某商場空調系統(tǒng)節(jié)能改造案例分析

黃渝蘭

(四川省建筑科學研究院有限公司，四川成都 610000))

1 項目概況

某夏熱冬冷地區(qū)的商場，2010年投入運營，總建筑面積3.9×104m2，空調面積3.3×104m2，主要功能分區(qū)包括設備房、商鋪、超市等。該商場主要能源為電力，電力主要用于空調、照明、電梯及冰庫等設備。改造前該商場單位建筑面積年平均用電量約為230 kwh/(m2·a)，與同類型建筑單位建筑能耗相比，該建筑屬于較高能耗水平，節(jié)能空間較大。該商場冬天不需要供暖，空調系統(tǒng)只有制冷形式，為集中式空調，采用2臺半封閉螺桿式冷水機組，空調冷水機組夏季每天使用，過渡季節(jié)和冬季根據(jù)實際情況部分時間使用，空調末端風系統(tǒng)則全年使用。

2 節(jié)能診斷

該商場空調水系統(tǒng)冷源采用2臺半封閉螺桿式冷水機組，冷水機組本身具有自動調節(jié)功能，每臺主機有4個機頭，機頭運行的臺數(shù)由負荷大小決定，即根據(jù)冷凍水出水溫度自動調節(jié)，負荷高峰期運行一臺主機4個機頭+另一臺主機的n(n<4)個壓縮機頭，負荷非高峰期則只運行其中一臺主機的n個機頭(n≤4)；空調冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)均采用一次泵定流量運行，分別配置了三臺立式泵，均以并聯(lián)的方式接入，各有一臺備用，負荷高峰時(即主機運行2臺)分別運行2臺冷凍水泵和2臺冷卻水泵，其他時間各運行1臺，水泵長期處在滿荷載運行工況下，冷卻水系統(tǒng)配用了6 臺橫流式冷卻塔作為系統(tǒng)冷卻設備，各塔并聯(lián)運行，冷卻塔根據(jù)負荷變化自動控制運行臺數(shù)；空調末端采用單風道低速全空氣系統(tǒng)的形式承擔建筑內人體及設備熱濕負荷與新風負荷，為定風量運行?？照{設備性能參數(shù)見表1。

2.1 冷凍/冷卻水供回水溫差診斷

統(tǒng)計最近一年空調運行記錄，該商場的空調冷凍水供回水溫差全年平均值為3.4 ℃，冷卻水供回水溫差全年平均值為3.6 ℃，分別為設計溫差5 ℃的68 %和66 %，其中6～9月份的供回水溫差相對其他月份較高，這是由于6～9月是空調負荷高峰期，因為水系統(tǒng)為定流量，因此供回水溫差較高，而其他月份空調負荷較低，定流量下溫差就較小，且經(jīng)進一步統(tǒng)計溫差小于2 ℃的時間超過了空調總運行時間的15 %，根據(jù)JGJ 176-2009《公共建筑節(jié)能改造技術規(guī)范》的第4.3.10條，宜對空調水系統(tǒng)進行相應的調節(jié)或改造。

表1 空調系統(tǒng)設備性能參數(shù)

2.2 冷水機組運行能效診斷

對冷水機組運行能效進行測試，測試參數(shù)包括流量、冷凍水供回水溫度、冷卻水供回水溫度、冷水機組輸入功率、室內外溫濕度等，得到冷水主機實際運行的COP值如表2所示。

表2 項目改造前空調主機實際運行的COP值

根據(jù)現(xiàn)行國家標準GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》第4.2.10條規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)的水冷變頻螺桿式機組當名義制冷量大于1 163 kW時，機組性能系數(shù)COP不應低于5.32，可見這2臺機組均未達到標準要求。

