加冷卻塔出水電動閥,檢修故障的進水電動閥,恢復BA控制,實現(xiàn)根據(jù)冷卻水溫度決定冷卻塔運行數(shù)量;關閉不運行冷卻塔的進水、出水電動閥,避免冷卻水無效旁通,提升冷卻塔整體冷卻效果。

4 結論

該項目空調系統(tǒng)的運行調適,既提升了辦公樓冬季各樓層的供熱效果,也降低了夏季制冷系統(tǒng)的運行能耗,減少了項目的碳排放,達到了業(yè)主的預期。筆者總結了新建和既有公共建筑機電系統(tǒng)調適項目的經(jīng)驗,提出以下建議：

1) 新建公共建筑應按照國家規(guī)范要求進行細致的機電系統(tǒng)調適,實現(xiàn)機電系統(tǒng)的功能性和節(jié)能性,避免建設資金的浪費。現(xiàn)有較多項目因工期緊張,竣工交付時未進行系統(tǒng)性調適,特別是空調系統(tǒng),不僅舒適度不高,而且整體運行能效低,增加了部分運行費用。為響應國家節(jié)能減排的要求,類似項目建議在交付3 a內由專業(yè)技術人員開展空調系統(tǒng)運行再調適。

2) 項目業(yè)主在建設階段應重視空調自控系統(tǒng)的設計和調適,因某些自控設計師和編程人員對空調系統(tǒng)工藝理解的疏漏,導致較多項目的自控設計需要優(yōu)化。如果冷熱源群控系統(tǒng)未經(jīng)專業(yè)人員調適,其基本的控制程序都難以達到穩(wěn)定運行的要求,導致物業(yè)對控制系統(tǒng)信任度低,在部分電動閥故障或傳感器失準后,自控系統(tǒng)就轉變成了手動操作系統(tǒng)或者僅是設備啟停的監(jiān)視系統(tǒng),失去了設計初衷。

3) 對于既有公共建筑,定期進行空調系統(tǒng)的“體檢”,檢測各設備性能指標,是保持空調系統(tǒng)健康運行的重要措施,可以及時發(fā)現(xiàn)設備存在的“隱疾”,避免設備損壞而影響使用壽命,建議每2～3 a實施一次全面檢測;自控系統(tǒng)調適是重要的節(jié)能手段,不僅可以節(jié)約能源費用,還可以減少管理人力。