成都某商業(yè)制冷站能效目標(biāo)的制定與驗(yàn)證

馮 源

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成都某商業(yè)制冷站能效目標(biāo)的制定與驗(yàn)證

馮 源

（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司 成都 610021）

在公共建筑能耗中，中央空調(diào)制冷站內(nèi)設(shè)備的能耗占較大比重。為制冷站制定能效目標(biāo)能指導(dǎo)制冷站節(jié)能運(yùn)行。介紹了制冷站能效目標(biāo)的制定方法，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目把目標(biāo)值及實(shí)測值（優(yōu)化值）進(jìn)行了對比，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。并根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行情況提出該制冷站能效改善目標(biāo)值。

制冷站；能效目標(biāo)；驗(yàn)證

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，公共建筑能耗占全國能源消耗總量的3.6%。其用電量為70～300kWh/m2·年，為住宅建筑用電量的10～20倍。其中大型公共建筑是普通公共建筑的4～6倍，在我國大型和特大型城市中，這類建筑的總耗電量大于當(dāng)?shù)刈≌目傠姾腫1-3]。中央空調(diào)系統(tǒng)作為能耗大戶約占總能耗40%～60%（包括電、燃?xì)饧笆姓嵩聪模?，在常?guī)公共建筑中，中央空調(diào)平均電耗至少約占30%左右，圖1為典型商業(yè)建筑的電耗比例[4]，若管理不善空調(diào)電耗比例將更高。在空調(diào)設(shè)備的主要耗電設(shè)備分別為冷源設(shè)備，輸配設(shè)備及末端設(shè)備。根據(jù)《公共建筑節(jié)能監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)》的統(tǒng)計(jì)空調(diào)冷源設(shè)備的電耗約占總空調(diào)能耗的65%左右，加上輸配系統(tǒng)，總能耗將達(dá)到85%以上。節(jié)約整個(gè)制冷站的能耗，使其保持高效率運(yùn)行，對建筑節(jié)能非常關(guān)鍵。

圖1 典型商業(yè)建筑電耗強(qiáng)度比例

從國家到各地方政府出臺了多項(xiàng)有關(guān)綠建節(jié)能相關(guān)的法律法規(guī)及規(guī)范措施，從各個(gè)環(huán)節(jié)來規(guī)范項(xiàng)目設(shè)計(jì)，推廣高能效產(chǎn)品運(yùn)用及指導(dǎo)運(yùn)維；另一方面，開發(fā)商及運(yùn)營商通過多年對持有物業(yè)的使用，發(fā)現(xiàn)運(yùn)維管理相對粗放，尤其是制冷站的能效管理不容樂觀，若提升能源管理水平，能有效的降低能耗成本，在商業(yè)運(yùn)營中獲取更大的盈利。

對于已建成項(xiàng)目的制冷站，系統(tǒng)已設(shè)計(jì)完成，設(shè)備已采購安裝到位。其運(yùn)行能耗及節(jié)能潛力完全取決于后期的運(yùn)維管理。目前多數(shù)制冷站都運(yùn)行管理是憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)。部分項(xiàng)目采用了機(jī)房智能群控系統(tǒng)[5]，其控制方式是根據(jù)檢測到的水溫，水壓及流量來實(shí)時(shí)控制冷機(jī)組及水泵啟停及變頻運(yùn)行，有節(jié)能效果但無參照指標(biāo)，運(yùn)維管理者不清楚該系統(tǒng)的真實(shí)能效水平如何，還有多少節(jié)能潛力。若能制定一個(gè)較為準(zhǔn)確能效目標(biāo)值，不但能讓商業(yè)運(yùn)營者測算出該項(xiàng)目的能耗成本，并能指導(dǎo)系統(tǒng)往能效目標(biāo)值進(jìn)行不斷改進(jìn)。

1 能效目標(biāo)的制定

制冷站運(yùn)行能效是一個(gè)綜合能效指標(biāo)，主要受制冷站中各主要設(shè)備（制冷機(jī)組，水泵及冷卻塔）的能效及其運(yùn)行匹配度有關(guān)，匹配度包括制冷量與制冷需求的匹配及系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的匹配。所有設(shè)備中制冷機(jī)組的能效對制冷站運(yùn)行能效影響最大。項(xiàng)目對制冷量的需求主要受到外部氣候及內(nèi)部燈光設(shè)備散熱及客流活動變化而變化，制冷系統(tǒng)的制冷量，輸送系統(tǒng)的輸送量也是受項(xiàng)目空調(diào)制冷量需求的變化而持續(xù)的變化，制冷機(jī)和水泵的能效也會隨之變化。故為制冷站制定能效目標(biāo)不能簡單的將站內(nèi)各設(shè)備都最大能效值進(jìn)行疊加測算。

