辦公建筑空調單級泵水系統(tǒng)節(jié)能技術改造的實踐與分析

陳 榕

(中國人民銀行福州中心支行,福建福州350003)

辦公建筑中空調系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的比例可高達50%～60%,因此,降低空調系統(tǒng)能耗是建筑節(jié)能的關鍵。在空調系統(tǒng)的總能耗中,水系統(tǒng)(包括冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng))的能耗占30%～40%。水系統(tǒng)耗電設備 (冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等)的容量是按最大設計熱負荷選定的,但空調在實際運行中絕大部分時間都是處于部分負荷運行,且負荷率在50%以下的運行時間占一半以上,而冷凍水泵和冷卻水泵全速運行,造成了能量的大量浪費。因此,空調水系統(tǒng)的節(jié)能是既有辦公建筑空調節(jié)能改造的重點。

空調水系統(tǒng)節(jié)能的常用方法有機、泵臺數(shù)控制和變頻控制,變頻調速不改變管路特性,而靠移動水泵工作點使之沿管路特性曲線移動,保持水泵在最高效率點運行,因而可以達到最大的節(jié)能效果。目前,變頻調速在二級泵水系統(tǒng)中應用比較成熟,但由于二級泵水系統(tǒng)存在系統(tǒng)復雜、初投資大、自控要求高、機房占地面積大等缺點,使得二級泵水系統(tǒng)在工程中應用并不多,一般只應用于大型、多功能建筑 (如展覽館)中,在辦公建筑中應用很少。目前,在既有建筑中廣為應用最廣的是單級泵水系統(tǒng),因此,研究變頻技術用于單級泵水系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實意義。

變頻調速用于單級泵水系統(tǒng)時,冷凍水流量的下降可能影響到冷水機組的正常運行甚至可能出現(xiàn)蒸發(fā)器結冰脹裂事故。因此,一般認為,對于蒸汽壓縮式制冷,變頻調速不適用于單級泵系統(tǒng),只能用于負荷側循環(huán)泵[1]。隨著壓縮機技術及控制技術的發(fā)展,目前各類冷水機組大都能夠根據(jù)空調負荷的變化實現(xiàn)冷量的自動調節(jié),如離心式冷水機組通過調節(jié)進口導葉以改變吸入的氣體量,使制冷量在15%～100%之間作無級調節(jié);螺桿式冷水機組通過滑閥的軸向移動改變螺桿有效長度,從而改變吸入的氣體量,使制冷量在10%～100%間連續(xù)可調。相應地,這些冷水機組允許冷凍水流量在一定范圍內變化,如Dunham-Bush公司的WCFX型螺桿式冷水機組允許冷凍水流量在+10%～-50%范圍內變化。因此,單級泵冷凍水系統(tǒng)是可以采用變頻控制的,已有的理論分析和實踐也證明了這一點[2,3]。

單級泵水系統(tǒng)的變頻改造不但會改變機、泵的運行特性,同時也會對冷源和末端設備的運行產生影響,該領域無論在理論上還是在實踐上都有待深入研究。本文介紹了某辦公建筑空調單級泵水系統(tǒng)變頻改造的實踐及其節(jié)能效果。

1 空調系統(tǒng)簡介

1.1 建筑基本信息

該建筑是一幢位于福州市的辦公建筑,于1993年竣工并投入使用。該建筑為東西朝向的高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—筒體結構建筑,總高度約為58 m,標準層層高3.5 m。主樓地上16層,地下1層,附樓三層。總建筑面積為19 700m2(地上建筑面積17 315m2,地下建筑2 385 m2),空調面積為13 292 m2。地下室為車庫、設備房等。附樓一層為設備房及營業(yè)柜臺等,二、三層均為會議室。主樓一層為值班室、會議室和監(jiān)控室,二層為計算機房,三層為至十六層為辦公室。

1.2 空調系統(tǒng)簡介

該建筑空調的辦公室、會議室等場所均采用風機盤管加新風機的形式,大樓主樓一層大廳及附樓大廳采用低速全空氣系統(tǒng)。冷源采用兩臺頓漢布什WCX480B型螺桿式冷水機組,每層設置一臺新風機組。每臺主機各配冷凍水泵 1臺、冷卻水泵 2臺、冷卻塔1組 (四臺冷卻塔)。大樓主樓空調系統(tǒng)的送回風方式均為上送上回方式?？照{系統(tǒng)主要設備的詳細資料見表1。

表1 空調系統(tǒng)主要設備表

該建筑空調的冷凍水采用單級泵變流量系統(tǒng),冷凍水泵定流量運行,末端的供冷量通過兩通閥改變開度控制冷凍水流量來調節(jié),以適應負荷的變化。末端冷凍水流量的改變將導致供回水壓差的變化,根據(jù)供、回水壓差控制旁通閥的開度,調節(jié)旁通流量,實現(xiàn)負荷側變流量運行。在部分負荷下,末端所需的冷凍水流量減小,而冷凍水泵的流量不變,導致能量浪費。

