二級泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造能耗分析

盧智慧王仰慧張超姜玲浩

1淄博共創(chuàng)暖通工程有限公司

2淄博市建筑設(shè)計(jì)研究院

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國民生活水平的不斷提高，節(jié)能減排日益受到人們的廣泛關(guān)注。我國房屋總面積已超過400億平方米，建筑的單位面積能耗相對較高，建筑使用能耗占全社會(huì)總能耗約28%，這一比重未來20年內(nèi)有可能達(dá)到35%，發(fā)展綠色建筑產(chǎn)業(yè)對于我國應(yīng)對氣候變化、推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。其中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占整個(gè)建筑能耗的35%以上，空調(diào)冷水和冷卻水系統(tǒng)能耗約占空調(diào)總能耗的30%[1]。而對于系統(tǒng)作用半徑較大、設(shè)計(jì)水流阻力較高的大型工程，空調(diào)冷水宜采用變流量二級泵系統(tǒng)[2]。本文從原有設(shè)計(jì)的一級泵定流量系統(tǒng)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)存在一些使用不便和高能耗的特點(diǎn)分析，結(jié)合該大樓設(shè)計(jì)水流阻力高的特點(diǎn)，提出采用二級泵變流量系統(tǒng)，冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)加變頻的改造方案，從節(jié)能，運(yùn)行合理以及投資回收期等方面進(jìn)行比較計(jì)算，以供同行在類似工程設(shè)計(jì)中參考借鑒。

1 工程概況

該辦公大樓位于淄博市張店區(qū)，上海路和聯(lián)通路交叉口東北角，地上主樓共23層，其中1～4層為裙樓，層高均為5.1 m。主樓層高均為4.0 m。地下一層為雙層機(jī)械式停車庫，物資庫房和設(shè)備用房等，層高5.8 m。建筑總高度為99.4 m，建筑總面積為48600 m2，主樓均為辦公用房，裙房則設(shè)有會(huì)議室、活動(dòng)室、餐廳等功能房間。

2 一級泵運(yùn)行參數(shù)及現(xiàn)狀分析

整棟大樓的供冷、供熱均由位于地下一層的制冷機(jī)房負(fù)擔(dān)，冷卻塔設(shè)置在大樓西側(cè)室外綠化帶內(nèi)，空調(diào)夏季總冷負(fù)荷為5100 kW，冬季總熱負(fù)荷為3360 kW。配置離心式冷水機(jī)組2臺（帶變頻驅(qū)動(dòng)裝置）：每臺制冷量2813 kW，電功率510 kW，冷凍水進(jìn)出口水溫度為12/7℃，冷卻水進(jìn)出口水溫度為32/37℃。方型逆流超低噪聲冷卻塔2臺：每臺流量600 m3/h，電功率5.5×3 kW。高區(qū)冷凍水循環(huán)泵2臺（一用一備）：每臺流量550 m3/h，揚(yáng)程32 m，電功率75 kW。低區(qū)冷凍水循環(huán)泵2臺（一用一備）：每臺流量500 m3/h，揚(yáng)程28 m，電功率55 kW。冷卻水循環(huán)泵3臺（二用一備），每臺流量600 m3/h，揚(yáng)程28 m，電功率55 kW。現(xiàn)狀空調(diào)為一級泵定流量系統(tǒng)，循環(huán)水泵選用定頻泵，空調(diào)末端裝置設(shè)有三通調(diào)節(jié)閥，冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)均為定頻運(yùn)行，大樓水系統(tǒng)共分為三部分：K1 低區(qū)：1～10 層空調(diào)系統(tǒng)、K1 高區(qū)：11～23 層和K2系統(tǒng)：6～23層新風(fēng)系統(tǒng)，三個(gè)區(qū)冷負(fù)荷及總阻力詳見表1，其中K1低區(qū)由一臺離心機(jī)負(fù)擔(dān)，K1高區(qū)和K2系統(tǒng)由另1臺離心機(jī)通過分集水器分二路供給，空調(diào)系統(tǒng)原理圖詳見圖1。

