淺析某大型商業(yè)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造

1、<p>　　淺析某大型商業(yè)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造</p><p>　　摘要：本文針對大型老商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的特點，以某商廈空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造為例，通過減少風機水泵電耗、充分利用自然冷源、改善氣流組織、采取分項計量改善管理等多項措施的實踐，驗證了對該類建筑空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造的節(jié)能意義。 </p><p>　　關(guān)鍵字：大型商業(yè)建筑，空調(diào)系統(tǒng)，分項計量系統(tǒng)，節(jié)能改造 <

2、/p><p>　　中圖分類號： TU831文獻標識碼：A </p><p><b>　　概述 </b></p><p>　　筆者以某商廈空調(diào)系統(tǒng)改造工程為例，對該類建筑的空調(diào)改造的節(jié)能意義進行分析說明。商廈為1996年投入使用的大型綜合性商場建筑，該建筑空調(diào)系統(tǒng)為典型的夏季供冷冬季供熱設(shè)計，冷源為3臺額定制冷量為1300KW的離心式冷水機組，熱源為

3、3臺額定制熱量為296KW的電熱式熱水鍋爐，均采用低速大風管空調(diào)系統(tǒng)； </p><p>　　空調(diào)系統(tǒng)存在的主要問題 </p><p>　　冷水機組、空調(diào)風機和水泵等設(shè)備的運行、維護不利，導(dǎo)致設(shè)備的效能大幅下降； </p><p>　　在過渡季和冬季營業(yè)區(qū)溫度明顯偏高，冬季有時非但不需供熱，反而需要制冷； </p><p>　　以上問題造成冷

4、水機組年運行時間長，系統(tǒng)的運營成本逐年升高，電能浪費極其嚴重； </p><p>　　空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造措施 </p><p>　　由于受到投資規(guī)模限制，此次改造基本不對冷熱源設(shè)備進行較大調(diào)整，而是對冷熱源設(shè)備工況進行優(yōu)化。重點是對系統(tǒng)的管路及末端設(shè)備進行改造，同時增加相應(yīng)的控制系統(tǒng)，具體措施如下： </p><p>　　1、對大型用電設(shè)備采用分項計量系統(tǒng) </

5、p><p>　　本工程分項計量表具設(shè)計采用星型結(jié)構(gòu)與6塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)相連，并將采集數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖一。根據(jù)本工程主要空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的配置、服務(wù)區(qū)域和供配電回路的情況，將重點耗能對象進行歸類，并為每臺重點耗能設(shè)備對應(yīng)安裝計量電表，分項計量如表一： </p><p><b>　　監(jiān)控對象 電表 </b></p><p>　　數(shù)量

6、監(jiān)控對象 電表 </p><p><b>　　數(shù)量 </b></p><p>　　冷水機組 3 排風機 4 </p><p><b>　　冷卻、冷凍 </b></p><p><b>　　水泵 8 冷卻塔 </b></p><p><b>　　

7、風機 1 </b></p><p>　　電鍋爐 3 空調(diào)箱 10 </p><p><b>　　合計 29 </b></p><p>　　圖一：設(shè)備分項計量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖表一：天山商廈空調(diào)設(shè)備分項計量明細表 </p><p>　　通過該套計量系統(tǒng)的安裝，遠端客戶可隨時通過Internet訪問數(shù)據(jù)中心，通過對實

8、時數(shù)據(jù)的分析不僅可以隨時發(fā)現(xiàn)建筑中突然出現(xiàn)的用能問題，而且可以捕捉到人工難以察覺的異常能耗問題，從而改善用能效率。 </p><p>　　2、 應(yīng)用交流變頻控制技術(shù)降低空調(diào)動力設(shè)備能耗 </p><p>　　大型商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)，隨季節(jié)變化的冷熱負荷與最大設(shè)計供冷熱量存在著很大的差異，系統(tǒng)各部分80%以上時間是運行在非滿載額定狀態(tài)。應(yīng)用交流變頻技術(shù)對中央空調(diào)的末端空調(diào)風機箱、冷凍水泵等進行

9、控制，從而使空調(diào)各子系統(tǒng)負荷工況參數(shù)按負荷情況得到適時調(diào)節(jié)，不但能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，從而改善空調(diào)的舒適性，更能到達節(jié)約大量電能，降低設(shè)備運行費用的目的。 </p><p>　　2.1樓層中央空調(diào)風機的變頻控制實施 </p><p>　　在某商廈空調(diào)改造項目中，限于項目投資規(guī)模，一期改造先對樓層中央空調(diào)機組實施交流變頻控制。商廈1～4層設(shè)計仍采用低速大風管全空氣空調(diào)系統(tǒng)，每層?xùn)|西兩側(cè)各為一