2.3 冷凍水泵、冷卻水泵節(jié)能診斷

冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)均為定流量運行，水泵長期處于滿負載運行工況下，根據(jù)上述的冷凍水及冷卻水供回水溫差統(tǒng)計可知，大部分溫差在2.5～4.0 ℃之間，說明該制冷機組大部分時間是在部分負荷下運行，空調部分負荷運行時間占總運行時間的80 %以上，其中溫差小于2 ℃的時間超過了空調總運行時間的15 %，可見冷凍水及冷卻水系統(tǒng)存在“大流量小溫差”現(xiàn)象較嚴重，根據(jù)JGJ 176-2009《公共建筑節(jié)能改造技術規(guī)范》的第6.3.7條規(guī)定，建議對空調水系統(tǒng)進行變流量改造。

2.4 空調風系統(tǒng)

該商場空調末端風系統(tǒng)采用單風道低速全空氣系統(tǒng)，所有風機處于工頻運行，整個系統(tǒng)水閥均為手動閥，無法適應空調負荷變化進行自動調節(jié)。對室內環(huán)境及風系統(tǒng)測試結果見表3。

表3 項目改造前室內環(huán)境測試

根據(jù)GB 50732-2012《民用建筑供暖通風及空氣調節(jié)設計規(guī)范》的第3.0.2條對II級熱舒適性空調室內設計參數(shù)要求：供冷溫度26～28 ℃，相對濕度不大于70 %，風速不大于0.3 m/s。根據(jù)測試結果可知：該商場的室內溫度過低，過冷現(xiàn)象，不滿足標準要求。根據(jù)GB 50732-2012《民用建筑供暖通風及空氣調節(jié)設計規(guī)范》第7.4.10條規(guī)定：當滿足舒適、工藝要求的條件下，宜加大送風溫差；當送風口高度不大于5 m時，送風溫差為5～10 ℃。而根據(jù)表3的商場送回風溫差約6.5 ℃，可見商場送風溫差還有很大的提升空間，要加大送風溫差，則需要減小送風量，對風機做變頻改造即可實現(xiàn)。若將該商場定風量運行改造為變風量運行，不僅能降低風機的能耗，而且可以解決商場過冷現(xiàn)象，因此建議對空調風系統(tǒng)進行變流量改造。

3 節(jié)能改造方案設計

根據(jù)上述針對該商場空調系統(tǒng)的的節(jié)能診斷，提出以下節(jié)能改造方案。

3.1 冷凍水泵變頻改造

對冷凍水泵進行變頻改造，采用2套變頻控制柜，變頻采用溫差控制的方式，溫度傳感器分別布置于供水、回水總干管處。其控制原理為：當空調負荷降低時，室內所需冷量降低，導致冷凍水回水溫度下降，從而使冷凍水供回水溫差減小，溫差傳感器將溫差變化信號傳至控制器，控制器輸出信號使冷凍水泵電動機的頻率降低，從而使流量下降，最終使溫差上升至最初設定值[1-2]。商場非滿負荷運行時間較長，水泵變頻運行能耗降低，最終實現(xiàn)節(jié)能。

3.2 冷卻水泵變頻改造[3]

同冷凍水泵也采用了2套變頻控制柜進行變頻改造，該系統(tǒng)采用定溫差控制的方式，溫差控制值為5 ℃，溫度傳感器分別布置于冷水機組冷凝器的進出口冷卻水管處。其控制原理及節(jié)能效果同冷凍水系統(tǒng)。

3.3 空調末端風系統(tǒng)

采用23套風機變頻控制柜進行變頻改造，各風系統(tǒng)采用定室內溫度及CO2濃度控制的方式，溫度傳感器及CO2濃度監(jiān)控傳感器分別布置在各末端風系統(tǒng)的回風管道或回風口上。其控制原理為：當室內負荷降低，室內溫度/CO2濃度會降低，溫度傳感器/CO2濃度監(jiān)測傳感器將溫度/CO2的濃度信號傳至控制器，控制器輸出信號使風機電動機頻率降低，從而使風量下降，最終使室內溫度升高至設置溫度，避免室內出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，因為這種變頻控制方式?jīng)]有改變風系統(tǒng)管路的阻力特性，因此風機滿足相似定律，即風機能耗與流量的三次方成正比，當部分負荷運行時，風機能耗隨流量降低而降低，最終實現(xiàn)節(jié)能目的。

