既有商业建筑冷源系统
节能诊断及优化
作者：祖光
摘要： 北京某商业建筑其空调面积8.81万m2，原设计东、西区及超市三个制冷机房，原空调系统冷水机组总装机容量约为5757RT，现阶段实际供冷量为装机值的40%～60%，存在冷机初投资高、冷机运行负荷率低、冷机闲置、水泵效率低等问题，冷站综合效率为3.1左右，冷却水输配系数平均值为23.05，冷冻水输配系数平均值为13.75，远低于空调系统节能运行标准要求。基于实际空调负荷测算及水系统压降分析后，将该项目东西区部分业态空调系统进行合并，通过优化冷机总装机容量、二级泵系统改一级泵系统等措施，提高了冷机负荷率和COP，并提升了冷冻水输配系数。改造后，在10%到100%负荷率范围内，冷水机组综合COP提升至5.5以上，考虑水泵能耗后，冷站总体能效由改造前的3.1提升至4.0左右。该案例为具有相同问题的既有建筑节能改造提供指导。
Abstract:HVACs of a commercial building, air conditioning area of which is 88,100 m2, in Beijing is diagnosed and improved. Rated capacity of water chiller units is 5757RT, which is 1.7 to 2.5 times the actual cooling demands. This leads to problems of high initial investment, low load ratio of chillers and low efficiencies of pumps. For the existing HVACs, the efficiency of chiller plants, chilled water pumps and cooling water pumps are around 3.1, 23.05 and 13.75, respectively, which are much lower than the energy saving standards of HVACs. Based on cooling load calculation and pressure drop analysis of chilled water loops, it is decided to combine air conditioning systems of east and west parts of this building. Based on this, total rated capacity of chiller units is reduced and operating strategies under different load ratio are proposed. Besides, the original two-stage chilled water pumps system is transformed to be single stage system. These strategies can effectively increase COP of chillers and transportation coefficient of chilled water pumps. When load ratio is in the range of 10 % to 100 %, COP of chillers is increased to be over 5.5. When energy consumption of pumps is taken into consideration, efficiency of chiller plants is enhanced from 3.1 to 4.0. This commission case provides guidance for energy saving diagnosis and transformation of existing commercial buildings that have similar problems.