10、個空調(diào)區(qū)域，所有8臺空調(diào)機組均為變頻控制。 </p><p>　　工程采用美國江森的Metasys樓宇控制系統(tǒng)對中央空調(diào)機組進行控制，詳細控制原理及流程[2]筆者不再敖述。經(jīng)過對空調(diào)機組的變頻控制，通過分項計量系統(tǒng)采集到的商場冬季典型日下午2點的實測數(shù)據(jù)，以4層為例，如下表二所示： </p><p>　　表二：商廈冬季典型日4層空調(diào)機組實際運行數(shù)據(jù)表 </p><p&g

11、t;　　設(shè)備所處位置 電機原始運行頻率(Hz) 電機實際運行頻率(Hz) 額定功率（KW)) 實際運行功率（KW) 換氣次數(shù) 實測室外溫度(度) 實測營業(yè)區(qū) </p><p><b>　　溫度(度) </b></p><p>　　四層西 50 30 30 8 6.1 3.2 </p><p><b>　　23.3 </b>

12、</p><p>　　四層?xùn)| 50 46.4 30 24 9.4 23.2 </p><p>　　結(jié)合下圖二可以看出，4層?xùn)|、西區(qū)室內(nèi)溫度基本相同，但東側(cè)空調(diào)機組由于此時熱負荷較大耗功率在24kW，而西側(cè)僅為8kW。此時，西側(cè)空調(diào)機組送風量大幅減小，但仍能達到規(guī)范要求的不低于5次的換氣次數(shù)。由此可見，通過變頻控制，在4層西側(cè)空調(diào)機組風機能耗降低了67％；實測的數(shù)據(jù)表明對風機變頻節(jié)能的效應(yīng)在

13、1～3層中也得到了很好體現(xiàn)，綜合1～4層的實測數(shù)據(jù)，商廈僅冬季典型日空調(diào)風機的能耗比改造前減低了近40%。 </p><p>　　圖二：冬季典型日商廈4層空調(diào)機組電耗數(shù)據(jù)圖 </p><p>　　2.2對循環(huán)水泵實施變頻控制的可預(yù)期節(jié)能效果 </p><p>　　商廈配置有4臺冷熱水共用的循環(huán)水泵，3用1備，單臺額定功率均為45KW、揚程40m，流量320m3/h。

14、由于此次改造工程暫不涉及冷凍機房設(shè)備的改造，筆者本文僅對循環(huán)水泵實施變頻控制的可預(yù)期效果予以論證。 </p><p>　　商廈空調(diào)系統(tǒng)在冬季典型日一般使用一臺電鍋爐和一臺水泵，運行時間為早9點～晚21點，對應(yīng)的功率通過分項計量系統(tǒng)的記錄分別為280KW和44KW。同時，可以發(fā)現(xiàn)該日空調(diào)水流量G平均值為313 m3/h，與水泵額定流量基本一致，而對應(yīng)電鍋爐開機時間段內(nèi)平均的供、回水溫差Δt僅為0.7℃，遠低于規(guī)范中

15、推薦的不低于5℃的要求[3]。 </p><p>　　流經(jīng)空調(diào)末端設(shè)備的流量G和空調(diào)負荷Q存在如下關(guān)系： </p><p>　　Q=G·Δt·C·ρ (2) </p><p>　　公式中：Q-空調(diào)負荷，KW； </p><p>　　G-流經(jīng)末端設(shè)備的流量，m3/h； </p><p>　　

16、Δt-末端設(shè)備供回水溫度差，℃； </p><p>　　C-水的比熱，取4.2KJ/(kg·℃) </p><p>　　ρ-水的密度，取103 kg/ m3 </p><p>　　此時空調(diào)負荷Q經(jīng)計算為255.6KW。 </p><p>　　分析，可以得到電鍋爐冬季典型日的平均電熱轉(zhuǎn)換效率為： </p><p&g

17、t;　　η=Q/P=255.6/280=0.913(3) </p><p>　　其中，P——電鍋爐的用電功率,KW； </p><p>　　顯然，電鍋爐的效率本身是基本正常，問題的關(guān)鍵在于水泵和電鍋爐的不匹配。按公式（2），若設(shè)定正常Δt=5℃；那么此時的水泵理論流量應(yīng)該為： </p><p>　　G=255.6*3600/(5*4.2*1*1000) =43.8m

