青島市既有辦公建筑冷源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)研分析

孫銳 崔紅社* 李言永 吳筱晗 馬倩倩

1 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

2 青島理工大學(xué)建設(shè)工程監(jiān)理咨詢公司

0 引言

2020 年9 月，習(xí)近平總書記提出“中國(guó)將力爭(zhēng)2030 年前達(dá)到二氧化碳排放量峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。這一重要宣示為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、綠色低碳發(fā)展提供了方向指引，同時(shí)也對(duì)節(jié)能減排的工作提出了更高的要求。我國(guó)目前既有公共建筑面積達(dá)128 億m2，占建筑總量的21%，其消耗了建筑總能耗的33%[1]。暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗作為公共建筑能耗的主要組成部分，其占比通?？蛇_(dá)30%～40%[2]。在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)負(fù)荷過大、設(shè)備選型不合理、運(yùn)行調(diào)試不科學(xué)等原因?qū)е驴照{(diào)系統(tǒng)能耗一直居高不下。對(duì)既有公共建筑實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行調(diào)研與分析，能有效指導(dǎo)建筑冷熱源系統(tǒng)改造、運(yùn)行控制策略的設(shè)計(jì)，減少能源消耗，降低碳排放。

趙云峰對(duì)青島市17 棟辦公建筑進(jìn)行調(diào)研，得出辦公建筑單位面積空調(diào)能耗均值為20.1 kWh/(m2·a)[3]。阮應(yīng)君等基于青島市40 棟?rùn)C(jī)關(guān)辦公建筑能源審計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)，得到青島市政府辦公建筑單位面積年能耗均值為49.1 kWh/(m2·a)，其中以螺桿式冷水機(jī)組為冷源的中央空調(diào)冷源系統(tǒng)能耗量占建筑總能耗30%[4]。

前述學(xué)者的研究過程著重于辦公建筑整體能耗，未對(duì)空調(diào)冷源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行冷負(fù)荷、冷源設(shè)備能耗及分項(xiàng)能耗等作詳細(xì)分析。本文基于青島市5 棟辦公建筑2020 年制冷季的運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出既有辦公建筑中央空調(diào)冷源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行冷指標(biāo)，分析制冷機(jī)組性能，可以為設(shè)計(jì)人員合理的選型及經(jīng)濟(jì)性分析提供相關(guān)參考。

1 辦公建筑制冷季運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

本次運(yùn)行調(diào)研及分析的對(duì)象為青島市5 棟圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式相近、空調(diào)能源形式相同的辦公建筑。集中式中央空調(diào)冷源均為螺桿式冷水機(jī)組。室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤管降溫，無新風(fēng)系統(tǒng)。建筑的入駐率為70%～80%。具有較強(qiáng)相似性。表1 為5 棟建筑的概況以及冷源系統(tǒng)概況。

表1 各項(xiàng)目用能形式及設(shè)計(jì)指標(biāo)

對(duì)A-E 項(xiàng)目中央空調(diào)冷源系統(tǒng)2020 年制冷季的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為7 月1 日-9 月30 日，系統(tǒng)間歇運(yùn)行，時(shí)間為8:00-18:00。數(shù)據(jù)采集設(shè)備如表2，采集時(shí)間間隔為1 h。各項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)配置有以PLC 為控制中心的冷源系統(tǒng)群控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備與PLC 連接，通過PLC 控制器收集數(shù)字模擬信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及傳輸[5]。

表2 采集數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

2 辦公建筑運(yùn)行負(fù)荷指標(biāo)

為保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的正確性、準(zhǔn)確性，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除空白點(diǎn)及異常點(diǎn)。本文所采集的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)為冷負(fù)荷供應(yīng)量，由于建筑物空調(diào)實(shí)際需求負(fù)荷無法測(cè)量，當(dāng)達(dá)到供需平衡時(shí)，可用空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷供應(yīng)量代替需求量[6]。冷負(fù)荷計(jì)算公式為：

式中：q 為系統(tǒng)制冷量，即實(shí)際的冷負(fù)荷，kW；c 為水的比熱，為常數(shù)，4.2 kJ/(kg·℃)；m 為冷凍水的流量，kg/s；tH、tG分別為空調(diào)系統(tǒng)回水、供水溫度，℃。

按照式（1）計(jì)算得到A-E5 棟辦公建筑的制冷季逐時(shí)負(fù)荷。圖1、2 以項(xiàng)目E 為例分析其制冷季逐時(shí)負(fù)荷情況。由圖1 可得項(xiàng)目E 單位面積負(fù)荷范圍為8～50.7 W/m2，單位面積平均負(fù)荷為24.1 W/m2，尖峰負(fù)荷出現(xiàn)在8 月份。圖2 可得，系統(tǒng)96%的時(shí)間運(yùn)行在75%負(fù)荷以下，主機(jī)大多數(shù)時(shí)間在低負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行，制冷效率較低，需通過水泵變頻變流量等控制方式在負(fù)荷變化時(shí)及時(shí)調(diào)整供冷量以達(dá)到節(jié)能減排目的[7]。