Keywords: commercial buildings; HVACs; energy-saving diagnoses; system transformation; commission
引 言
既有商业建筑暖通空调系统普遍存在运行工况偏离设计工况的问题。在设计阶段，由于建筑围护结构数据不详尽、业态不确定、室外参数选择不合理等原因，导致空调负荷计算不准确[1]；在设计负荷确定后，冷源配置与水系统设计不合理也会造成运行能耗偏大；建筑运营过程中，由于业态变更或功能变化导致空调负荷变化等。此外，既有建筑暖通空调系统经长时间使用后设备存在一定程度的损耗，且由于维护不足等原因造成设备运行效率逐年下降，从而造成建筑空调系统能耗增加。基于以上原因，既有建筑空调系统存在很大的系统调适和节能改造需求。
*基金项目：中央高校基本科研业务费（FRF-IDRY-19-01）
空调系统调适与改造主要包括降低需求侧负荷和提升供给侧能效两方面。对于需求侧，可通过提升围护结构保温、密闭和透光特性以及规范人行为等手段降低冷负荷；对于供给侧，主要调适和改造对象包括冷水机组、冷冻/冷却水泵、管路、冷却塔及末端空调系统等。在这些方面已有大量成功改造案例。某办公楼采用空气源热泵替换已超出使用年限的空气源冷水机组与锅炉，经节能改造后空调系统年均运行费用降低38.2%[2]。天津某商业楼更换空调系统，在3个方案中选择了运行费用最低、使用年限最长、运行简单稳定的方案，水系统采用一次泵变流量，改造后节能率达到30%以上[3]。上海市某高级酒店采用磁悬浮机组代替原有螺杆机组，增加冷热源智能控制系统，并改造输配系统与冷却塔，单位建筑面积能耗下降22.1%[4]。福州某百货商场在空调系统中增加1台与原冷水机组相同容量的磁悬浮制冷机，与原有2台主机并联，通过阀门切换实现2用1备运行，改造项目中磁悬浮制冷机的单项节能率大于35%[5]。某商场空调系统大部分时间冷机低负荷运行，冷冻水大流量小温差，室内盘管送风温差小；改造后对水泵和室内风机进行变频控制，可减少冷冻水输送量和送风量，空调单项节能率为46%[6]。上海某高层酒店用高效的螺杆冷机替换原有冷机，使得冷水机组COP由4.9提高到7.3，将原二次泵系统改为一次泵变流量系统，并采用智能高效自适应系统，冷站综合效率由3.38提升到4.87[7]。
在此基础上，提高系统智能化水平，如对已有建筑进行智能化管理，对空调系统各设备的实时运行情况进行监控，可有效提高能源利用效率[8]。广州市某酒店由原先的工作人员手动控制机房设备启停，改为利用自控系统控制，尽可能使设备运行在最佳工况，智能改造后节能率达14%[9]。陕西某商场空调系统进行智能化改造，增加智能控制箱、增设温度传感器，并控制系统各阀门开度、设备启停等，减少了人为控制的误差，实现空调系统高效运行[10]。宁波市某办公楼空调系统的冷机凭人工经验进行台数控制，冷冻水水泵变频器未使用，实际定流量运行，冷却塔定频运行，改造后冷冻水为二次泵变频运行，冷却塔根据水温与室外温度自动调节，冷机采用自动控制，节能效果显著[11]。也有一些学者将机器学习的方法应用于空调系统智能调控，以此降低空调系统能耗并提高舒适度[12,13]。
本文针对中国北方寒冷地区某既有商业办公综合体存在的中央空调系统装机容量过大，水系统设计不合理的问题，对其节能诊断和系统调适进行介绍。该建筑东区冷站空调系统大多数运行时间仅开启1台冷水机组，负载率约为70%~80%，负荷高峰时开启2台冷水机组，第二台机组负载率约为70%，造成2台冷机闲置、冷机运行负载率低的问题，冷水机组综合COP约为4.8～6.2。该空调系统水系统的冷却水输配系数平均值为23.1，冷冻水输配系数平均值为13.8，远低于空调系统节能运行标准要求的40，且水泵约31.9 %的扬程消耗在了不合理的阻力部件上，导致水系统效率较低。空调系统的冷站综合效率约为2.6～3.2，亟需进行节能改造。同时西区冷站及超市冷站也存在冷机负载率低、效率低等问题。本文介绍的调适及改造方案可为相似公共建筑中央空调系统优化和改造提供参考。
1 被改造项目空调系统现状
1.1建筑信息及原有空调系统形式
