臨桂新區創業大廈空調水系統節能應用探析

胡雪欽

湖南省第六工程公司設計分公司

臨桂新區創業大廈空調水系統節能應用探析

胡雪欽

湖南省第六工程公司設計分公司

結合工程實例，闡述節能設計的理念、主導方向與重點；對所采用的節能措施進行應用理論和節能效果的定性分析與探討。認為把全面水力平衡措施、冷水大溫差技術、一次泵變頻變流技術組合使用，在不增加初始投資條件下，能顯著提高系統運行節能效果；而科學合理的自控方案和技術手段又是保證滿足設計工況要求，系統正常運行，使整個空調系統節能產生最大化效果的重要保證措施。

節能理念方向重點節能效果分析探討

1 工程概況

創業大廈位于廣西桂林市臨桂新區內，緊靠風景秀美的漓江。大廈由主樓、左輔樓、右輔樓、會議樓組成。總建筑面積180763m2，其中主樓建筑面積45582m2。地上19層，建筑高度76m，左、右輔樓均為地上9層，建筑面積分別為43842m2，44320m2。每棟樓均設地下室，作為車庫和設備用房，地上以辦公室、會議室、展廳房間為主；會議樓共4層，建筑高度14m，建筑面積47019m2，以會議大廳和會議室為主。該大廈是桂林市目前單體建筑面積最大的建筑物之一，也是桂林市實施節能環保，綠色建筑的標志性重點工程。

2 空調系統冷熱源布置

2.1 冷源設備布置

本工程夏季主樓及左輔樓共用一套制冷系統，冷負荷為8408kW，采用3臺離心制冷機組，每臺制冷機組制冷量為2813kW，冷凍水的進出水溫為5.5℃/ 13.5℃；每臺離心機組對應兩臺400m3//h方形橫流超低噪音冷卻塔，冷卻水進出水溫為37℃/32℃。

右輔樓及會議樓共用一套制冷系統，冷負荷為5345kW，采用5臺風冷熱泵機組，每臺制冷機組的制冷量為1266kW，冷凍水的進出水溫為5.5℃/13.5℃。

2.2 熱源設備布置

考慮到桂林地區冬季時間較短，氣溫相對較高，本工程冬季主樓、左輔樓、右輔樓及會議樓共用一套制熱系統，熱負荷為7155kW，采用6臺熱泵機組，每臺熱泵機組的制熱量為1268kW，熱水的進出水溫為40℃/45℃。

離心制冷機組，冷凍水泵，冷卻水泵，熱水泵位于一層空調制冷機房；風冷熱泵、冷卻塔位于大廳會堂屋面。其布置見圖1冷熱源系統圖。

圖1 冷熱源系統圖

2.3 空調系統設計節能的基本理念與主導方向

在設計中注重改變以往重功能、輕節能，對節能的考慮僅限于滿足設計規范，標準提出的限定性要求的思想，轉變為保功能，重節能，導入節能目標，主動追求合理發揮系統的節能潛力的設計理念，從根本上提高暖通空調系統的節能水平。

據對多個通風空調系統能耗統計（平均值），空調主機能耗占通風空調系統總能耗的比例最大，為49.6%；其次為空調末端（空氣處理機，新風處理機，風機盤管）能耗，約占25.5%，水泵能耗居第三位為14.4%，這三者能耗站占總能耗的89.5%[1]。因此，降低冷源系統，空調末端及水泵輸送能耗是整個空調系統節能的主導方向和重點。

3 空調水系統節能技術措施及效果分析

3.1 一次泵變流量系統

一次泵變流量系統是根據負荷的變化，利用水泵變頻調節水流量來達到節能的目的。一次泵變流量系統原理見圖2。

一次泵變流量系統中，冷水機組的蒸發器流量許可變化范圍和許可流量變化率是系統設計的首要問題，冷水機組控制器對穩定出水溫度起關鍵作用。旁通閥和流量傳感器、變頻水泵運行、冷水機組的加減是冷水機組群控的主要問題。

在一次泵變流量系統中，冷水機組和水泵臺數可不必一一對應，二者臺數變化和啟停可分別獨立控制。通過加大冷水機組蒸發器的流量，充分利用冷水機組的超額冷量，而不必開啟另一臺冷水機組和相應的冷卻水泵，可減少冷水機組和冷卻水泵的全年運行時數和能耗。據文獻[2]的研究，單從水泵的能耗比較，它比一次泵定流量系統能耗節約了75%，比二次泵變流量系統節約了60%，水泵變頻后耗電量將降低23.6%～30%左右，節約了系統的運行費用；若再與二次泵變流量系統相比，還節省了系統初投資和機房面積。

