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(duì)大型老商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的特點(diǎn)，以某商廈空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造為例，通過減少風(fēng)機(jī)水泵電耗、充分利用自然冷源、改善氣流組織、采取分項(xiàng)計(jì)量改善管理等多項(xiàng)措施的實(shí)踐，驗(yàn)證了對(duì)該類建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)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(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)，節(jié)能改造 <

2、/p><p>　　中圖分類號(hào)： TU831文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)該類建筑的空調(diào)改造的節(jié)能意義進(jìn)行分析說明。商廈為1996年投入使用的大型綜合性商場(chǎng)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(jì)，冷源為3臺(tái)額定制冷量為1300KW的離心式冷水機(jī)組，熱源為

3、3臺(tái)額定制熱量為296KW的電熱式熱水鍋爐，均采用低速大風(fēng)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(jī)組、空調(diào)風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)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(shí)非但不需供熱，反而需要制冷； </p><p>　　以上問題造成冷

4、水機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間長，系統(tǒng)的運(yùn)營成本逐年升高，電能浪費(fèi)極其嚴(yán)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(duì)冷熱源設(shè)備進(jìn)行較大調(diào)整，而是對(duì)冷熱源設(shè)備工況進(jìn)行優(yōu)化。重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的管路及末端設(shè)備進(jìn)行改造，同時(shí)增加相應(yīng)的控制系統(tǒng)，具體措施如下： </p><p>　　1、對(duì)大型用電設(shè)備采用分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng) </

5、p><p>　　本工程分項(xiàng)計(jì)量表具設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(diǎn)耗能對(duì)象進(jìn)行歸類，并為每臺(tái)重點(diǎn)耗能設(shè)備對(duì)應(yīng)安裝計(jì)量電表，分項(xiàng)計(jì)量如表一： </p><p><b>　　監(jiān)控對(duì)象 電表 </b></p><p>　　數(shù)量

6、監(jiān)控對(duì)象 電表 </p><p><b>　　數(shù)量 </b></p><p>　　冷水機(jī)組 3 排風(fēng)機(jī) 4 </p><p><b>　　冷卻、冷凍 </b></p><p><b>　　水泵 8 冷卻塔 </b></p><p><b>　　

7、風(fēng)機(jī) 1 </b></p><p>　　電鍋爐 3 空調(diào)箱 10 </p><p><b>　　合計(jì) 29 </b></p><p>　　圖一：設(shè)備分項(xiàng)計(jì)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(xiàng)計(jì)量明細(xì)表 </p><p>　　通過該套計(jì)量系統(tǒng)的安裝，遠(yuǎn)端客戶可隨時(shí)通過Internet訪問數(shù)據(jù)中心，通過對(duì)實(shí)

8、時(shí)數(shù)據(jù)的分析不僅可以隨時(shí)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(dòng)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(fù)荷與最大設(shè)計(jì)供冷熱量存在著很大的差異，系統(tǒng)各部分80%以上時(shí)間是運(yùn)行在非滿載額定狀態(tài)。應(yīng)用交流變頻技術(shù)對(duì)中央空調(diào)的末端空調(diào)風(fēng)機(jī)箱、冷凍水泵等進(jìn)行

9、控制，從而使空調(diào)各子系統(tǒng)負(fù)荷工況參數(shù)按負(fù)荷情況得到適時(shí)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(dá)節(jié)約大量電能，降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用的目的。 </p><p>　　2.1樓層中央空調(diào)風(fēng)機(jī)的變頻控制實(shí)施 </p><p>　　在某商廈空調(diào)改造項(xiàng)目中，限于項(xiàng)目投資規(guī)模，一期改造先對(duì)樓層中央空調(diào)機(jī)組實(shí)施交流變頻控制。商廈1～4層設(shè)計(jì)仍采用低速大風(fēng)管全空氣空調(diào)系統(tǒng)，每層?xùn)|西兩側(cè)各為一

10、個(gè)空調(diào)區(qū)域，所有8臺(tái)空調(diào)機(jī)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(duì)中央空調(diào)機(jī)組進(jìn)行控制，詳細(xì)控制原理及流程[2]筆者不再敖述。經(jīng)過對(duì)空調(diào)機(jī)組的變頻控制，通過分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)采集到的商場(chǎng)冬季典型日下午2點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表 </p><p&g

