廣州市某大型商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

何業(yè)龍

(廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校,廣州510320)

1 前 言

隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)和環(huán)境要求的提高,建筑物及其空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題也日益顯現(xiàn)出來。在發(fā)達(dá)國(guó)家,建筑能耗占總能源消耗的30%～40%,是能耗的最大部分;據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)建筑能耗已占全國(guó)總能耗的20%左右[1],成為總能耗的重要組成部分,預(yù)計(jì)到2020年,民用和商業(yè)用能耗將分別占到全國(guó)總能耗的23.2%和28.6%,而這部分能源利用率卻很低,只有30%左右。我國(guó)大型公共建筑單位面積耗電量約為住宅建筑的5～13倍,普通公共建筑的3～7倍[1],存在較大的節(jié)能潛力。廣州市地屬夏熱冬暖地區(qū),能源供應(yīng)主要以電力為主,廣州地區(qū)公共建筑 (特別是大型商場(chǎng)、高檔旅館飯店、高檔辦公樓等)的全年能耗中,空調(diào)系統(tǒng)用電約占50%～60%[1],空調(diào)負(fù)荷高峰期,其用電量已經(jīng)超過4500萬kWh,相當(dāng)于2.5倍三峽電站滿負(fù)荷的發(fā)電量[2],因此,對(duì)于有高耗能需求的現(xiàn)代化城市,提高能源利用效率、降低建筑使用能耗、實(shí)施經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,建筑節(jié)能勢(shì)在必行。

2 廣州市大型商場(chǎng)建筑能耗特點(diǎn)

隨著社會(huì)的發(fā)展,第三產(chǎn)業(yè)不斷增加的情況下,商場(chǎng)建筑的興起,是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然產(chǎn)物,是城市發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的一部分。商場(chǎng)建筑是與當(dāng)代大眾生活關(guān)系最密切的公共建筑之一。在我國(guó)市場(chǎng)化程度越來越高的情況下,其從數(shù)量、規(guī)模上都有著很大的拓展空間。大型商場(chǎng)建筑的服務(wù)內(nèi)容和功能結(jié)構(gòu)已選遠(yuǎn)超出了常見的商場(chǎng)建筑類型范疇。商業(yè)建筑在以商業(yè)購物為基本功能的基礎(chǔ)上,加入餐飲、文化娛樂、休閑,甚至是旅館、公寓、辦公等內(nèi)容,它們之間相互協(xié)調(diào)、融合,從而整合出新的建筑形式——商業(yè)綜合體,其內(nèi)容的多元化、復(fù)雜化,產(chǎn)生了形態(tài)的多樣化,形成方便的、受歡迎的購物環(huán)境,從而吸引大量顧客。

筆者通過查閱廣州地區(qū)7棟大型商場(chǎng)建筑能耗資料[3],包括商場(chǎng)建筑基本情況、商場(chǎng)建筑年耗電量、逐月耗電量和空調(diào)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗,看出大型商場(chǎng)建筑能耗水平和能耗構(gòu)成特點(diǎn),其中蘊(yùn)含巨大的節(jié)能潛力。

廣州市大型商場(chǎng)建筑作為集多種功能于一體的綜合性建筑,由于其功能復(fù)雜多樣,且同一建筑中常常有銷售、出租和自持等多種物業(yè)管理方式,因此,其能耗構(gòu)成更為復(fù)雜,如圖1,即為廣州某大型商業(yè)綜合體的能耗調(diào)查結(jié)果。

圖1 某商場(chǎng)設(shè)備分項(xiàng)耗電量及比例 (kWh/m2·a)

圖2 典型商場(chǎng)2010年全年耗電量分布圖

從圖2中我們可以看出由于夏季空調(diào)系統(tǒng)的使用,該建筑耗電量在6、7、8月較高,在1、2月較低,最小的耗電量出現(xiàn)在2月,最大耗電量出現(xiàn)在8月份,而且通風(fēng)空調(diào)能耗的變化直接影響了總能耗的變化,這二者的變化在數(shù)值上是基本一致的,在趨勢(shì)上是完全一樣的,可見照明、設(shè)備等電耗是全年基本穩(wěn)定的,通風(fēng)空調(diào)的耗電量的增加直接導(dǎo)致了總耗電量的增加。