為制定合理制冷站能效目標(biāo)，引入兩個(gè)無量綱參數(shù)作為目標(biāo)能效指標(biāo)[6]：

（1）制冷系統(tǒng)能效比（EERr）：空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與制冷系統(tǒng)能耗（制冷機(jī)，冷卻水泵及冷卻塔）之比。

（2）冷凍水輸送系數(shù)（WTFchw）：空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與冷凍水泵（包括冷凍水系統(tǒng)的一級泵，二級泵等）能耗之比。

式中，為空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量，kWh；chiller、cp、chp、ct為制冷機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵及冷卻塔能耗，kWh。

制冷站能效目標(biāo)的制定步驟：

（1）模型建立?；谝淹瓿稍O(shè)計(jì)的建筑，輸入業(yè)主（管理者/使用者）所預(yù)測的運(yùn)行條件（燈光設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，客流及活動情況），建立較為準(zhǔn)確的項(xiàng)目模型。

（2）模擬空調(diào)負(fù)荷。通過成熟的能耗模擬軟件，準(zhǔn)確的模擬出項(xiàng)目運(yùn)行周期內(nèi)空調(diào)負(fù)荷變化情況，得到空調(diào)冷量需求情況。

（3）冷量分段匯總。將不同時(shí)段的冷量需求進(jìn)行分段匯總，得到從1～100%情況下各冷量1%～100%對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間1%～100%。工況段越多則代表對機(jī)房設(shè)備控制管理要求越精細(xì)，對應(yīng)運(yùn)行工況數(shù)量越多。

（4）工況匹配。根據(jù)廠家提供的制冷機(jī)，水泵，冷卻塔的設(shè)備實(shí)際參數(shù)及能耗曲線，針對各工況（冷量需求）匹配最優(yōu)的運(yùn)行方式。在部分負(fù)荷情況下，有多種設(shè)備運(yùn)行方式，通常以最少總功率的運(yùn)行方式為最優(yōu)，兼顧工況間的切換復(fù)雜程度及設(shè)備啟停情況。

（5）分項(xiàng)匯總。根據(jù)模擬所得的各工況點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行功率及運(yùn)行時(shí)間1%～100%，得到制冷站內(nèi)各設(shè)備的總電耗。

（6）計(jì)算指標(biāo)。

（7）對比ASHRAE提供的制冷站能效標(biāo)尺[7]，了解項(xiàng)目能效目標(biāo)的水平。EERr≤3.5為需要改進(jìn)；4.25≥EERr＞3.5為一般；5≥EERr＞4.25為良好；EERr＞5為優(yōu)秀。

圖2 美國暖通工程師協(xié)會制冷站能效標(biāo)尺

2 實(shí)例測算

以下將測算某建成已開業(yè)運(yùn)行的實(shí)際項(xiàng)目案例，為其制定制冷站能效目標(biāo)。

項(xiàng)目位于成都市區(qū)，為一個(gè)大型商業(yè)綜合體的一期，總建筑面積為32萬平米，其中包括商業(yè)購物廣場及一棟超高層寫字樓。項(xiàng)目設(shè)一個(gè)制冷站，商業(yè)及辦公合用冷源系統(tǒng)，采用4臺2000RT高壓（10kV）及2臺600RT低壓（380V）離心式水冷冷水機(jī)組。制冷系統(tǒng)采用一次泵定流量二次泵變流量系統(tǒng)。一次泵與主機(jī)采用集管對應(yīng)設(shè)置，二次泵設(shè)3個(gè)環(huán)路，分別為辦公樓、商場東區(qū)、商場西區(qū)，每套系統(tǒng)分別設(shè)4臺變頻泵（3用1備）。系統(tǒng)圖參見圖3，制冷站主要設(shè)備參見表1。