被改造项目位于我国北方寒冷地区，为商场写字楼综合体，分为东、西两地块。东区总建筑面积约13.39万m2，主营业态包括商业、影院和办公；西区总建筑面积约6.45万m2，主营业态包括商业和超市。项目原有空调系统针对5个业态分别设置独立冷热源系统，其中东区商业、影院、办公楼分设了制冷机房，其中影院及办公不在本次改造范围内。西区商业及超市冷站独立设置，各区业态、机房及机房内主要设备信息如图1所示，其中东区商业的4台冷机均为变频离心式冷水机组。
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图1 空调系统分区及相应设备信息
Fig. 1 Information of exsiting HVACs
目前东区商业、西区商业、西区超市的冷冻水系统相互独立，均采用二次泵变流量分区两管制系统，系统示意图见图2。
图2 东区商业水系统图
Fig. 2 Schematic of water loops for the east commercial zone
空调冷冻水设计供回水温度为7/12oC，并分别设置了分水器和集水器为各自区域服务，冷却水系统设计供回水温度为32/37oC。除东区商业未设置备用冷冻水泵和冷却水泵，其他空调系统均分别设置一台备用冷冻水泵和冷却水泵。
1.2原空调系统存在的问题
通过项目实际耗冷量和水系统测试，发现原空调系统设计及运行不合理，存在空调系统划分繁杂、冷水机组装机容量过大、机组利用率偏低、机组运行效率低、水泵输配系数低、运营人工费及维保费高等问题。
1.2.1冷水机组装机容量过大
经2017年8～10月至2018年4～6月的实际运行结果显示，实际需求制冷量和单位面积冷指标均低于冷水机组装机容量。五个空调系统的冷机额定制冷量和实际需求制冷量对比如图3所示，可见实际冷量需求仅为冷机额定制冷量的40%～60%。
图3 各业态装机容量与实际制冷量
Fig. 3 Rated capacity of chillers and actual cooling load demand of each zone
图4 各业态冷指标
Fig. 4 cooling density of each zone
图4所示为基于设计值、运行值和装机值的单位空调面积冷指标。可以看出，装机指标、运行指标以及计算指标三种不同维度中，装机指标最大，计算指标居中，运行指标最小（除东、西区商业冷指标）。由于设计过程采用最不利工况，人员密度及新风量不同于实际运行策略，使得设计冷负荷大于实际运行值，而装机容量考虑了较大的备用率，使得实际运行中制冷设备负载率偏低，影响系统运行效率。而西区商业区域计算冷指标小于实际运行指标，主要原因是实际运行中在夏季对厨房补风进行冷却，消耗较多冷量。
冷水机组装机容量过大会降低冷水机组运行期间负载率。对于一台冷机，其负载率为实际制冷量与额定制冷量之比，如式（1）所示：
因此，冷机负载率过低及输配系统效率低会降低COPzh。改造前冷机COP及冷站综合性能系数如图6所示，冷机COP约为4.8～6.2，COPzh约为2.6～3.2.较热较湿月如7、8月的冷机负荷率较高，此时冷机COP较高。
冷水机组装机容量过大会降低机组运行期间负载率。整个供冷季的测试结果显示，大多数运行时间仅开启1台，负载率约为70~80 %，高峰时开启2台冷机，第二台负载率约为70%左右。西区商业的3台冷水机组，大多数运行时间仅开启1台冷机，负载率约为70 %，高峰时开启2台冷机，第二台冷机负载约为率50 %左右。图7所示为节能改造前测得的8月15日各时刻供冷量。东区商业共4台冷水机组，每台冷机的额定制冷量为3168 kWh，8时及20时仅开启1台冷机，其余10个小时开启2台冷机；西区共3台冷机，每台冷机的额定制冷量为1582 kWh，12个小时均开启1台冷机。由实测供冷量可得，西区制冷系统负载率均低于70 %，东区制冷系统负载率大部分时候低于70 %。8月15日为供冷季中冷负荷较大日，供冷季初期及供冷季末期的制冷系统负载率较8月15日更低。
图6 供冷季各月冷机COP及冷站综合效率
Fig. 6 Monthly average COP and COPzh of chillers and chiller plants
图7 典型日（8月15日）各时刻冷机供冷量及冷机负载率
