廣州某科研樓空調(diào)供冷系統(tǒng)運行能耗實測及節(jié)能分析

陳玉魁

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所廣州510507）

0 引言

中央空調(diào)為高能耗設(shè)備，并且在我國普遍存在運行管理不合理的現(xiàn)象［1］。因此，對中央空調(diào)在運行管理過程中存在問題和運行能耗進行研究很有必要。好的節(jié)能設(shè)施、節(jié)能方案，最終都是要通過操作人員的運行管理得以實現(xiàn)節(jié)能的目的的。因此運行管理水平對節(jié)能工作具有重要的影響［2］。我國現(xiàn)有建筑裝有綜合能耗管理系統(tǒng)的中央空調(diào)還較少，大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)是分散管理就地控制，人工進行開關(guān)機和開機組合操作。人工操作的系統(tǒng)運行能耗更是直接取決于操作人員的管理水平。因此提升運行管理水平應該是中央空調(diào)節(jié)能工作的一個重點。本文以廣州市某科研樓為對象進行研究，分析運行管理對能耗的影響，以提升運行管理水平、優(yōu)化運行方案。

1 空調(diào)系統(tǒng)概況

這幢建筑是位于廣州某研究所的一幢科研樓。是一幢集科研、辦公、實驗室于一體的7層的綜合樓。建筑面積共21000平方米。冷水機房位于半地下層，冷卻塔置樓頂。中央空調(diào)各設(shè)備配置情況參見表1。

表1 該科研樓中央空調(diào)設(shè)備配置情況

冷凍水系統(tǒng)為一次泵定流量。冷凍水配管設(shè)計為異程式。各樓層末端設(shè)備主要為風機盤管加新風系統(tǒng)。

冷水機組、水泵、冷卻塔均為手動啟動、手動停機。開機組合為1臺冷水機組對1臺冷卻、冷凍水泵和1臺冷卻塔，2臺冷水機組對2臺冷卻、冷凍水泵和2臺冷卻塔。各臺冷水機組冷卻、冷凍水管路未設(shè)電動閥聯(lián)鎖控制，閥門開關(guān)也均為手動操作。

全年空調(diào)的開機時間大約為4月1日至11月15日，供冷時間約7個半月。

該幢樓的上班時間為星期一至星期五的8∶00～17∶30，平時開機時間為7∶30～17∶30共10個小時。整幢樓上班時間一致，用冷時間相同，周末除特殊情況偶有臨時開機外，基本上不開機。

該樓設(shè)計冷負荷為3000kW。半地下層展覽廳的風柜機全年基本不開；新風機因為噪聲的原因也多數(shù)不開，新風需求通過自然滲透；還有部分區(qū)域在使用的過程中，因為各種需要另裝了獨立空調(diào)，不需中央空調(diào)供冷了。目前該系統(tǒng)實際最大冷負荷遠小于設(shè)計冷負荷。

該空調(diào)系統(tǒng)的能耗構(gòu)成：冷水主機占69%，水泵占28%，冷卻塔占3%。

圖1 2012-2017年空調(diào)用電量對比圖

2 空調(diào)系統(tǒng)運行能耗現(xiàn)狀

根據(jù)2012-2017年該幢樓各年空調(diào)運行能耗統(tǒng)計如圖1所示。這里不包括末端裝置的用電，因末端未安裝單獨計量電度表，無法進行統(tǒng)計。

由圖1可知，總體來說，各年的運行能耗相差懸殊，能耗最低的一年跟能耗最高的一年相差18萬多kWh用電，這說明節(jié)能潛力大，有各種因素在影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

3 空調(diào)系統(tǒng)不同開機組合操作的運行能耗對比分析

螺桿冷水機組的功耗與其負荷率有著緊密的關(guān)系，低負荷運行，冷水機組效率就低。2臺以上的冷水機組成的冷源系統(tǒng)，不同的開機臺數(shù)，相對于每臺冷水機組就會有不同的負荷率，冷水機組的運行效率也就不相同，因此，這就存在機組運行最佳組合的問題。