圖1 一級泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)原理圖

從表1可以看出，K1系統(tǒng)低區(qū)熱負(fù)荷2408 kW與K1系統(tǒng)高區(qū)和K2系統(tǒng)總和2692 kW相接近，原設(shè)計(jì)一級泵定流量系統(tǒng)2臺離心機(jī)組從負(fù)荷分配上符合設(shè)計(jì)要求，是較為合理的設(shè)計(jì)方案，可是在實(shí)際運(yùn)行過程中，存在以下幾方面的問題：

1）2臺離心機(jī)分別為不同的空調(diào)區(qū)域提供冷水，當(dāng)1臺機(jī)組出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，所負(fù)擔(dān)空調(diào)區(qū)域系統(tǒng)停止運(yùn)行，影響正常使用，并且這2臺之間為獨(dú)立系統(tǒng)，不能互為備用。

2）在夜間加班，房間空調(diào)使用率較低時(shí)，離心機(jī)總是停機(jī)保護(hù)，空調(diào)不能正常使用，不能夠滿足實(shí)際工作需求。

3）本次設(shè)計(jì)的一級泵變流量系統(tǒng)耗電量大，詳見本文一級泵與二級泵系統(tǒng)能耗詳細(xì)計(jì)算和對比圖表。

3 二級泵系統(tǒng)改造方案

對于中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)而言，有文獻(xiàn)認(rèn)為冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的變頻控制，將影響到中央空調(diào)主機(jī)的能效，使得中央空調(diào)主機(jī)的能耗增加。雖然達(dá)到了水泵和冷卻塔節(jié)能的目的，但會(huì)導(dǎo)致中央空調(diào)冷源設(shè)備整體能耗的增加，不利于中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能[3]，而另一些文獻(xiàn)則認(rèn)為中央空調(diào)在部分負(fù)荷運(yùn)行的情況下，當(dāng)室外氣象條件滿足要求時(shí)，合理調(diào)節(jié)冷水泵流量能夠很好的達(dá)到冷源系統(tǒng)整體節(jié)能的目的[4-5]。故根據(jù)現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行狀況，從綠色節(jié)能，使用便利和系統(tǒng)穩(wěn)定等方面綜合考慮，將原有系統(tǒng)改為二級泵變流量系統(tǒng)，空調(diào)水系統(tǒng)原理圖詳見圖2，同時(shí)將冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)加變頻器，系統(tǒng)設(shè)備具體參數(shù)選型如下：原有配置離心式冷水機(jī)組2臺（帶變頻驅(qū)動(dòng)裝置）：制冷量2813 kW，電功率510 kW，冷凍水進(jìn)出口水溫度為12/7℃，冷卻水進(jìn)出口水溫度為32/37℃；新增螺桿式冷水機(jī)組1臺：制冷量840 kW，電功率180 kW，冷凍水進(jìn)出口水溫度為12/7℃，冷卻水進(jìn)出口水溫度為32/37℃。方型逆流超低噪聲冷卻塔2臺：每臺流量600 m3/h，電功率5.5×3 kW（風(fēng)機(jī)變頻）。初級冷凍水定頻循環(huán)泵2臺（二用一備）：每臺流量500 m3/h，揚(yáng)程20 m，電功率37 kW；次級冷凍水變頻循環(huán)泵K1系統(tǒng)高區(qū)和K2系統(tǒng)各2臺（一用一備）：每臺流量250 m3/h，揚(yáng)程32 m，電功率37 kW。冷卻水變頻循環(huán)泵3臺（二用一備），每臺流量600 m3/h，揚(yáng)程28 m，電功率55 kW。冷卻水變頻循環(huán)泵1臺（與新增螺桿式冷水機(jī)配套），每臺流量145 m3/h，揚(yáng)程28 m，電功率18.5 kW。這樣K1系統(tǒng)低區(qū)直接從分水器分一路供給，K1系統(tǒng)高區(qū)和K2系統(tǒng)均由各自的二級循環(huán)泵單獨(dú)供水，配合末端電動(dòng)兩通閥變頻使用，冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)均變頻運(yùn)行，夜間和節(jié)假日有部分房間加班時(shí)，開啟螺桿式冷水機(jī)組，與新增小流量水泵配套使用，避免原設(shè)計(jì)低負(fù)荷時(shí)空調(diào)不能啟動(dòng)不利情況。