空調(diào)系統(tǒng)能耗在商場(chǎng)能耗中占有很大的比例,節(jié)能潛力大,研究其能耗構(gòu)成,對(duì)商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究意義重大。從圖3可以看出:空調(diào)系統(tǒng)能耗中,空調(diào)冷水機(jī)組能耗所占的比例最大,高達(dá)51%,其次是風(fēng)柜機(jī),為26%,冷凍水泵和冷卻水泵分別占12%和9%,冷卻塔只有2%。

資料調(diào)查中了解到廣州市一些商場(chǎng)的空調(diào)設(shè)備從3月開啟運(yùn)行到12月[3]。并且,這類建筑多采用大型的全空氣系統(tǒng)空調(diào)方式。全空氣系統(tǒng),尤其是許多商場(chǎng)所采用的定風(fēng)量式全空氣系統(tǒng),其風(fēng)機(jī)電耗遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的水泵電耗。這樣,運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)和風(fēng)機(jī)耗電高導(dǎo)致大型商場(chǎng)單位建筑面積的電耗指標(biāo)在大型公共建筑中最高[4]。

圖3 某商場(chǎng)空調(diào)能耗構(gòu)成

3 廣州市某大型商場(chǎng)空調(diào)概況

3.1 建筑基本情況

該商場(chǎng)是目前廣東省營(yíng)業(yè)面積最大的集購物、美食、娛樂、休閑、服務(wù)于一體的現(xiàn)代大型購物中心。該商場(chǎng)是座 “三位一體”的建筑—— 由購物中心)、寫字樓 (東塔)、公寓式酒店 (西塔)組成,購物中心建筑面積16萬m2,營(yíng)業(yè)面積10萬m2。地上7層,地下3層,北面露天廣場(chǎng)面積3000多m2。寫字樓總建筑面積10.3萬m2,主體總高度195m。層數(shù)45層,標(biāo)準(zhǔn)層層高4.05米。5～45層為辦公樓層,每層建筑面積約2270m2。第四、十九、三十三層為避難層。

大廈外墻充分體現(xiàn)環(huán)保概念,由節(jié)能型Low-E鍍膜中空雙層的環(huán)保玻璃構(gòu)成,配合橫縱交織的噴涂鋁條框架,塑造流暢、簡(jiǎn)潔、明亮的外觀效果,有效地減少室外光污染。

3.2 商場(chǎng)空調(diào)設(shè)備概況

該商場(chǎng)中央空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)冷量為31680kW(9000冷噸)(1冷噸≈3.52kW),由美國(guó)開利公司制造的4臺(tái)2000冷噸離心冷水機(jī)組和1臺(tái)1000冷噸離心式冷水機(jī)組組成,配套設(shè)備有5臺(tái)250kW冷卻水泵、5臺(tái)132kW冷凍水泵、4臺(tái)110kW寫字樓二次水泵、8臺(tái)90kW裙樓二次水泵、3臺(tái)55kW酒店二次水泵、16臺(tái)15kW和16臺(tái)7.5kW冷卻塔(分為4組),已開通使用風(fēng)機(jī)239臺(tái),風(fēng)柜122臺(tái),風(fēng)機(jī)盤管275臺(tái),負(fù)責(zé)天河城廣場(chǎng)和45層甲級(jí)寫字樓 (每層2270m2)的供冷以及由240臺(tái)微機(jī)構(gòu)成的美國(guó)Andover公司空調(diào)自控系統(tǒng)所組成。

當(dāng)運(yùn)行一臺(tái) (2000RT)冷水機(jī)時(shí),運(yùn)行一組冷卻水塔 (共4臺(tái)15kW,4臺(tái)7.5kW),1臺(tái)250kW冷卻水泵,兩臺(tái)90kW的裙樓二次泵 (東區(qū)、西區(qū)各一臺(tái))以及1臺(tái)110kW寫字樓泵。

當(dāng)運(yùn)行一臺(tái) (1000RT)冷水機(jī)組時(shí),運(yùn)行一組冷卻水塔 (共4臺(tái)15kW,4臺(tái)7.5kW),1臺(tái) 75kW冷卻水泵,兩臺(tái)90kW的裙樓二次泵 (東區(qū)、西區(qū)各一臺(tái))以及1臺(tái)110kW寫字樓泵。