Fig. 7 Cooling capacity and load ratio of chillers in a typical day (Aug. 15th)
1.2.2水系统效率低
输配系数（water transport factor, WTF）为水输送热量与水泵电耗之比，可用于评价水泵能效[14]，其计算式如式（5）所示：
式中，Q为水输送热量，NP为水泵电耗。
根据国家标准《空气调节系统经济运行》中对空调水系统输配系数的规定[15]，如图8所示，冷冻水或冷却水系统的输配系数低于30时，该水系统亟需改善。经测试，本项目东区和西区的冷冻水泵和冷却水泵输配系数如图8所示，其中东区冷冻水输配系数在8～16之间，冷却水输配系数在15～25之间，西区冷冻水输配系数在6～16之间，冷却水输配系数在13～26之间，所有结果均低于30，属于亟需改善的状态。
图8 水系统输配系数
Fig. 8 Transportation coefficients of chilled water pumps and cooling water pumps
东区和西区的冷冻水系统均采用二级泵系统，其中一次冷冻水泵定流量运行，二次冷冻水泵变流量运行。冷冻水循环管路的压降测试如图9-10所示，东区冷机压降和末端压降（分水器和集水器间压差）分别为10.6 mH2O和13.9 mH2O，而一次泵和二次泵扬程之和约为35.3 mH2O，远远大于冷机和末端的需求，大部分压力损失来自冷站内冷冻水管路，包括集水器与一次泵（3.5 mH2O）、一次泵与冷机（3.8 mH2O）、冷机与二次泵（2.7 mH2O）间的管道和阀门，即约28.3%的扬程消耗在不合理阻力部件上，从而造成水泵能耗的增加。西区冷机压降和末端压降（分水器和集水器间压差）分别为11 mH2O和10.1 mH2O，而一次泵和二次泵扬程之和约为36.1 mH2O，远远大于冷机和末端的需求，大部分压力损失来自冷站内冷冻水管路，包括集水器与一次泵（1.3 mH2O）、一次泵与冷机（8.1 mH2O）、冷机与二次泵（3.4 mH2O）间的管道和阀门，即约35.5 %的扬程消耗在不合理阻力部件上，从而造成水泵能耗的增加。如果拆除不合理压降部件，则会降低系统压降，采用一次泵系统可以满足扬程需求。
图9 东西区冷冻水系统压力分布图
Fig. 9 Pressure distributions of chilled water loops in east and west areas
图10 东西区冷冻水系统压降分布
Fig. 10 Pressure drops of chilled water loops in east and west areas
2 空调系统改造
基于以上问题，对原有空调系统中的西区商业、西区超市及东区商业制冷机房进行改造，主要包括制冷系统和冷冻/冷却水系统两方面。通过全年负荷计算及能耗模拟分析，在制冷季不保证50小时情况下，根据模拟鸿业模拟软件空调负荷为11923kw，同时逐时负荷计算结果为12677kw，负荷主要集中在30%~80%之间，过低和过高负荷持续时间均不高。从中可以看出东区冷站现装机容量（4*900RT）完全可以满足东西区及超市的需求，本次改造原东区影院和东区办公维持原空调系统不变。原先的东区冷站群控系统基本瘫痪，本次改造同时梳理了控制策略，并对群控系统进行了升级改造。
2.1制冷系统合并
经评估，原有东区冷站供应东区商业的4台900 RT冷机，可以满足东西区商业及西区超市的供冷需求，顾需要通过连通管道连接原西区机房，同时考虑到机组运行年限较长，机组效率降低、后续可能出现故障等因素。原西区机房3中供应西区商业的1台450 RT冷机作为备用冷源。运行过程中，以东区机房1中4台900 RT的冷机为主冷源，西区机房1台450 RT主机移到东区冷站，共同为东西区商业以及西区超市供冷。西区冷站主机、泵等拆除，只保留分集水器，冷站功能作为仓储使用。
需要说明的是，原西区机房3的商业制冷系统采用3台450 RT离心式制冷机组，仅需要使用其中1台作为备用冷源，其东区冷塔不再进行改造。2台主机现可进行资产变卖。后续冷站机房进行改造，做仓储使用，可增加后续经济收益。原西区用于超市制冷机房，其位于屋顶的冷却塔供西区冰场制冰系统用，东区影院及东区办公空调系统不改变，改造后的系统图如图11所示。