圖3 制冷站系統(tǒng)圖

由于商業(yè)有較大內(nèi)區(qū)需要全年制冷，模擬中制冷機(jī)全年運(yùn)行，商業(yè)夏季5～10月每天運(yùn)行時(shí)間12小時(shí)，過渡季節(jié)3，4，11月每天運(yùn)行4小時(shí)，冬季1，2，12月每天運(yùn)行2小時(shí)，辦公。全年共運(yùn)行2700小時(shí)。

表1 制冷站主要設(shè)備表

注：（1）項(xiàng)目要求較為特殊，制冷機(jī)供水溫度為非標(biāo)準(zhǔn)工況水溫，故制冷機(jī)額定能效COP值較低。（2）業(yè)主在冷站建設(shè)時(shí)考慮預(yù)留二期開發(fā)預(yù)留，項(xiàng)目一期滿負(fù)荷運(yùn)行只需要開啟3臺2000RT主機(jī)。

通過全年空調(diào)負(fù)荷模擬軟件對項(xiàng)目進(jìn)行模擬，可得到項(xiàng)目空調(diào)全年負(fù)荷變化曲線并可匯總各負(fù)荷所占的時(shí)段。通過將商業(yè)及辦公的錯(cuò)峰疊合后，可得到整個(gè)項(xiàng)目全年負(fù)荷變化情況及各負(fù)荷段的時(shí)間占比。

圖4 商業(yè)冷負(fù)荷變化及負(fù)荷段時(shí)數(shù)

圖5 辦公冷負(fù)荷變化及負(fù)荷段時(shí)數(shù)

根據(jù)廠家提供的主機(jī)運(yùn)行曲線，為不同負(fù)荷段點(diǎn)配置最佳工況點(diǎn)，得到制冷機(jī)能耗，并計(jì)算相應(yīng)水泵及冷卻塔能耗。

通過模擬得到的各負(fù)荷段的運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算得到各主要用電設(shè)備的用電量，參見表2～4。繼而可計(jì)算出制冷系統(tǒng)能效比及冷凍水輸送系數(shù)：EERr=4.24，WTFchw=27.20。對照冷站能效標(biāo)尺，該制冷站能效目標(biāo)值位于良好范圍。但由于該制冷機(jī)處于非標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)行，COP值較低，且冷凍水二次泵選型揚(yáng)程過大，能效指標(biāo)低于現(xiàn)行國家節(jié)能規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 2000RT制冷機(jī)COP

圖7 600RT制冷機(jī)COP

表2 制冷站耗電量統(tǒng)計(jì)表1

續(xù)表2 制冷站耗電量統(tǒng)計(jì)表1

表3 制冷站耗電量統(tǒng)計(jì)表2

表4 制冷站耗電量統(tǒng)計(jì)表3

續(xù)表4 制冷站耗電量統(tǒng)計(jì)表3

3 評測檢驗(yàn)及優(yōu)化

該項(xiàng)目開業(yè)一年后，由業(yè)主委托某權(quán)威機(jī)構(gòu)對本項(xiàng)目第一年運(yùn)行的數(shù)據(jù)能效進(jìn)行測評，測試時(shí)間從6月至次年5月。制冷站最大制冷量為14159kW，全年總制冷量為設(shè)計(jì)總制冷量的51%。全年制冷時(shí)間為2640h。測得項(xiàng)目總耗冷量為1216萬kWh。供冷季項(xiàng)目制冷站設(shè)備的全年總耗電量為490萬kWh。其中各分項(xiàng)設(shè)備能耗如下表5所示。

表5 制冷站主要設(shè)備全年電耗

根據(jù)測評分析及優(yōu)化建議：

（1）制冷機(jī)綜合能效較低，600RT小制冷機(jī)的能效接近額定能效，2000RT大制冷機(jī)能效較低約為4.1左右，有較大提升空間，通過將制冷機(jī)能效調(diào)整至額定水平，全年可節(jié)約電量約為81.5kWh。

（2）通過調(diào)整開機(jī)策略，增加開啟2臺小冷機(jī)，通過開啟兩臺小冷機(jī)的運(yùn)行工況替代1臺大冷機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行工況來提高能效，全年可節(jié)約電量約為19.3kWh。

本項(xiàng)目運(yùn)行第一年，設(shè)計(jì)為變頻的冷凍水二次泵全都為定頻運(yùn)行，若后期變頻運(yùn)行，二次泵也有較大節(jié)能潛力，根據(jù)測算，全年節(jié)約能耗約為49kWh。