空調(diào)系統(tǒng)每年3～12月份運(yùn)行,1-2月份季節(jié)性停機(jī)保養(yǎng)。每日開機(jī)時(shí)間為9∶30-22∶00,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)冷水機(jī)組獨(dú)立或聯(lián)合運(yùn)行。

4 商場(chǎng)空調(diào)運(yùn)行性能分析

為掌握中央空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)和規(guī)律,現(xiàn)以1#離心冷水機(jī)組的主要運(yùn)行數(shù)據(jù) (包括壓縮機(jī)功耗、負(fù)載率、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度)進(jìn)行分析研究。

4.1 冷水機(jī)組運(yùn)行分析

4.1.1 負(fù)載率分析

負(fù)載率的高低影響離心冷水機(jī)組的性能系數(shù),而性能系數(shù)是衡量機(jī)組是否節(jié)能的主要指標(biāo)[31]。

圖4 1#離心冷水機(jī)組負(fù)載率頻數(shù)分布圖

由圖4可以看出,在2010年6-8月期間,1#離心冷水機(jī)組負(fù)載率在65%以上的時(shí)間頻數(shù)累計(jì)占96.46%。這主要是涉及冷水機(jī)組群控策略問題。根據(jù)工程部反映,1#冷水機(jī)組是主力機(jī)組,當(dāng)有冷量需求時(shí),將優(yōu)先投入運(yùn)行,直至一臺(tái)機(jī)組無法滿足負(fù)荷需求,再啟動(dòng)2#冷水機(jī)組補(bǔ)充制冷,所以1#冷水機(jī)組基本處于高負(fù)載率下運(yùn)行。

4.1.2 冷凝溫度運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

通常,離心式冷水機(jī)組具有COP高、單機(jī)容量大、工作可靠等特點(diǎn),且導(dǎo)葉閥可實(shí)現(xiàn)15%-100%范圍內(nèi)的能量無級(jí)調(diào)節(jié)。根據(jù)我國(guó)JV/T7666-1995標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,蒸發(fā)溫度為5℃,較冷媒水出水溫度低2～4℃;冷凝溫度為35℃,水冷式機(jī)組的冷凝溫度一般要高于冷卻水出水1～2℃溫度。

從圖5可以看出,1#機(jī)組冷凝溫度在33～38℃之間變化,平均溫度為36.017℃,在2009年6-8月期間,1#離心冷水機(jī)組的冷凝溫度大部分時(shí)間在38℃以下,主要集中在35～38℃之間,少數(shù)時(shí)間低于35℃。

圖5 1#冷凝溫度的時(shí)域變化

在相同工況條件下,隨著冷凝溫度的降低,冷水機(jī)組單位制冷量有所增加,理論比功減少。由于性能系數(shù)與單位制冷量成正比,而與理論比功成反比,在單位制冷量增大和理論比功減少的情況下,冷水機(jī)組性能系數(shù)將會(huì)有大幅提升。但是,并不是說冷凝溫度越低越好,在實(shí)際運(yùn)行中,如果冷凝溫度過低,必然要求冷卻水溫度降低,這樣可能會(huì)使制冷劑流經(jīng)過冷凝器后過冷度太大,最終影響到壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。而且,冷凝溫度的降低必須以增加冷卻塔能耗為代價(jià) (包括風(fēng)機(jī)、水泵能耗和水量損失),所以,冷凝溫度不宜過低。由此可見,1#離心冷水機(jī)組的運(yùn)行還是比較合理和節(jié)能的。

4.1.3 蒸發(fā)溫度運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

圖6 1#離心冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度變化

根據(jù)熱力學(xué)分析可知,蒸發(fā)溫度的降低將導(dǎo)致COP值的降低,且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度越接近,COP值也就會(huì)越高,即只需要用很少的功就可以把較多的熱量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩础?/p>

總體上來說,1#離心冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在 5～8℃之間運(yùn)行,但是,也有部分時(shí)間蒸發(fā)溫度運(yùn)行在5℃以下和8℃以上。1#離心冷水機(jī)組93%的時(shí)間運(yùn)行在5℃以上,所以,冷水機(jī)組的運(yùn)行還是合理和節(jié)能的。

