既有建筑空调冷冻水系统节能改造案例分析

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筒家经
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1 既有建筑空调冷冻水系统节能改造案例分析以深圳市丰立大厦改造项目为例檀姊静 ( 重庆大学城市建设与环境工程学院, 重庆 ) 摘要 : 对深圳市丰立大厦 2009 年既有空调系统总能耗及分项能耗指标进行了分析根据运行数据分析, 得出该建筑的空调水系统在 70% 时间内处于小温差, 大流量低能效运行针对该情况, 提出三种改造方案, 并对其中一种进行了跟踪实测, 得出节能量达到 18.7% 的结论关键词 : 小温差 ; 大流量 ; 冷冻水系统 ; 节能改造 CASE ANALYSIS OF EXISTING BUILDING ON AIR-CONDITIONING WATER SYSTEM ENERGY-SAVING REFORM Tan zijing (Faculty of urban construction and environmental engineering,chongqing university 重庆 ) Abstract: The total energy consumption index and branch energy consumption index of this building s air-conditioning system in 2009 is analyzed. In most time, the air-conditioning water system is low-efficiency operating by small temperature difference. The author point out three retrofitting schemes, and Implement one.the energy saving rate is 18.7%. Key words: small temperature ;difference and high flow ; chilled water system ; energy-saving renovation 1. 引言随着世界范围内能源形势的日益紧张, 建筑节能成为了必然选择既有建筑总数大面积广, 提高其能效水平是实现全社会范围内建筑节能的关键有研究表明, 建筑设备系统运行能耗占建筑总运行能耗的 40% 左右, 建筑设备系统的运行节能是既有建筑节能的前提建筑设备系统中耗能量大且节能空间较大的是空调系统, 相关调查表明, 多数建筑物空调系统在 50% 负荷以下运行时间超过 70%, 低负荷下水系统在大流量低温差下运行的情况比较普遍, 这浪费了冷冻水泵的输送动力, 需要进行节能改造, 以节省冷冻水泵的输送动力下面以深圳市丰立大厦的节能改造项目为例, 对空调冷冻水系统改造方案进行分析 1

2 2. 项目概况深圳丰立大厦位于福田区益田路 5069 号该大厦共 27 层 ( 地下 1 层, 地上 26 层 ), 建于 2004 年, 总建筑面积为 28993m 2 大厦为政府办公建筑, 主要由办公室和会议室组成采用水冷式中央空调主机, 末端采用风机盘管 + 独立新风系统图 2.1 深圳丰立大厦外观图丰立大厦水冷冷水机组系统总设计冷量 1300RT, 配置 2 台 650RT 约克离心式冷水机组 ( 其中一台为变频冷水机组 ),3 台冷冻水泵,3 台冷却水泵以及 2 台冷却塔, 末端采用新风机组 + 风机盘管的形式, 每层新风机组均装有变频器表 2.1 空调水系统设备参数设备名称技术参数数量冷水机组制冷量 :650RT, 额定电压 :380V, 满载电流 :771A 2 台冷冻水泵流量 :550 /h, 扬程 :32m, 功率 :75kW 3 台冷却水泵流量 :550 /h, 扬程 :32m, 功率 :75kW 3 台冷却塔每组 3 个电机, 每个电机功率 :5.5 kw 2 组注 : 在设计安装时其中一台冷水机组做了变频丰立大厦每年 4~11 月运行中央空调系统, 全年开启 1 台 650RT 的制冷主机, 1 台冷冻泵 1 台冷却泵和 2 台冷却塔, 除特殊情况外全天运行 9.5 小时, 节假日休息, 偶尔有加班需开启空调目前新风机组在 30HZ 频率下运行丰立大厦的空调系统安装了 BA 控制系统, 可实现远程 / 本地操作系统示意图如下 : 2

图 2.2 深圳丰立大厦控制系统示意图 3. 建筑能耗分析 3.1. 建筑总电耗指标丰立大厦 2009 年全年总耗电量为 242.

9kWh/(m 2 a)) 比较, 属于较低水平 2009 年丰立大厦逐月耗电量如图 2.4, 其中全年最高值出现在 8 月, 达到 29.

