花都区节能弱电工程经验丰富既有商业建筑冷源系统节能诊断及优化

导读既有商业建筑冷源系统节能诊断及优化作者：祖光摘要：北京某商业建筑其空调面积8.81万m2，原设计东、西区及超市三个制冷机房，原空调系统冷水机组总装机容量约为....

既有商业建筑冷源系统

节能诊断及优化

作者：祖光

摘要： 北京某商业建筑其空调面积8.81万m2，原设计东、西区及超市三个制冷机房，原空调系统冷水机组总装机容量约为5757RT，现阶段实际供冷量为装机值的40%～60%，存在冷机初投资高、冷机运行负荷率低、冷机闲置、水泵效率低等问题，冷站综合效率为3.1左右，冷却水输配系数平均值为23.05，冷冻水输配系数平均值为13.75，远低于空调系统节能运行标准要求。基于实际空调负荷测算及水系统压降分析后，将该项目东西区部分业态空调系统进行合并，通过优化冷机总装机容量、二级泵系统改一级泵系统等措施，提高了冷机负荷率和COP，并提升了冷冻水输配系数。改造后，在10%到100%负荷率范围内，冷水机组综合COP提升至5.5以上，考虑水泵能耗后，冷站总体能效由改造前的3.1提升至4.0左右。该案例为具有相同问题的既有建筑节能改造提供指导。

Abstract:HVACs of a commercial building, air conditioning area of which is 88,100 m2, in Beijing is diagnosed and improved. Rated capacity of water chiller units is 5757RT, which is 1.7 to 2.5 times the actual cooling demands. This leads to problems of high initial investment, low load ratio of chillers and low efficiencies of pumps. For the existing HVACs, the efficiency of chiller plants, chilled water pumps and cooling water pumps are around 3.1, 23.05 and 13.75, respectively, which are much lower than the energy saving standards of HVACs. Based on cooling load calculation and pressure drop analysis of chilled water loops, it is decided to combine air conditioning systems of east and west parts of this building. Based on this, total rated capacity of chiller units is reduced and operating strategies under different load ratio are proposed. Besides, the original two-stage chilled water pumps system is transformed to be single stage system. These strategies can effectively increase COP of chillers and transportation coefficient of chilled water pumps. When load ratio is in the range of 10 % to 100 %, COP of chillers is increased to be over 5.5. When energy consumption of pumps is taken into consideration, efficiency of chiller plants is enhanced from 3.1 to 4.0. This commission case provides guidance for energy saving diagnosis and transformation of existing commercial buildings that have similar problems.

Keywords: commercial buildings; HVACs; energy-saving diagnoses; system transformation; commission

引 言

既有商业建筑暖通空调系统普遍存在运行工况偏离设计工况的问题。在设计阶段，由于建筑围护结构数据不详尽、业态不确定、室外参数选择不合理等原因，导致空调负荷计算不准确[1]；在设计负荷确定后，冷源配置与水系统设计不合理也会造成运行能耗偏大；建筑运营过程中，由于业态变更或功能变化导致空调负荷变化等。此外，既有建筑暖通空调系统经长时间使用后设备存在一定程度的损耗，且由于维护不足等原因造成设备运行效率逐年下降，从而造成建筑空调系统能耗增加。基于以上原因，既有建筑空调系统存在很大的系统调适和节能改造需求。

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*基金项目：中央高校基本科研业务费（FRF-IDRY-19-01）

空调系统调适与改造主要包括降低需求侧负荷和提升供给侧能效两方面。对于需求侧，可通过提升围护结构保温、密闭和透光特性以及规范人行为等手段降低冷负荷；对于供给侧，主要调适和改造对象包括冷水机组、冷冻/冷却水泵、管路、冷却塔及末端空调系统等。在这些方面已有大量成功改造案例。某办公楼采用空气源热泵替换已超出使用年限的空气源冷水机组与锅炉，经节能改造后空调系统年均运行费用降低38.2%[2]。天津某商业楼更换空调系统，在3个方案中选择了运行费用最低、使用年限最长、运行简单稳定的方案，水系统采用一次泵变流量，改造后节能率达到30%以上[3]。上海市某高级酒店采用磁悬浮机组代替原有螺杆机组，增加冷热源智能控制系统，并改造输配系统与冷却塔，单位建筑面积能耗下降22.1%[4]。福州某百货商场在空调系统中增加1台与原冷水机组相同容量的磁悬浮制冷机，与原有2台主机并联，通过阀门切换实现2用1备运行，改造项目中磁悬浮制冷机的单项节能率大于35%[5]。某商场空调系统大部分时间冷机低负荷运行，冷冻水大流量小温差，室内盘管送风温差小；改造后对水泵和室内风机进行变频控制，可减少冷冻水输送量和送风量，空调单项节能率为46%[6]。上海某高层酒店用高效的螺杆冷机替换原有冷机，使得冷水机组COP由4.9提高到7.3，将原二次泵系统改为一次泵变流量系统，并采用智能高效自适应系统，冷站综合效率由3.38提升到4.87[7]。

在此基础上，提高系统智能化水平，如对已有建筑进行智能化管理，对空调系统各设备的实时运行情况进行监控，可有效提高能源利用效率[8]。广州市某酒店由原先的工作人员手动控制机房设备启停，改为利用自控系统控制，尽可能使设备运行在最佳工况，智能改造后节能率达14%[9]。陕西某商场空调系统进行智能化改造，增加智能控制箱、增设温度传感器，并控制系统各阀门开度、设备启停等，减少了人为控制的误差，实现空调系统高效运行[10]。宁波市某办公楼空调系统的冷机凭人工经验进行台数控制，冷冻水水泵变频器未使用，实际定流量运行，冷却塔定频运行，改造后冷冻水为二次泵变频运行，冷却塔根据水温与室外温度自动调节，冷机采用自动控制，节能效果显著[11]。也有一些学者将机器学习的方法应用于空调系统智能调控，以此降低空调系统能耗并提高舒适度[12,13]。

本文针对中国北方寒冷地区某既有商业办公综合体存在的中央空调系统装机容量过大，水系统设计不合理的问题，对其节能诊断和系统调适进行介绍。该建筑东区冷站空调系统大多数运行时间仅开启1台冷水机组，负载率约为70%~80%，负荷高峰时开启2台冷水机组，第二台机组负载率约为70%，造成2台冷机闲置、冷机运行负载率低的问题，冷水机组综合COP约为4.8～6.2。该空调系统水系统的冷却水输配系数平均值为23.1，冷冻水输配系数平均值为13.8，远低于空调系统节能运行标准要求的40，且水泵约31.9 %的扬程消耗在了不合理的阻力部件上，导致水系统效率较低。空调系统的冷站综合效率约为2.6～3.2，亟需进行节能改造。同时西区冷站及超市冷站也存在冷机负载率低、效率低等问题。本文介绍的调适及改造方案可为相似公共建筑中央空调系统优化和改造提供参考。

1 被改造项目空调系统现状

1.1建筑信息及原有空调系统形式

被改造项目位于我国北方寒冷地区，为商场写字楼综合体，分为东、西两地块。东区总建筑面积约13.39万m2，主营业态包括商业、影院和办公；西区总建筑面积约6.45万m2，主营业态包括商业和超市。项目原有空调系统针对5个业态分别设置独立冷热源系统，其中东区商业、影院、办公楼分设了制冷机房，其中影院及办公不在本次改造范围内。西区商业及超市冷站独立设置，各区业态、机房及机房内主要设备信息如图1所示，其中东区商业的4台冷机均为变频离心式冷水机组。