冷卻塔擔負著散發(fā)整個中央空調(diào)系統(tǒng)所吸收的熱量的任務(wù)，它的換熱情況對冷水機組的運行能耗也有著至關(guān)重要的影響。文獻 ［3］在對某建筑進行綜合能耗管理系統(tǒng)節(jié)能改造后，能耗數(shù)據(jù)顯示：冷水機能耗節(jié)約幅度很大，但冷卻塔能耗卻成增加趨勢。這說明冷水機的節(jié)能運行是需要犧牲一定的冷卻塔的能耗的，或者說增加冷卻塔的投入，有利于冷水機的節(jié)能。

筆者利用該幢樓新建立的分項能耗計量平臺在2016年和2017年間對高溫氣候條件下全天開1套和開2套冷水機組系統(tǒng)的能耗進行了測試；并且測試了1臺冷水機組和1臺冷卻水塔的組合及1臺冷水機組和2臺冷卻水塔組合的能耗情況；還測試了開2套冷水機組系統(tǒng)冷卻塔風機不同轉(zhuǎn)速的能耗變化情況。

3.1 高溫天氣不同開機組合及冷卻塔不同運行功率的能耗對比分析

從日最高氣溫約35℃，日平均氣溫和濕球溫度相近的高溫天氣進行的測試中，選取4天對不同開機組合的能耗情況進行對比分析。因該幢樓上下班時間一致，只要各天室外環(huán)境溫度相同，濕球溫度相同，各天的供冷需求就相同。由于水處理外包給了專業(yè)的水處理公司，這2年換熱器的換熱溫差一直處在穩(wěn)定和較理想的狀態(tài)。因此相同室外溫、濕度條件下開機組合相同，則能耗相同。選取用來對比的4天，8∶00～17∶00的平均溫度相近，濕球溫度相近，并且節(jié)能運行日的室外溫度略高于不節(jié)能的各天，因此能夠?qū)λ鼈冞M行合理的能耗對比。

質(zhì)量風險還源于驗收方面，物資采購驗收工作在整個物資采購管理中非常重要。但是，部分企業(yè)未真正重視驗收工作，沒有嚴格按照合同以及企業(yè)內(nèi)部制度所規(guī)定的內(nèi)容進行采購審核以及驗收，進而引發(fā)質(zhì)量問題以及質(zhì)量風險。具體來講，在物資采購的工程中，沒有在質(zhì)量要求方面進行協(xié)商與管理，沒有采取科學化工作方式對整個采購環(huán)節(jié)進行合理控制，不僅出現(xiàn)質(zhì)量的問題，甚至存在數(shù)量少的問題，這些都是引發(fā)企業(yè)物資采購質(zhì)量風險的主要原因，不利于企業(yè)健康穩(wěn)定的發(fā)展。

表2為開2臺冷水機組、水泵、冷卻塔且冷卻塔風力較強和開1臺冷水機組、1臺冷卻冷凍水泵、2臺冷卻塔組合的能耗對比。

表3為開2臺冷水機組系統(tǒng)，但冷卻塔風機皮帶松弛風力不夠和開1臺冷水機組，冷卻塔也為1臺的能耗對比。

為避免測試日因為開關(guān)機時間的不完全一致帶來的誤差，保證比對的準確性，不進行全天的能耗對比，僅對比分析8∶00～17∶00的能耗情況。

由表2表3的分析結(jié)果見表4。

表2 冷卻塔風力強開2套冷水機系統(tǒng)與開1套冷水機組2臺冷卻塔組合的能耗對比

表3 冷卻塔風力較小開2套冷水機系統(tǒng)與開1套冷水機系統(tǒng)的能耗對比

表4 測試的4天8∶00～17∶00不同開機組合能耗對比分析表

由表5可知：

（1）開1臺冷水機組與開2臺冷水機組的用電量相差懸殊。2組比較：8日開1臺比28日開2臺節(jié)省用電：1159.5kWh，省電30.7%，這里8日開1臺冷水機組時增開了1臺冷卻塔；27日開1臺比22日開2臺節(jié)省用電：1325.2kWh，省電31.2%，27日冷卻塔開1臺，由表3知道22日冷卻塔風機運行功率約7kW，只相當于1臺冷卻塔的功率，風機皮帶松、轉(zhuǎn)速慢。