图11 东西区商业及西区超市冷源合并改造方案
Fig. 11 HVACs after combining the east and west areas
改造部分的冷负荷4394 RT，装机容量4500 RT。在不同负荷率下，通过调整开启的冷机类型和数量，使得冷水机组COP较高。在合并后的空调冷源基础上，为实现较高的COPzh，制冷设备运行策略如表1所示。
表1 冷水机组控制策略
Table 1 Operating strategies of chiller units
图12 COP随负荷率变化
Fig. 12 variation of COP with cooling load ratio
不同负荷率出现的小时占比及其对应的冷机COP和冷站综合性能系数COPzh见图12。与图6相比，改造前冷机COP约为4.8～6.2，改造后冷水机组COP可提高15.5 %；改造前冷站综合效率约为2.6～3.2，改造后冷站综合效率可提高35.5 %。
2.2水系统改造
对于原有冷冻水系统，东区一次泵额定扬程18 mH2O，实际运行中，扬程为10~13 mH2O，水泵效率约55%；二次泵额定扬程33 mH2O，实际运行中，扬程为10~16 mH2O，水泵效率约40%。西区一次泵额定扬程为18 mH2O，实际运行中，扬程为14~20 mH2O，二次泵额定扬程30 mH2O，实际运行中，扬程为16~20 mH2O。因此，原有冷冻水泵额定扬程远大于实际压降，水泵效率低。
改造后的冷冻水系统如图13所示，东区末端压差和西区末端压差基本一致，约为10 mH2O。在保证东区冷站至西区冷站管路走向合理的情况下，可将水系统改为一次泵冷水系统。经计算，东区水系统总阻力为47.7 mH2O，西区为43.9 mH2O，考虑安全余量，则按照东、西区水系统总阻力分别为52.47 mH2O与48.29 mH2O选择水泵。最终选定额定扬程为51 mH2O，流量为544 m3/h的四台变频水泵并联运行，额定工况下水泵效率达82.5 %。
图13 改造后水系统
Fig. 13 Schematic of water loops after system optimization
2.3节能效果分析
制冷系统改造前，冷站整体能效约为3.1，供冷季冷站耗电量约为251.59万kWh；改造后，冷站整体能效可提高至4.0，供冷季冷站耗电量约为201.27万kWh。单个供冷季的节能量约为50.32万kWh，按照平均电价1.1元/kWh计算，可节约运行费用55.35万元。若综合考虑节省的人工、场地、设备维护及闲置设备变卖等因素，可带来更高的经济效益。
改造后的冷冻水系统四台冷冻水泵功率为110 kW，与东区原一次泵和二次泵功率之和（112 kW）相当，故认为冷站合并后的冷冻泵耗电与现有东区冷站冷冻泵耗电相差不大。东西区冷站合并后，使用一次泵系统，西区作为备用冷源，故节约了西区冷站冷冻水泵耗电量。
综上所述，单个供冷季共节约冷水机组运行费用55.35万元。改造投入约200万元，静态回收期约为3.6年。
3 结语
对某大型商业建筑空调系统的实际运行性能进行测试，发现其存在冷机容量过大，水系统设计不合理等问题，导致该空调系统综合效率低、水系统输配系数低。针对以上问题对该建筑东西区商业及西区超市空调系统进行优化改造。主要结论如下：
（1）原空调系统冷机额定制冷量远大于实际冷负荷需求，导致冷机负荷率较低，大部分时间负荷率低于70%。通过合并制冷系统，可实现冷机数量的减少和冷机负载率的提升。经改造后，该商业建筑制冷系统的冷水机组COP可提高15.5%，冷站综合效率可提高35.5%。
（2）原空调系统水系统采用二级泵系统，水泵额定扬程远大于实际扬程需求，导致水泵输配系数低。通过将原有二级泵系统改为一级泵系统并选择变频水泵，实现水泵运行效率和冷冻水系统输配系数的提高。
（3）单个供冷季，冷水机组节约能量约为34.4万kWh，按照平均电价1.1元/kWh计算，单个供冷季共节约运行费用55.35万元。改造投入约200万元，静态回收期约为3.6年。
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