圖1 項(xiàng)目E 制冷季單位面積逐時(shí)冷負(fù)荷

圖2 項(xiàng)目E 冷負(fù)荷頻率直方圖

表3 為除項(xiàng)目E 以外其余各項(xiàng)目的單位面積逐時(shí)冷負(fù)荷及最大冷負(fù)荷。表中數(shù)據(jù)顯示，建筑單位面積平均冷負(fù)荷為15-30 W/m2之間，最大單位面積冷負(fù)荷在45-60 W/m2之間，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷指標(biāo)均低于建筑設(shè)計(jì)冷指標(biāo)。主要原因有：1）夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度采用歷年平均不保證50 小時(shí)的干球溫度且冷源設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)留有余量。2）隨著國(guó)家對(duì)LED 燈具的推廣，諸多公共建筑進(jìn)行了照明系統(tǒng)改造，LED 燈具較傳統(tǒng)燈具相比，其發(fā)熱量?jī)H是金屬鹵化物燈的30%甚至更低[8]。3）由于天氣污染致使霧霾多發(fā)，霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射具有減弱作用，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射所形成的負(fù)荷減小。因此在對(duì)既有辦公建筑中央空調(diào)冷源系統(tǒng)改造項(xiàng)目的冷負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、建筑使用情況及天氣情況進(jìn)行準(zhǔn)確的建筑冷負(fù)荷模擬，以在保證室內(nèi)熱舒適的同時(shí)減少初投資及運(yùn)行費(fèi)用。本結(jié)果基于青島市既有辦公項(xiàng)目的中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可為設(shè)計(jì)選型提供參考。

表3 A-D 各項(xiàng)目制冷季逐時(shí)單位面積冷負(fù)荷及最大冷負(fù)荷

3 中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運(yùn)行能耗

本次所進(jìn)行調(diào)研的5 棟辦公樓中央空調(diào)冷源系統(tǒng)形式相同，如圖3。制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔一一對(duì)應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制方式為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)PLC 所采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算建筑負(fù)荷率，當(dāng)建筑負(fù)荷率小于50%時(shí)，運(yùn)行單臺(tái)機(jī)組。當(dāng)建筑負(fù)荷率處于50%～100%時(shí)，運(yùn)行兩臺(tái)機(jī)組，負(fù)載平均。

圖3 空調(diào)冷源系統(tǒng)原理圖

制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔耗電量采用單獨(dú)電表計(jì)量，通過智能電表采集耗電量并通過PLC 中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖4 為A-E5 棟辦公建筑冷源系統(tǒng)各設(shè)備制冷季耗電量指標(biāo)。由圖4 可得，在冷源系統(tǒng)中，制冷機(jī)組耗電量占比最大，冷凍水泵、冷卻水泵耗電量占比相當(dāng)。所調(diào)研5 個(gè)項(xiàng)目的冷源系統(tǒng)單位面積平均日能源消耗為0.057 kWh。對(duì)5 棟建筑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出冷源系統(tǒng)各設(shè)備耗電量分項(xiàng)餅圖，如圖5。在以螺桿式冷水機(jī)組作為冷源的制冷系統(tǒng)中，制冷主機(jī)耗電量占比61%，冷凍水泵與冷卻水泵占比34%，冷卻水塔能耗占比為5%。由于空調(diào)水系統(tǒng)采用定流量方式運(yùn)行，且運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致水泵耗電占比大。

圖4 A-E 各項(xiàng)目耗電指標(biāo)

圖5 冷源系統(tǒng)各設(shè)備耗電量占比

4 冷源系統(tǒng)性能分析

對(duì)冷源系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行分析，是設(shè)計(jì)運(yùn)行控制策略與系統(tǒng)調(diào)試的基礎(chǔ)。冷水機(jī)房綜合能效EER 及制冷機(jī)組名義工況性能系數(shù)COP 是評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

冷水機(jī)房綜合能效（EER）定義為制冷機(jī)組提供的冷量與冷源系統(tǒng)整體能耗之比，計(jì)算公式為：

式中：Q 為制冷量，kWh；W1、W2、W3、W4為分別制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔耗電量，kWh。