（2）開相同數(shù)量的1臺和2臺冷水機組的對比，由于冷卻塔開啟臺數(shù)和其風機運轉(zhuǎn)速度的不同用電量也較大差異。開1臺冷水機組的對比：8日比27日節(jié)約用電：299.3kWh，節(jié)電10.3%，8日冷卻塔開2臺，27日開1臺；開2臺機組的對比：28日比22日節(jié)約用電：465kWh，節(jié)電10.9%，22日比28日冷卻塔風機轉(zhuǎn)速慢、風力小。

冷卻塔運行功率和冷水機開機臺數(shù)不同直接影響的是冷卻水溫度和冷水機組負荷率。這4天冷水機組的冷卻冷凍水進出水溫度如圖2所示，各臺機的負荷率和各天冷水機組的實際制冷量如圖3所示。下面結(jié)合表2、3、4和圖2、3的數(shù)據(jù)詳細分析冷卻水溫和負荷率在運行能耗中的影響。

（1）8日在比對的4天里室外平均溫度最高為34.4℃，室外濕球溫度也最高為26.6℃，相對其它3天供冷負荷需求稍大，機組實際制冷量如圖3所示，為1273kW，但用電量最少為2617kWh。由于只開1臺冷水機組負荷率為82%，處在螺桿機的高效率區(qū)域；同時比開2臺冷水機節(jié)約了37kW冷卻和冷凍水泵各1臺的用電；又由于開的是2臺冷卻塔使冷水機組冷卻水回水溫度較低，只有28.9℃，由于冷卻水溫的降低，使機組制冷量增大，因此負荷率也跟著降低，使得單機運行的時候，不致于出現(xiàn)負荷太高，冷水機的效率降低的情況。因此，在夏季高溫天氣該系統(tǒng)這種開機組合方式最節(jié)能。

（2）27日室外平均溫度33.9℃，濕球溫度24.4℃，機組實際制冷量為1235kW，都比8日稍低。也是單機運行，但由于只開1臺冷卻塔，冷水機組冷卻水進水溫度為29.8℃，比8日高。由于冷卻水溫的升高，使得負荷率高達89%。負荷率升高功率百分數(shù)也將跟著上升。螺桿冷水機組負荷過高，使其效率有所下降。冷卻水溫的影響使得27日比8日多用電：299.3kWh。

（3）28日室外平均溫度33.5℃，濕球溫度25℃，機組實際制冷量為1228kW。除濕球溫度，其它2項都比開單機的2天稍低。這天開2臺冷水機、冷卻冷凍水泵、冷卻塔。冷卻水進水溫度28℃。2臺冷水機的負荷率分別為40%和52.5%。由于負荷率較低，使得冷水機的效率低，能耗增加，再加上多開2臺水泵的能耗，使得28日比8日多用電：1159.5kWh。

（4）22日室外平均溫度32.5℃，濕球溫度26℃，平均溫度低于其它3天，因此相對其它3天供冷負荷需求稍小，機組實際制冷量為1134kW。這天同樣也開2套系統(tǒng)，但由于冷卻塔皮帶松弛轉(zhuǎn)速慢，其風機運行功率幾乎只有1臺機的功率，冷卻水回水溫度上升到30.5℃。2臺冷水機組的負荷率為53%和54%。回水溫度和負荷都比28日開2套系統(tǒng)的高，因此使得這一天的能耗最高為4241.5kWh，比28日多用電465kWh，比27日多用電1325.2kWh，比8日多用電1624.5kWh。

從實測的4天空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況對比分析可以得到結(jié)論：

該中央空調(diào)系統(tǒng)在高溫天氣開1臺機組比2臺機組同時運行節(jié)能效果明顯，節(jié)電率將近1／3。無論是開1套系統(tǒng)還是2套系統(tǒng)保持冷卻塔運行臺數(shù)足夠和風機運轉(zhuǎn)速度，冷卻塔增加用電比起整個系統(tǒng)節(jié)約的用電量，所占權(quán)重非常?。洪_1臺冷水機組的對比，因增加1臺冷卻塔，運行功率增加3.2kW，8∶00-17∶00共增加28.9kWh用電，但整個系統(tǒng)節(jié)電 299.3kWh，冷水機組節(jié)電334.4kWh，冷卻塔增加用電僅占冷水機組節(jié)電量的8.6%；開2臺冷水機組的對比，因冷卻塔風機轉(zhuǎn)速增加運行功率增加了4.42kW，8∶00-17∶00共增加39.8kWh用電，但整個系統(tǒng)節(jié)電465kWh，冷水機組節(jié)電499.2kWh，冷卻塔增加用電僅占冷水機組節(jié)電量的8%。