4 節(jié)能改造效果分析

該商場實施空調系統(tǒng)改造并正常運行一年后，對其空調系統(tǒng)實際運行效果進行檢測和分析。測試工況：測試期間恰逢商場促銷活動，人流量較大，為了保證室內空氣質量，商場所有空調末端風機采用工頻運行模式(因此本次不對空調末端風機改造后效果測試分析)，但空調冷凍水泵及冷卻水泵全程均為變頻運行模式；測試期間空調系統(tǒng)非滿負荷運行，空調主機僅啟用了一臺(1#主機)，冷凍水泵和冷卻水泵各運行一臺；測試周期為4 d。測試參數(shù)包括：主機、冷凍泵、冷卻泵、末端風機的輸入功率、冷凍水及冷凍水流量、冷凍水及冷卻水供回水溫度、冷凍水泵及冷卻水泵進出口壓力、水泵及風機的運行頻率、風機送、回風溫度風口風速、室內外溫度和相對濕度。

4.1 空調主機運行效果

空調冷水機組實測逐時的COP見圖1，大部分時間段內的COP值較穩(wěn)定，部分時刻波動較大的主要受負荷突變的影響，根據(jù)實測發(fā)現(xiàn)，負荷率降低時，主機的COP值相對也會下降。1#主機實測的COP平均值為5.4，滿足相應標準要求的不低于5.32的要求，比改造前能效提升了20 %。

4.2 空調水泵運行效果

冷凍水泵和冷卻水泵實測的逐時效率見圖2，冷卻水泵的運行效率比冷凍水泵的運行效率更穩(wěn)定，這是由于冷卻水泵性能曲線較冷凍水泵性能曲線更平緩的原因，可見，水泵性能曲線越平緩，在變頻中不僅可調流量范圍更寬，且運行效率也更穩(wěn)定，也即是說，性能曲線越平緩的水泵更適合做變頻改造。從測試的逐時效率計算平均值得到，冷凍水泵和冷卻水泵的平均效率分別為66.5 %和67.5 %，根據(jù)JGJ/T 177-2009《公共建筑節(jié)能監(jiān)測標準》的8.5.3條規(guī)定，水泵效率檢測值大于銘牌值的80 %則可判定為合格，可見冷凍水泵和冷卻水泵變頻改造后的運行效率均滿足要求。

已知△t=5℃ 、A=0.004225、B=28、a=0.02、∑L=400m，則可以計算得到該冷水系統(tǒng)耗電輸冷比限制為0.0340。根據(jù)實測參數(shù)計算得到的逐時冷水系統(tǒng)耗電輸冷比ECR-a見圖3，可見實際運行的ECR-a≤0.0340，改造后空調冷水系統(tǒng)耗電輸冷比滿足節(jié)能要求。

圖1 冷水機組逐時COP

圖2 冷凍水泵、冷卻水泵逐時效率

圖3 冷水系統(tǒng)耗電輸冷比

4.3 節(jié)能量

空調系統(tǒng)實施改造運行一年后，根據(jù)商場的空調分項能耗監(jiān)測結果，空調系統(tǒng)全年節(jié)能量為78.2×104kWh,空調單項節(jié)能率為46.0 %。

5 結論

通過該商場空調系統(tǒng)節(jié)能改造案例分析，對空調水系統(tǒng)和風系統(tǒng)變頻改造后，設備能效得到提升、節(jié)能量顯著，值得借鑒及推廣。而既有商場建筑的集中空調系統(tǒng)普遍存在水系統(tǒng)和風系統(tǒng)無節(jié)能調節(jié)措施、長期滿負載運行、供冷期間室內空調過冷現(xiàn)象嚴重等問題，節(jié)能潛力大，應高度重視并采取相應的節(jié)能措施進行改造優(yōu)化。