3 图 2.2 深圳丰立大厦控制系统示意图 3. 建筑能耗分析 3.1. 建筑总电耗指标丰立大厦 2009 年全年总耗电量为 kWh, 单位建筑面积能耗为 83.7kWh/ (m 2 a), 与当地同类建筑平均能耗水平 (119.9kWh/(m 2 a)) 比较, 属于较低水平 2009 年丰立大厦逐月耗电量如图 2.4, 其中全年最高值出现在 8 月, 达到 29.6 万 kwh, 制冷季 (4 月 ~10 月 )7 个月月平均耗电量为万 kwh, 过渡季 (1 月 ~3 月 11 月 12 月 )5 个月月平均耗电量为万 kwh,2 月为最低月 12.1 万 kwh 3

图 3.1 2009 年丰立大厦逐月耗电量 3.2. 分项能耗指标丰立大厦没有进行分项能耗计量该空调系统 2009 年运行时间在 1600 小时左右, 由于大楼空调末端设备 ( 新风机风机盘管等 ) 无法拆分, 因此只能得到空调冷站的能耗, 大厦空调冷站能耗为 21.4kWh/(m 2 a) 与当地同类办公建筑空调能耗平均水平 (42.

4 图年丰立大厦逐月耗电量 3.2. 分项能耗指标丰立大厦没有进行分项能耗计量该空调系统 2009 年运行时间在 1600 小时左右, 由于大楼空调末端设备 ( 新风机风机盘管等 ) 无法拆分, 因此只能得到空调冷站的能耗, 大厦空调冷站能耗为 21.4kWh/(m 2 a) 与当地同类办公建筑空调能耗平均水平 (42.4kWh/(m 2 a)) 比较, 稍微偏高由 2009 年空调运行记录数据整理分析可得空调冷站的分项能耗比例, 主机能耗比例占 55%, 冷冻水泵能耗占 19%, 冷却水泵能耗占 19%, 冷却塔能耗占 7% 表 3.2 空调系统分项能耗指标总量 ( 万 kwh) 单位指标 (kwh/(m 2.a)) 比例 (%) 冷机 % 冷冻泵 % 冷却泵 % 冷却塔 % 总计 % 4. 冷冻水系统诊断图 3.3 空调冷站分项能耗指标根据 2009 年全年空调主机运行数据统计分析得出, 丰立大厦空调系统供水温度设定值一般为 7, 回水温度随负荷变化从 7~11 不等, 见图 2.6 由图 2.6 可以看出, 空调整年共运行 1656 小时, 其中供回水温差为 1 的运行小时数为 178 小时,2 的运行小时数为 945 小时,3 的运行小时数为 419 小时,4 的运行小时数为 114 小时, 即有近 70% 的运行时间供回水温差大约为 1~2, 存在着小温差, 大流量现象由于供水温度较低, 目前主机的 COP 值约为 3.9, 远低于额定工况 4

5 图 4.1 回水温度分布图 ( 单位 : 小时 ) 5. 冷冻水系统改造方案方案一 : 主机分时段设定水温从运行记录可以看出, 冷冻水不仅供回水温差小, 而且回水温度也较低建议根据实际负荷情况, 调节冷冻水供水温度, 提高冷机蒸发温度, 从而提高冷机能效根据丰立大厦 2009 年空调主机全年运行数据, 初步保守估算实施冷冻水温度调整后的节能量, 如表 5.1 所示 : 原出水温度设定值 ( ) 原回水温度 ( ) 表 5.1 冷冻水温度调整节能潜力原功耗 (kw) 原运行小时数 (h) 调节后出水温度设定值 ( ) 节能量 (kwh) 7 7~ ~ ~ ~ 总计说明 : 原供水温度为定值 7, 在运行过程中水系统未进行水量调节, 回水温度越低说明末端冷负荷越小, 故提出表中的水温设定温度的调节方案, 在系统冷负荷低时提高供水温度, 实现主机节能 5