2 空調水系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

2.1 水泵變流量的節(jié)能潛力

對該辦公建筑在空調季 (5月1日至10月15日)期間進行建筑冷負荷模擬計算,得到該辦公建筑空調季的冷負荷時間頻數(shù)統(tǒng)計如圖1所示。由圖1可知,該辦公建筑冷負荷主要分布在500～1500 kW的范圍內,在該冷量范圍內的時間占空調系統(tǒng)開啟總時間的86%。建筑冷負荷大于1800 kW的時間頻數(shù)為7小時,只占空調系統(tǒng)開啟總時間的0.64%,而空調系統(tǒng)按最大冷負荷設計、選型,因此,該建筑空調的冷凍水泵、冷卻水泵定速運行,必然產生大的能量浪費,節(jié)能潛力較大。

圖1 各冷負荷段時間頻數(shù)的計算結果

表2 一天內冷水機組啟動的壓縮機數(shù)量統(tǒng)計表 (單位:臺)

2.2 機組容量設計裕量過大

對該辦公建筑在空調季 (5月1日至10月15日)期間進行建筑冷負荷模擬計算,可得出的逐時冷負荷及整個空調季累計冷負荷值。模擬計算結果如下:空調季累計冷負荷值為1.2143×106kW·h,最大冷負荷為1904.3 kW。兩臺冷水機組的額定總制冷量為2×424×3.517=2982.4 kW。冷水機組的設計制冷量是建筑最大冷負荷的1.57倍,相當于在按最大冷負荷設計的基礎上,還增加了57%的裕量!冷水機組的容量過大,則配套的冷凍水泵、冷卻水泵等的額定流量都偏大。因此,與通常在按最大冷負荷設計的基礎上增加10%～20%裕量的機組相比,該建筑空調水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能潛力更大。

2.3 運行控制策略的節(jié)能潛力

該建筑空調的兩臺冷水機組屬多壓縮機冷水機組,每臺機組含有三臺獨立的螺桿壓縮機。在開啟一臺機組就能滿足冷負荷要求的工況下,兩臺機組采用每天交替運行的策略,既可節(jié)電,也有利于延長機組壽命。然而,查閱該空調運行記錄發(fā)現(xiàn),該機組的實際運行方式不利于節(jié)能。表2為該機組在空調季的某一天運行時啟動的壓縮機數(shù)目的統(tǒng)計結果。由表2可知,在12∶00～17∶00期間,2#機組啟動了2個機頭、1#機組啟動了1個機頭且為部分負荷運行。從12∶00～17∶00期間機組運行總功耗看,只要開2#機組的三臺壓縮機就完全能滿足用戶冷負荷要求。由于冷凍水泵和冷卻水泵隨冷水機組連鎖啟停,因此,在12∶00～17∶00期間1#機組的冷凍水泵和冷卻水泵的電耗就浪費掉了。合理的機組啟動策略是:只有當一臺機組不能滿足用戶冷負荷要求時才開啟第二臺機組。這一啟動策略對水系統(tǒng)變頻改造后依然適用,因為冷水機組對冷凍水流量的降低是有下限要求的。

3 水系統(tǒng)變頻改造方案

3.1 變頻器數(shù)量的確定

該辦公建筑空調的水系統(tǒng)的耗電設備共有2臺冷凍水泵、4臺冷卻水泵、8臺冷卻塔風機。變頻器數(shù)量的搭配有多種方式,若僅從節(jié)能角度考慮,需要為每臺機、泵配置一臺變頻器,但這將增加投資。針對該建筑空調水系統(tǒng)的機、泵功率大小及運行情況,綜合考慮投資、節(jié)能效益、系統(tǒng)復雜程度、控制及維護管理等各方面因素,經(jīng)方案比較確定變頻器數(shù)量如下:2臺冷凍水泵各配一臺變頻器;每臺冷水機組的2臺冷卻水泵配1臺變頻器;每臺冷水機組配置了4個冷卻塔,由于冷卻塔風機功率較小,因此,每臺冷水機組的4個冷卻塔配一臺變頻器。水系統(tǒng)流程及變頻器的配置如圖2所示。圖2中各變頻器 (VHF)的功率滿足各被控機、泵的要求。

圖2 水系統(tǒng)流程及變頻器的配置框圖

3.2 變頻控制方案

冷凍水泵的運轉由冷凍水供、回水溫差控制,同時要滿足冷水機組最小冷凍水流量的要求。冷卻水泵的運轉根據(jù)冷卻水回水溫度控制。冷卻塔風機的運轉根據(jù)冷卻塔進、出口水溫來控制,使冷卻塔和冷卻水泵及制冷機組的運行相協(xié)調,同時,保留冷卻塔風機原有的控制方式作為備用。變頻控制系統(tǒng)與原有啟動控制系統(tǒng)構成冗余備用控制系統(tǒng),實現(xiàn)工頻和變頻運行方式的切換。