圖2 二級泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)原理圖

4 一、二級泵系統(tǒng)能耗對比計(jì)算分析

現(xiàn)將原設(shè)計(jì)一級泵定流量空調(diào)泵系統(tǒng)（方案1）和改造方案二級泵變流量系統(tǒng)（方案2）從以下幾個(gè)方面計(jì)算對比分析。

1）冷水機(jī)組改造前后年運(yùn)行耗電量、性冷系數(shù)和IPLV比較如下，詳見表2和表3。

從表3中可以看出，當(dāng)負(fù)荷率為25%，方案1單臺離心式冷水機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，COP降低至3.5，而方案2采用單臺螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)行，COP高達(dá)5.27。IPLV由方案1離心式冷水機(jī)運(yùn)行時(shí)的5.62提高到方案2的單臺螺桿式冷水機(jī)運(yùn)行時(shí)的5.95，制冷性能系數(shù)（COP）提高33.6%，方案2中單臺螺桿機(jī)式冷水機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行滿足了節(jié)假日或夜間加班的實(shí)際工作需求。

2）冷卻塔風(fēng)機(jī)年運(yùn)行耗電量比較如下，詳見表4。

3）冷水泵和冷卻水泵年運(yùn)行耗電量比較如下，詳見表5。

4）一級泵和二級泵系統(tǒng)年運(yùn)行總耗電量比較如下，詳見圖3和表6。

圖3 一/二次泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)年運(yùn)行耗電量對比圖

可見，經(jīng)過方案改造，二級泵變流量系統(tǒng)的總耗電量比一級泵定流量系統(tǒng)節(jié)約了20.44%，符合《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》制冷性能系數(shù)（COP）提高6%，空調(diào)系統(tǒng)能耗降低幅度＞15%的綠色建筑節(jié)能的規(guī)范要求，屬于綠色節(jié)能的改造方案。

5 投資回收期理論計(jì)算

本次改造方案中新增的主要設(shè)備，材料和安裝費(fèi)用如下表所示，詳見表7。

根據(jù)以上所列材料表中費(fèi)用，現(xiàn)對本方案進(jìn)行投資回收期計(jì)算如下：

1）該項(xiàng)目每年節(jié)約電量961696-765110=196586 kWh，電價(jià)按照1元/kWh，則每年可節(jié)約196586元。2）靜態(tài)投資回收期T1：574680/196586=2.923年。3）動(dòng)態(tài)投資回收期T2：資金年收益率按照8%計(jì)算，投資回收現(xiàn)金流量表詳見表8。

在第四年現(xiàn)金流量為正，另68117.19/144490.71=0.47，則動(dòng)態(tài)投資回收期為3+0.47=3.47年，節(jié)能效果顯著，屬于經(jīng)濟(jì)合理的改造方案。

6 結(jié)論

本文結(jié)合辦公大樓空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際使用中的不利因素，認(rèn)為原設(shè)計(jì)空調(diào)一級泵系統(tǒng)不合理，接著對一級泵定流量和二級泵變流量空調(diào)系統(tǒng)各自特點(diǎn)分析對比，按年耗電量對冷水機(jī)組，冷水泵，冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電量的詳細(xì)計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1）二級泵變流量系統(tǒng)的總耗電量比一級泵定流量系統(tǒng)節(jié)約了20.44%，其中，冷水機(jī)組節(jié)電16.42%、冷水泵和冷卻水泵節(jié)電44.32%和冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻節(jié)電25%，由此可以看出在阻力高的大型工程中，二級泵變流量水系統(tǒng)的節(jié)電量非?？捎^，系統(tǒng)改造勢在必行。

2）冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻配上合理的自控系統(tǒng)，節(jié)省能源，降低運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)能效果顯著。

3）動(dòng)態(tài)投資回收期為3.47年，改造帶來的經(jīng)濟(jì)利益非?？捎^，在類似工程中采用二級泵變流量系統(tǒng)為最佳選擇。