制冷機(jī)組名義工況性能系數(shù)（COP）定義為制冷機(jī)組所提供制冷量與其自身耗電量之比，計(jì)算公式為：

圖6 為A-E5 各項(xiàng)目制冷系統(tǒng)平均EER 與COP柱狀圖。根據(jù)美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）提出的標(biāo)準(zhǔn)，“冷水機(jī)房全年綜合能效”在5.0 以上的為高效機(jī)房，綜合能效在3.5 以下的為需要改造的機(jī)房。由圖可得，所調(diào)研5 個(gè)項(xiàng)目冷水機(jī)房綜合能效均在3.5～5.0 之間，未達(dá)到高效機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)，需采取智能控制手段實(shí)現(xiàn)機(jī)房能效的提升。

圖6 各項(xiàng)目平均EER、COP

制冷主機(jī)的能耗是公共建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分，其運(yùn)行效率對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的整體效率有顯著影響[9]。所調(diào)研5 個(gè)項(xiàng)目均采用螺桿式冷水機(jī)組作為冷源，所用制冷機(jī)組品牌不同，標(biāo)稱能效不同，其中項(xiàng)目E 水冷螺桿式冷水機(jī)組為一級(jí)能效，其余均為二級(jí)能效。由圖6 得，E 項(xiàng)目冷水機(jī)組能效等級(jí)達(dá)一級(jí)，B 項(xiàng)目冷水機(jī)組能效等級(jí)達(dá)二級(jí)，其余項(xiàng)目冷水機(jī)組能效均為三級(jí)[10]，低于其標(biāo)稱能效。

制冷機(jī)組的能耗及其運(yùn)行效率對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的整體能耗及運(yùn)行有重要影響。以額定COP 為6.0 的制冷主機(jī)作為冷源的制冷機(jī)房，若要EER 達(dá)高效機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)5.0，需提高制冷機(jī)組能耗占比至83%，降低水泵、冷卻水塔能耗占比至17%。通過選擇高效水泵、并為水泵及冷卻水塔增設(shè)變頻器，使設(shè)備功耗隨負(fù)荷的變化適時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)水泵及冷卻水塔的降耗。

為分析制冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況與樣本標(biāo)稱性能的差距，將廠家提供的制冷主機(jī)選型曲線繪制于坐標(biāo)軸，其中橫坐標(biāo)為主機(jī)負(fù)載率，縱坐標(biāo)為主機(jī)的COP，不同顏色的曲線為7 ℃冷凍水出水溫度、不同冷卻水回水溫度下的主機(jī)COP。將所采集數(shù)據(jù)按照不同負(fù)荷率、不同冷卻水回水溫度下主機(jī)實(shí)際運(yùn)行COP 繪制于坐標(biāo)軸中，以散點(diǎn)圖形式表示，不同顏色代表不同冷卻水出水溫度。以E 項(xiàng)目為例，圖7 為E 項(xiàng)目2#主機(jī)實(shí)際運(yùn)行COP 與樣本標(biāo)稱COP 對(duì)比圖。

圖7 項(xiàng)目E2#機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)圖

由圖7 可得，實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)COP 與冷水機(jī)組的標(biāo)稱值均有較大的偏差，50%的工作點(diǎn)的COP 低于標(biāo)稱值曲線上的COP，制冷主機(jī)未達(dá)到額定出力。制冷主機(jī)廠家應(yīng)以COP 作為擔(dān)保全程參與制冷主機(jī)銷售及調(diào)試，以保證冷水機(jī)組達(dá)到標(biāo)稱運(yùn)行性能。用戶在使用制冷主機(jī)時(shí)也應(yīng)關(guān)注制冷主機(jī)能效問題，以促使制冷主機(jī)廠家調(diào)試設(shè)備性能，提高制冷能效。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)青島市5 棟既有辦公建筑中央空調(diào)冷源系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)研及分析，得出以下結(jié)論，可以為青島市同類型辦公建筑冷源系統(tǒng)改造選型、運(yùn)行分析提供參考。

1）青島市既有辦公建筑冷源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行冷負(fù)荷為45-60 W/m2。既有辦公建筑應(yīng)按照建筑實(shí)際使用情況進(jìn)行負(fù)荷模擬指導(dǎo)冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以在保證室內(nèi)熱舒適的同時(shí)減少初投資及運(yùn)行費(fèi)用。

2）以螺桿式冷水機(jī)組作為冷源的冷源系統(tǒng)運(yùn)行能耗為0.04-0.08 kWh/(m2·天)，其中冷水機(jī)組占比61%，冷凍水泵與冷卻水泵占比34%。主機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在75%負(fù)載以下，需通過變頻等智能控制手段進(jìn)一步減少運(yùn)行費(fèi)用，提高系統(tǒng)制冷能效。

3）冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行COP 在50%的時(shí)間里低于主機(jī)標(biāo)稱COP，主機(jī)廠家應(yīng)以保證COP 為承諾參與主機(jī)的銷售及調(diào)試，用戶應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)，以提高制冷能效，減少碳排放。