4.2 冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行分析

商場(chǎng)空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用定流量系統(tǒng),即進(jìn)、出冷凝器的水流量基本保持不變。該冷卻水系統(tǒng)未設(shè)置流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可知進(jìn)出冷卻塔的水量也保持不變。冷水機(jī)組按照我國(guó)JV/T7666一1995標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計(jì),即按最大冷負(fù)荷和5℃的供回水溫差來確定。

4.2.1 冷卻水進(jìn)出水溫差

1#離心冷水機(jī)組冷凝器大部分時(shí)間運(yùn)行在5℃,占97.8%,可以認(rèn)為,運(yùn)行規(guī)律基本跟隨冷水流量和進(jìn)出水溫差變化。

4.2.2 冷卻塔耗水量分析

由圖8可知,該商場(chǎng)中央空調(diào)系統(tǒng),冷卻水系統(tǒng)耗水量 1、2、12月最少,在1000m3以下,7、8、9月耗水量最多,均超過5000m3,全年呈現(xiàn)中間高兩端低的趨勢(shì)。這主要是受環(huán)境溫度和濕度的影響,在廣州地區(qū),夏季天氣炎熱干燥,而且夏天是空調(diào)負(fù)荷高峰,機(jī)組負(fù)荷率高,所以,空調(diào)冷卻水耗水量增加,這與上面的分析相吻合。

4.3 冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行分析

冷凍水進(jìn)出水溫差分析:

圖9反映的是1#離心冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差變化規(guī)律。從圖中可以看到,1#離心冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差大部分時(shí)間集中在4～6℃之間運(yùn)行,平均溫差5.01℃。總體上來說,1#離心冷水機(jī)組的運(yùn)行在這方面較理想,但還有進(jìn)一步改善的空間。

圖9 1#離心冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差變化

5 結(jié)論

通過以上分析,總體上說,該空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好,但存在冷凍水系統(tǒng)大溫差小流量現(xiàn)象,運(yùn)行控制與管理調(diào)節(jié)存在諸多不到位的地方、自然能源利用率低,多數(shù)商場(chǎng)不能實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)等問題,導(dǎo)致較大的能量浪費(fèi)。因此采取相應(yīng)的節(jié)能措施,降低能耗有很大的空間。

(1)控制和正確使用室外新風(fēng)量

新風(fēng)負(fù)荷占建筑物總負(fù)荷的20%～30%,控制和正確使用新風(fēng)量是空調(diào)系統(tǒng)最有效的節(jié)能措施之一。因此在滿足衛(wèi)生條件下,合理的利用新風(fēng)對(duì)建筑節(jié)能很重要。如在冬夏季盡量減少新風(fēng)量,而在過渡季節(jié),盡量較多采用新風(fēng)甚至采用全新風(fēng)在適當(dāng)時(shí)間對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱。

(2)回收冷量

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)排風(fēng)溫度較低,如果把冷量就此排走會(huì)損失冷量,增加系統(tǒng)能耗,因此可采用熱回收交換設(shè)備使新風(fēng)在被處理前與排氣進(jìn)行熱交換,新風(fēng)溫度便有所降低,可減少新風(fēng)機(jī)組的負(fù)荷,降低能耗。

(3)增加自控裝置

由于該商場(chǎng)建于1992年,自動(dòng)控制系統(tǒng)相對(duì)老化、不足,因此對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),也可以節(jié)約大量能源。例如在組合式空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)總管和新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)總管上分設(shè)溫度傳感器,也就是使過濾后的混風(fēng)溫度保持在新風(fēng)溫度與回風(fēng)溫度的某一加權(quán)平均值,其所測(cè)風(fēng)溫與設(shè)定值比較后輸出電信號(hào),調(diào)整回水管比例積分電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度,調(diào)節(jié)水流量,保證回風(fēng)溫度在設(shè)定的波動(dòng)范圍內(nèi)。

(4)應(yīng)用一次泵變流量技術(shù)

一般來說,空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量是在最大負(fù)荷下確定的,水泵揚(yáng)程則是據(jù)最不利環(huán)路的水阻力乘以安全系數(shù)確定的,由于目前設(shè)計(jì)多采用估算法,同時(shí)還考慮一定的安全系數(shù),再加上冷量的富余,水泵的設(shè)計(jì)選型明顯偏大[5]。因此通過增設(shè)變頻器將現(xiàn)存的定流量水系統(tǒng)改造成變量水系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單可行的節(jié)能辦法。

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