實際運行表明,上述變頻控制方案是可行的,既能保證冷水機組長期正常運行,又獲得了可觀的節(jié)能效益。

4 變頻改造節(jié)能效果的測試與分析

4.1 節(jié)能效果測試方案

在空調季,根據(jù)天氣預報并參考歷年天氣數(shù)據(jù),選擇天氣穩(wěn)定的四天,按一天工頻、一天變頻交替運行,對空調系統(tǒng)一天的運行能耗進行測試。四天測量完畢,找出天氣最接近的兩天 (其中一天為工頻運行,另一天為變頻運行)進行對比性分析。測試期間,每天的開、關機時間、主機啟動和運行方案、冷凍水泵開啟臺數(shù)均保持相同。

冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風機的耗電量用電表分項計量。為了研究水泵變流量運行對冷水機組和末端設備的影響,需要測量末端設備的電耗、冷水機組供回水溫度及冷凍水流量。其中,末端設備 (包括風機盤管、空調箱和新風機)的電耗通過鉗形電表測量各設備的電壓值、電流值及功率因數(shù)后計算得到。冷凍水流量采用超聲波液體流量計測量,冷凍水供、回水溫度用熱電偶溫度計在供、回水管上測量。

4.2 水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果

用于對比的工頻運行日和變頻運行日的天氣非常接近,空調的日平均負荷率均為50%左右。冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風機在工頻運行日和變頻運行日的耗電量測試結果如圖3所示。測試結果表明,單級泵水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果明顯:冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風機的節(jié)電率依次為53.3%、54.2%、39.2%,整個水輸送系統(tǒng)的節(jié)電率達48.8%,變頻節(jié)能改造使整個空調系統(tǒng)的能耗下降18.2%。

圖4為水系統(tǒng)工頻運行日和變頻運行日冷水機組冷凍水供、回水溫差的測試結果。由圖4可知,變頻日的逐時冷凍水供、回水溫差基本上都比工頻日大,使工頻運行時的 “大流量小溫差”得到改善,從而使冷凍水泵的電耗降低。按照 《公共建筑節(jié)能設計標準》 (GB 50189-2005)的要求,冷水供、回水溫差不應小于5℃,而圖4表明,變頻日冷凍水供、回水溫差均未達到5℃,只有2.4℃～3.6℃,其主要原因是單級泵水系統(tǒng)的冷凍水流量不能小于冷水機組允許的最小流量值。因此,對于單級泵水系統(tǒng),不能單純以冷凍水供、回水溫差均作為變頻器的控制目標,應同時兼顧冷水機組的運行要求。

圖3 工頻和變頻運行的日耗電量測試結果

圖4 冷水機組冷凍水供、回水溫差測試結果

4.3 變頻對冷水機組和末端能效的影響

圖5、圖6分別給出了變頻運行對冷水機組和末端能效影響的實測結果,兩圖中圖例標示的離散數(shù)據(jù)點為測量值,曲線為將實測數(shù)據(jù)按多項式擬合得到的趨勢線。由圖5、圖6可以看出,水系統(tǒng)變頻運行使冷水機組COP值和末端能效比均下降。其原因是空調工作于部分負荷下,在變頻器的控制下冷凍水泵轉速降低、流量減小,使得流經(jīng)蒸發(fā)器和末端設備的冷凍水量減少,流速降低,則蒸發(fā)器和末端散冷設備的傳熱系數(shù)降低,從而使冷水機組的COP值和末端能效比下降。因此,空調單級泵水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果評價中,不能只考慮機、泵產生的節(jié)能量,還應計及因變頻運行使冷水機組和末端運行能效下降造成的能耗增加量。

圖5 變頻運行對冷水機組COP值的影響

5 結論

(1)辦公建筑空調單級泵水系統(tǒng)的節(jié)能潛力大,變頻改造的節(jié)能效果明顯。當空調日平均負荷率為50%時,冷凍泵、冷卻水泵、冷卻塔風機的節(jié)電率依次為53.3%、54.2%、39.2%,整個水輸送系統(tǒng)節(jié)電率達到48.8%。

(2)在單級泵水系統(tǒng)的變頻改造中,冷凍水泵采用供、回水溫差控制,同時滿足冷水機組最低冷凍水流量要求;冷卻水泵采用冷卻水回水溫度控制的變頻控制方案是可行的,既能保證冷水機組正常運行,又能獲得較好的節(jié)能效益。

(3)在負荷率較低時,單級泵水系統(tǒng)變頻運行其冷凍水供、回水溫差較小,原因是冷凍水流量的調節(jié)受冷水機組允許的最小流量值限制。

(4)單級泵水系統(tǒng)的變頻運行使冷水機組的COP值和末端能效比均下降?？照{單級泵水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果評價應計及因變頻運行使冷水機組和末端運行能效下降造成的能耗增加量。

[1]李曉燕,閆澤生.制冷空調節(jié)能技術[M].北京:建筑工業(yè)出版社,2004

[2]孫一堅.空調水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制[J].暖通空調,2004,34(7):60-62

[3]朱偉峰,江億.一次泵冷凍水系統(tǒng)直接應用變頻的模擬分析及工程應用[J].制冷與空調,2003,3(1):25-31