18、3/h </p><p>　　可見，實際需要的循環(huán)水泵流量遠小于現(xiàn)有水泵流量，同時由于循環(huán)水泵的流量過高，致使鍋爐的送水溫度偏低，未能達到額定的60℃出水溫度。在不更換循環(huán)水泵并確保鍋爐所需最小循環(huán)水流量的前提下，若采用變頻控制器線性減小水泵的流量，既可以使出水溫度、供回水溫差趨于合理，更可以實現(xiàn)大幅節(jié)約電耗。同時，若以回水溫度55℃作為目標信號，設(shè)定Δt=5℃，采用溫差控制法對系統(tǒng)的循環(huán)水泵進行恒溫變頻控制；當

19、空調(diào)負荷Q變化時，如果溫差Δt保持不變，則流量G隨空調(diào)負荷的變化而按比例變化；這樣，可以使水泵始終處于高功率因數(shù)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 </p><p>　　3、 對商場通風系統(tǒng)進行改造 </p><p>　　原系統(tǒng)新風量的設(shè)計，僅考慮了夏季制冷工況，取值尚合理。但到過渡季和冬季時，無法通過大量利用新風來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，這就凸顯了系統(tǒng)的重大弊端。改造前商場室內(nèi)風量平衡關(guān)系式：&#160;G3=

20、G1+G2=G2+G4&#160;&#160;&#160;&#160;則&#160;G1=G4 </p><p>　　從關(guān)系式可知改造前新風量G1等于門窗漏風量G4。由于商場門窗漏風非常有限，導(dǎo)致系統(tǒng)運行一段時間后室內(nèi)正壓過高，難以吸入新風。這樣的運行方式是很不合理的，不能達到規(guī)范對新風量的要求，帶來巨大的能源浪費。 </p><p>　　改造后的商

21、場空調(diào)通風系統(tǒng)如下圖： </p><p>　　圖四：改造后商場空調(diào)通風系統(tǒng)示意 </p><p>　　對通風空調(diào)系統(tǒng)采取了以下措施： </p><p>　　商場1～4層增加獨立排風系統(tǒng)PF，為了能夠在過渡季節(jié)實現(xiàn)全新風運行，增加的排風機能滿足不低于5次換氣次數(shù)的要求； </p><p>　　在中央空調(diào)機組的新風吸入口和回風口分別加裝電動調(diào)節(jié)風

22、閥F1、F2，在排風機干管上加裝電動調(diào)節(jié)風閥F3；電動閥由BA系統(tǒng)控制； </p><p>　　為滿足過渡季節(jié)空調(diào)機組的全新風運行，空調(diào)機房的外墻玻璃窗戶全部改造為新風百葉，其通風量滿足最大新風進風要求； </p><p>　　通過BA控制系統(tǒng)對可變頻空調(diào)機組、排風機實施組策略控制；并對各電動風閥實施開度控制，實現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換； </p><p>　　改造完成后，此時商

23、場室內(nèi)風量平衡關(guān)系式變?yōu)椋?</p><p>　　&#160;G3=G1+G2=G2+G4+G5&#160;&#160;&#160; </p><p>　　則&#160;G1=G4+G5 </p><p>　　在過渡季節(jié)和冬季，充分利用了室外低焓值新風G1，用于抵消商場內(nèi)的大量熱負荷，這樣不僅大幅度提高室內(nèi)的空氣清潔度和舒適度

24、，更實現(xiàn)了長達4個月以上時間的基本停開空調(diào)冷、熱水機組和水循環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了非常好的節(jié)能效果。 </p><p><b>　　總結(jié) </b></p><p>　　通過分項計量系統(tǒng)可以及時了解各能耗設(shè)備分項用電情況，提高管理效率，避免不合理的機組運行浪費； </p><p>　　通過對樓層中央空調(diào)機組的可變風量變頻改造，實現(xiàn)中央空調(diào)機組的平均能

25、耗下降達40%；若在下一階段的改造中對空調(diào)循環(huán)水泵采用變頻控制，能耗會有更大幅度的下降； </p><p>　　通過對商場通風系統(tǒng)的整體改造，實現(xiàn)了過渡季節(jié)和冬季的大部分時間空調(diào)系統(tǒng)的全新風運行，從而實現(xiàn)了空調(diào)冷熱源及動力系統(tǒng)能耗的大幅度下降，節(jié)電達30%以上。 </p><p>　　冷熱源動力系統(tǒng)未能納入BA系統(tǒng)控制，由于不能及時應(yīng)對空調(diào)工況的轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致了一些額外的待機運行的能耗浪費

26、。 </p><p>　　通過典型工程改造的實踐可以看出，對于大型商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，效果非常明顯，具有非常好的推廣價值和現(xiàn)實意義。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 龍維定. 上海同濟大學(xué). 上海公共建筑能耗現(xiàn)狀及節(jié)能潛力分析.暖通空調(diào) 1998.28（6） </p>&l