6 按照上表中的运行温度调节措施后, 全年大约可节约用电 10.2 万度这部分改造为无成本改造方案二 : 更换水泵主机冷量为 450 冷吨, 按照主机额定供回水温差 5 计算, 冷冻水流量为 392m 3 /h, 而实际运行中的实测流量为 516m 3 /h, 可推知水泵的运行工况相对于设计工况左偏, 实际运行流量偏大, 水泵实际耗功量大于设计值, 如下图所示 : 图 5.2 冷冻水泵运行工况特性曲线为使系统循环水量降至设计值, 应减少运行流量, 可以将原水泵更换为一小水泵, 使得水泵运行在流量 392 m 3 /h 处表 5.3 更换小泵后的节能效果计算表更换前水泵功率 (kw) 更换后水泵功率 (kw) 功率差值 (kw) 全年运行小时数 (h) 全年节能 ( 万 kwh) 方案三 : 增设变频器保持现有水泵不变, 增设变频器, 通过水泵变频减小水泵流量, 提高水系统的输送效率原有水泵流量为 516 m 3 /h, 假设变频器最低能变到 30HZ, 则水量变化范围为 m 3 /h~516 m 3 /h 而合理的设计水流量为 392 m 3 /h, 因此在部分负荷情况下, 现有水泵上增设变频器进行水量调节不能实现更小流量的调节为了更好的实现部分负荷下的流量调节能力, 建议先更换小水泵然后增设变频器图 5.4 为 516m 3 /h 冷冻水量下的供回数温差频数图, 为了能进行全年变频节能分析, 故将其装换成 392m 3 /h 冷冻水量下的供回数温差频数图, 见图 5.5 6

7 图 m 3 /h 冷冻水量下的供回数温差频数图图 m 3 /h 冷冻水量下的供回数温差频数图下表为将冷冻水供回水温差定为 5 时的流量及功率情况 : 温差 ( 定流量为 392m 3 /h) 表 5.6 水泵变频调节参数计算表调节为 5 温差时的流量 (m 3 /h ) 功率调节频率 (HZ) 假设变频器最低能将频率调至 30HZ, 则原来定流量 392 m 3 /h 下温差为 1.5 和 2.5 的工况只能将流量调整为 235.2m 3 /h, 使得供回水温差为 2.5 和 4.2 7

8 图 5.7 不同流量下的运行时间图由于水泵变频工况较多, 为了计算的方便, 故将三个典型工况作为基础进行变频的能耗计算, 由上图可以计算 : 表 5.7 变频水泵能耗计算表水量 (m 3 /h) 功率 (kw) 运行时间 (h) 能耗 ( 万 kwh) 总计 / 原来水泵功率为 72.1kW, 全年运行 1656 小时, 则能耗为万度, 则更换小水泵并增设变频装置后, 每年可节约万度电最终方案的选择 : 考虑到经济因素并综合考虑改造方意见, 采用方案一, 即分时段调节主机出水温度设定值对该系统进行改造 6. 改造效果分析丰立大厦于 2010 年 6 月 4 日起实行了变水温运行调节根据上述改造措施并落实后, 将实施前与实施后的数据相比较, 可得出以下结论, 详见表 6.1 日期冷水温度设定值表 6.1 改造前后空调主机日用电量比较平均耗电功率 (kw) 运行小时数耗电量 (kwh) 节能率注 :6 月 1 日和 6 月 8 日天气相当, 室内人员相当, 空调负荷相当 13.6% 8

9 将 2009 年 6 月与 2010 年 6 月空调能耗数据进行对比分析得出, 实施变水温运行调节后,2010 年 6 月空调主机耗电量比 2009 年 6 月节能 18.7% 日期表 6.2 冷水温度设定值改造前后空调主机月用电量比较运行小时数耗电量 (kwh) 节能率 2009 年 6 月年 6 月结论 18.7% 针对深圳市丰立大厦空调系统分项能耗及各项基本数据, 分析得出其冷冻水系统在大部分时间内处于大温差小流量运行的结论, 需要进行节能改造笔者提出了分时段设定主机水温大泵换小泵和水泵增设变频器等三个改造方案, 经过经济性有效性分析, 最终选择分时段调节主机出水设定温度的方案, 按照该改造方案进行改造后, 进行了数月实测实测数据表明改造后与改造前相比, 月节能量达到 18.7%, 实现了良好的节能目的参考文献 : [1] 付祥钊主编. 流体输配管网. 北京 : 中国建筑工业出版社,2005 [2] 刘涓娟, 李立新, 王新. 空调变水量冷冻水系统运行工况下的管网特性曲线. 辽宁 : 节能杂志社,2004 [3] 饶武. 夏热冬暖地区既有建筑节能改造技术探讨. 辽宁 : 建筑节能杂志社,2008 9

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