圖2 一次泵變流量系統原理圖

3.2 一次泵變流量系統設計之建議

1）機組選擇：①選擇蒸發器流量許可變化范圍大，最小流量盡可能低的冷水機組，如離心機30%～120%，螺桿機45%～120%，最小流量宜小于50%；②選擇蒸發器許可流量變化率大的冷水機組，每分鐘許可流量變化率宜大于30%；③選擇蒸發器壓降相當的不同冷量的冷水機組；④冷水機組控制器能快速穩定出水溫度。

2）旁通管：①選擇精度高、調節性能好的控制閥門；②旁通管的設計流量為冷量最大機組許可的最小流量；③盡可能減少控制延遲時間。

3）機組群控（加減機）：①在加機前先對原運轉機組卸載；②機組的隔離閥動作緩慢，確保機組穩定運行；③合理的群控方案，避免頻繁加減機。

4）空調水系統配置：①水泵與機組的運行相互獨立，有利于機組提供“超額冷量”；②選擇精度高的流量計，重視測量方法；③重視對流量瞬間變化的控制。

5）空氣側設備控制：多臺設備的啟停時間宜錯開。

3.3 冷水供回水大溫差措施及應用分析

本工程設計冷水進出水溫為5.5℃/13.5℃，文獻[3]第6.4.1條指出：空調冷水供回水溫差宜采用5～10℃，一般為5℃，并說明如果采用6～9℃的大溫差設計可以減少水泵耗電量和管網管徑，但制冷機出水溫度的降低也使其效率有所下降，所以應綜合考慮確定。同時在文獻[4]第5.3.18條第7款中指出：某些采用8℃大溫差的實際工程在運行中取得了較好的節能效果，但強調是否采用大溫差應進行經濟技術比較后確定。

在設計過程中，筆者為考證采用8℃大溫差的可行性，請某合資品牌與某國產品牌生產商根據各自程序進行了計算，其結果為：空調箱供回水（5.5℃/13.5℃）8℃溫差相比（7℃/12℃）5℃溫差的制冷能力下降約4%～5%，風機盤管制冷能力下降約4%～7%，但空調箱采用為盤管增加擾流措施，調整肋片間距或增加盤管排數等方法可滿足制冷要求。在設計選型中風機盤管一般有余量，對個別不能滿足的可加大一號或采用三排盤管。總之，由于末端選型變化甚微，其造價也不會明顯增加，反而會因為末端盤管在8℃溫差時的流量和阻力分別只是5℃溫差時的62%和38%而更有利于節省運行費用。據此可以認為：就末端來說，采用8℃溫差（5.5℃/13.5℃）從技術經濟上是可行的，但大溫差對冷源和輸送系統的影響需要作進一步的分析論證。

3.4 大溫差對設備及輸送系統的影響

近年來有許多研究表明（如文獻[5]），加大供回水溫差可造成系統各環節的運行參數發生變化。主要是由于要保證末端設備的平均水溫不變，勢必造成冷水機組出水溫度降低，效率下降;而水流量的減少又影響末端設備，盤管的換熱，有可能導致增大盤管或設備型號。針對常用的三種末端形式，文獻[5]利用計算機選型軟件，在冷水供回水溫分別為7.2℃/12.8℃、5.6℃/13.6℃、5.6℃/15.6℃三種不同溫差情況下進行研究分析，計算機選型得出的所需盤管的排數見表1。

表1 冷水供回水溫差對盤管排數的影響

從表3看出：冷水供回水溫差為8℃時，所需的水盤管排數（除混風工況外）無需增加。若對盤管增加擾流措施，增加其換熱效果，則混風工況下的空調箱的盤管數可不需要變化。

3.5 冷水泵輸送能耗的節約途徑及分析

文獻[6]指出：在過去的30年內，冷水機組的效率提高了近一倍，使冷水機組的能耗在冷水系統能耗中的比例已由78%下降到了58%，而水泵和冷卻塔的運行能耗卻由22%上升到了42%。顯然，節約水泵和冷卻塔的能耗是當務之急。

文獻[7]對國內大量公共建筑進行了能耗調查或實測，總結出在冷源及輸送系統中，制冷機能耗約為總運行能耗的59%～66%，水泵加冷卻塔運行能耗占比約為41%～34%，盡管水泵及冷卻塔的裝機容量占比小些，但其實際運行能耗所占比例大，與自身具備相對完善的能量調節能力的制冷機相比，優化輸送系統的設計方案，降低水泵加冷卻塔的裝機容量及其所占比例，是降低整個空調水系統運行能耗的有效途徑。為此，本工程根據總的空調面積，水泵楊程，水系統輸送距離，末端負荷變化的需求情況采用一次泵變流量輸送系統。由于一次泵變流量輸送系統的冷水機組和水泵臺數不必一一對應，它們的臺數變化和啟停可分別獨立控制，并能根據末端負荷的變化，調節負荷側和冷水機組蒸發器側的流量，從而最大限度地降低變頻水泵的能耗；還能充分利用冷水機組的超額冷量，減少并聯的冷水機組和冷卻水泵的超額冷量，減少冷水機組和冷卻水泵的全年運行時數和能耗。