11、t;　　設(shè)備所處位置 電機(jī)原始運(yùn)行頻率(Hz) 電機(jī)實(shí)際運(yùn)行頻率(Hz) 額定功率（KW)) 實(shí)際運(yùn)行功率（KW) 換氣次數(shù) 實(shí)測(cè)室外溫度(度) 實(shí)測(cè)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(jī)組由于此時(shí)熱負(fù)荷較大耗功率在24kW，而西側(cè)僅為8kW。此時(shí)，西側(cè)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量大幅減小，但仍能達(dá)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(jī)組風(fēng)機(jī)能耗降低了67％；實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明對(duì)風(fēng)機(jī)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，商廈僅冬季典型日空調(diào)風(fēng)機(jī)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(jī)組電耗數(shù)據(jù)圖 </p><p>　　2.2對(duì)循環(huán)水泵實(shí)施變頻控制的可預(yù)期節(jié)能效果 </p><p>　　商廈配置有4臺(tái)冷熱水共用的循環(huán)水泵，3用1備，單臺(tái)額定功率均為45KW、揚(yáng)程40m，流量320m3/h。

14、由于此次改造工程暫不涉及冷凍機(jī)房設(shè)備的改造，筆者本文僅對(duì)循環(huán)水泵實(shí)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(tái)電鍋爐和一臺(tái)水泵，運(yùn)行時(shí)間為早9點(diǎn)～晚21點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的功率通過分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)的記錄分別為280KW和44KW。同時(shí)，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(duì)應(yīng)電鍋爐開機(jī)時(shí)間段內(nèi)平均的供、回水溫差Δt僅為0.7℃，遠(yuǎn)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(fù)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(fù)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(shí)空調(diào)負(fù)荷Q經(jīng)計(jì)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(shí)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(shí)際需要的循環(huán)水泵流量遠(yuǎn)小于現(xiàn)有水泵流量，同時(shí)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(dá)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(shí)現(xiàn)大幅節(jié)約電耗。同時(shí)，若以回水溫度55℃作為目標(biāo)信號(hào)，設(shè)定Δt=5℃，采用溫差控制法對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)水泵進(jìn)行恒溫變頻控制；當(dāng)

19、空調(diào)負(fù)荷Q變化時(shí)，如果溫差Δt保持不變，則流量G隨空調(diào)負(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 </p><p>　　3、 對(duì)商場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造 </p><p>　　原系統(tǒng)新風(fēng)量的設(shè)計(jì)，僅考慮了夏季制冷工況，取值尚合理。但到過渡季和冬季時(shí)，無法通過大量利用新風(fēng)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(chǎng)室內(nèi)風(fēng)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(fēng)量G1等于門窗漏風(fēng)量G4。由于商場(chǎng)門窗漏風(fēng)非常有限，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后室內(nèi)正壓過高，難以吸入新風(fēng)。這樣的運(yùn)行方式是很不合理的，不能達(dá)到規(guī)范對(duì)新風(fēng)量的要求，帶來巨大的能源浪費(fèi)。 </p><p>　　改造后的商

21、場(chǎng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)如下圖： </p><p>　　圖四：改造后商場(chǎng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)示意 </p><p>　　對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采取了以下措施： </p><p>　　商場(chǎng)1～4層增加獨(dú)立排風(fēng)系統(tǒng)PF，為了能夠在過渡季節(jié)實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)運(yùn)行，增加的排風(fēng)機(jī)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(jī)組的新風(fēng)吸入口和回風(fēng)口分別加裝電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)

22、閥F1、F2，在排風(fēng)機(jī)干管上加裝電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥F3；電動(dòng)閥由BA系統(tǒng)控制； </p><p>　　為滿足過渡季節(jié)空調(diào)機(jī)組的全新風(fēng)運(yùn)行，空調(diào)機(jī)房的外墻玻璃窗戶全部改造為新風(fēng)百葉，其通風(fēng)量滿足最大新風(fēng)進(jìn)風(fēng)要求； </p><p>　　通過BA控制系統(tǒng)對(duì)可變頻空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)實(shí)施組策略控制；并對(duì)各電動(dòng)風(fēng)閥實(shí)施開度控制，實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換； </p><p>　　改造完成后，此時(shí)商

23、場(chǎng)室內(nèi)風(fēng)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(fēng)G1，用于抵消商場(chǎng)內(nèi)的大量熱負(fù)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(shí)現(xiàn)了長達(dá)4個(gè)月以上時(shí)間的基本停開空調(diào)冷、熱水機(jī)組和水循環(huán)系統(tǒng)，從而實(shí)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(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)可以及時(shí)了解各能耗設(shè)備分項(xiàng)用電情況，提高管理效率，避免不合理的機(jī)組運(yùn)行浪費(fèi)； </p><p>　　通過對(duì)樓層中央空調(diào)機(jī)組的可變風(fēng)量變頻改造，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)機(jī)組的平均能

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

26、。 </p><p>　　通過典型工程改造的實(shí)踐可以看出，對(duì)于大型商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，效果非常明顯，具有非常好的推廣價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 龍維定. 上海同濟(jì)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