根據(jù)以上優(yōu)化建議，對比目標(biāo)，實(shí)測及優(yōu)化值如下表6所示。

表6 電耗及指標(biāo)對比表

該項(xiàng)目提交評測的運(yùn)行數(shù)據(jù)為開業(yè)后第一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，寫字樓入駐率約為40%，商業(yè)客流也未達(dá)到峰值，空調(diào)制冷量及運(yùn)行臺數(shù)未達(dá)到設(shè)計(jì)值，冷機(jī)運(yùn)行效率較低，運(yùn)行工況尚未按最佳主機(jī)能效比進(jìn)行冷水機(jī)組配置。冷凍水二次泵定頻運(yùn)行，小溫差大流量。第一年運(yùn)行效率非常低，對能效標(biāo)尺，其EERr值位于紅色“需要提高”的位置。優(yōu)化后的EERr值與WTFchw值有明顯提升且與目標(biāo)值較為接近，偏差為2%及5.1%。

由于初始建立的模型尚有部分不確定性，實(shí)際運(yùn)行和預(yù)測分析也有偏差，所以能效目標(biāo)不應(yīng)是個(gè)固定值。為持續(xù)提高能效，項(xiàng)目在運(yùn)行過一個(gè)周期后應(yīng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)營及各運(yùn)行指標(biāo)參數(shù)的記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善及修正初次建立的計(jì)算模型，制定優(yōu)化后的目標(biāo)值。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及實(shí)測數(shù)據(jù)擬針對上述項(xiàng)目的能效目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)際運(yùn)行中：

（1）1，2，12三個(gè)月份制冷機(jī)未啟動；

（2）冷凍水供水溫度提高至6.5℃；

（3）冷卻水溫度低于標(biāo)準(zhǔn)工況，參見圖1。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，冷卻水溫度每降低1℃，冷機(jī)COP值可提高約3%[8]。故實(shí)際運(yùn)行中制冷機(jī)的平均COP值可大幅提升，根據(jù)測算，大冷機(jī)可提升至6.3左右，小冷機(jī)將提升至5.9左右。得到EERr的優(yōu)化目標(biāo)值為4.91。

圖7 冷卻水溫實(shí)測值

4 結(jié)論

（1）在投入使用前為制冷站設(shè)定能效目標(biāo)是非常必要的，有利于經(jīng)營者對制冷能耗成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)測算，也能協(xié)助制冷站運(yùn)維管理者了解該制冷站能存在的節(jié)能潛力，推進(jìn)制冷站節(jié)能運(yùn)行。

（2）通過設(shè)計(jì)過程中制作的項(xiàng)目模型進(jìn)行模擬運(yùn)行，并根據(jù)實(shí)際安裝的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行工況匹配，可得到較為準(zhǔn)確能耗目標(biāo)值。

（3）初始目標(biāo)值是根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)或運(yùn)營前所預(yù)測的初始參數(shù)模擬而得，根據(jù)實(shí)際運(yùn)維后得到的實(shí)測累計(jì)數(shù)據(jù)可優(yōu)化提高得到改善目標(biāo)值，有助于持續(xù)提升制冷站能效。

（4）設(shè)計(jì)者可運(yùn)用類似方法在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段，對冷站設(shè)計(jì)中冷凍機(jī)組及水泵配置及選型進(jìn)行方案比選，以優(yōu)化冷站系統(tǒng)配置。

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Formulating and Confirmation ofEnergy Efficiency Target of Chiller Plants Station in a Commercial Building in Chengdu

Feng Yuan

( Chengdu JZFZ Architectural Co., Ltd, Chengdu, 610021 )

The energy consumption of chiller plants station is larger than that of other energy consumption in public buildings. Energy efficiency targets can be established to guide energy-saving operation of chiller plants station. This paper introduces the method of formulating the energy efficiency target, and compares the target value with the measured value (optimization value) in combination with the actual project to verify its accuracy. According to its actual operation situation, the target value of energy efficiency improvement is put forward.

Chiller Plants Station; Energy Efficiency Target; Confirmation

1671-6612（2017）06-620-07

TU831

A

馮 源（1981-），男，碩士，高級工程師，E-mail：fengyuan@jzfz.com.cn

2017-06-20