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      某商場空調系統(tǒng)節(jié)能改造案例分析

      2019-09-03 10:39:10黃渝蘭
      四川建筑 2019年2期
      關鍵詞:冷水機組冷卻水溫差

      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。

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