由于節(jié)電運行日的室外溫度是略高于不節(jié)電各天的，因此計算的占比數(shù)據(jù)是保險的。

圖2 測試的4天冷卻冷凍水溫度及濕球溫度對比圖

圖3 測試的4天冷水機組負荷率及實際制冷量對比圖

3.2 2016和2017年的節(jié)能潛力分析

通過對比2016和2017年影響能耗的氣溫情況、運行記錄的開機組合和冷卻塔的運行功率情況，對2年供冷季節(jié)每個月運行能耗進行了對比分析。

相對2016年來比較2017年冷水機和冷卻冷凍水泵約有4萬kWh電的能耗是可通過優(yōu)化開機的組合來節(jié)約的。同時2016年也存在少量節(jié)能空間。

4 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能策略

4.1 設(shè)備啟停組合優(yōu)化

根據(jù)科研樓的上班時間，考慮了開機的預冷時間可縮短一些及下班提前停機僅留冷凍水泵可節(jié)約能耗同時也不會影響供冷的因素，給出設(shè)備的啟停組合優(yōu)化方案如表5所示：

表5 科研樓空調(diào)設(shè)備的啟停組合優(yōu)化方案

4.2 運行管理措施

（1）正確開啟冷卻水、冷凍水、冷卻塔系統(tǒng)的閥門。（2）在供冷低溫季節(jié)及時提高冷水機組冷凍水出水溫度的設(shè)定值。（3）每班定時巡查冷卻塔，密切注意風機轉(zhuǎn)速及進出水溫度。（4）每天及時查看用電分項計量系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備在每天每時的能耗情況，以便及時采取節(jié)能運行措施，充分利用這個平臺為節(jié)能工作服務(wù)。

5 結(jié)語

該空調(diào)系統(tǒng)實際使用最大冷負荷遠小于設(shè)計負荷。通過以上分析表明全年單冷水機組運行的節(jié)能效果明顯。全年應盡量避免低負荷率的雙冷水機組運行。開單機運行時，增開1臺冷卻塔是節(jié)能的，實測的其中2天能耗對比，增開冷卻塔增加的用電僅為冷水機組節(jié)約用電的8.6%。因此，全年除供冷季節(jié)中較高氣溫，開1臺冷水機組、1臺冷卻冷凍水泵、2臺冷卻水塔的運行模式是該中央空調(diào)系統(tǒng)最優(yōu)的運行組合。如果不是特別高溫天氣，開1套系統(tǒng)，滿足不了負荷的需求，不能只去增加開機臺數(shù)，而是需要檢查水塔、換熱器的換熱情況及水系統(tǒng)的閥門開關(guān)是否正確等，以免帶來能源的浪費。

保證冷卻塔足夠的風機轉(zhuǎn)速是節(jié)能工作的保障，因為它對冷水機組的能耗影響很大，實測的2天對比，風機皮帶在調(diào)緊狀態(tài)，使冷卻塔能耗增加39.8kWh，冷水機組能耗則減少499.2kWh。冷卻塔增加的能耗只占冷水機節(jié)約能源的8%。文獻［3］通過綜合能耗管理系統(tǒng)控制，冷卻塔增加能耗為冷水機節(jié)約能耗的8.2%，跟該科研樓測試的數(shù)據(jù)比較接近。通過冷卻塔實際運行功率的增減對冷水機組實際能耗影響的數(shù)據(jù)分析，給我國中央空調(diào)冷卻塔變頻調(diào)速節(jié)能措施的設(shè)計和改造在具體工程項目的適用性提供數(shù)據(jù)參考。

該空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運行策略也可為類似配置系統(tǒng)的運行管理提供借鑒。