由本文分析可知在冷水泵輸送系統中采用大溫差設計，能顯著減少冷水泵輸送功率，節約裝機容量。但由于水泵的輸送功率與冷水流量和管道阻力損失成正比，而在實際工程中，空調系統冷水管道的設計是采用假正比摩阻法，當管道系統冷水流量減少時，冷水管道尺寸也將減少。

水泵的功率N應按下式計算：

式中：p為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；G為水流量，m3/h；H為水泵楊程，m；η為水泵效率。

采用大溫差時，由于流量的減少，所選系統管徑隨之減小，因管道比摩阻仍取經濟比摩阻，由此選用管道后，冷水管道的壓力損失與5℃溫差的系統大致相當，于是冷水泵功率僅與流量成正比。采用8℃溫差時水泵功率N的關系為N1=5/8N0=62.5%N0，減少的水泵功率為：100%-62.5%=37.5%。說明冷水系統采用大溫差設計，在運行時間相同的情況下，水泵運行能耗可顯著減少。

3.6 全面水力平衡措施

本工程水系統采用全面水力平衡措施（動態壓差平衡閥+電動調節閥+靜態平衡閥）組合使用，與冷水大溫差技術、冷水泵變頻技術等相結合，這樣不僅可有效解決冷水過量輸配帶來的能源浪費問題，還可以優化冷水和冷卻水管網的設計，降低冷水和冷卻水系統輸送能耗。根據工程具體情況，綜合考慮后，空調水系統均為一次變流量。本變流量系統中，全部為變頻泵，根據環路中最不利的壓差變化調節變頻泵組的數量以及水泵轉速，達到調節系統的作用。

3.7 對本工程冷源和輸送系統節能措施的定性分析

本工程通過對冷源和輸送系統采取冷水、冷卻水一次泵變頻變流量技術、全面水力平衡措施、冷水大溫差設計，三項合計折合到整個空調系統總裝機容量節省率可達23%。特別值得提出的是采用冷水大溫差設計措施，經計算比較，本工程可減少總裝機容量195kW，為總裝機容量的14%。而且制冷機裝機容量所占比例由66.5提高到74%；水泵加冷卻塔的裝機容量所占比例由33.5%降低到26%。因此可定性推斷，本工程水系統采用8℃溫差（5.5℃/13.5℃）將比5℃溫差（7℃/12℃）的運行能耗顯著降低。再有加大溫差、減少流量會帶來水泵、管道、閥門等尺寸變小和保溫材料的減少，設備、材料及施工費用降低，無疑可以節約工程的初投資。

4 空調水系統自控與節能技術方案

4.1 水系統自控與節能技術方案

本工程夏季采用3臺制冷機組，冬夏季采用6臺冷熱泵提供熱負荷與冷負荷。BAS對冷水機組、冷水泵、冷卻塔進出水管電動閥及其風機的啟停順序實施程序控制與均時控制，以保證冷水機組正常啟停。為使其自控方案緊密結合工程實際，體現實用合理，控制良好，節能效果理想，運行、維護、管理成本及初投資低廉，為此，對其技術方案進行了研究與論證，并滿足如下要求：

1）由于本空調系統全年大多數時間在設計負荷的60%～70%范圍內工作，因此，在變頻調速水泵選型時，應使所選水泵在70%設計流量時的工況點落在特性曲線的最高點上；或者說，當水泵只有額定轉速的特性曲線時，水泵的工作點必須落在設計工況最高效率點的右側，以有效減少變流量水泵在空調期內的總運行能耗。

2）在通過冷水機組的流量大于該機組的允許最低流量、流量變化率小于該機組允許最大流量變化率的前提下，冷水機組可以正常運行，空調水系統及其自動控制系統均應滿足要求。

3）通過對壓差傳感器所測得的實際壓差值與設定壓差值進行比較，調節一次泵的運轉頻率，以維持實際壓差穩定在設定值。

4）通過空調冷水系統溫度、流量的數據采集及計算，根據系統負荷和流量情況，綜合判斷后增加或減少冷水機組的運行臺數。

5）冷水機組所配置的電動開關閥的行程時間應與機組的允許最大流量變化率相配合，以期滿足達到穩定運行的時間要求。

6）當一次泵已單臺運行，仍需要調節至低于允許最低頻率時；或當冷水機組已單臺運行，仍需調節至低于允許最低流量時，維持在該頻率定頻運行，并通過調節旁通調節閥以維持實際壓差值穩定在設定值。

4.2 自控主體設備及方式

為較好地達到設計要求的預期效果，經反復研究后，決定本工程采用一臺控制器，控制器內設一個有記憶功能的微處理器。控制器的顯示屏可顯示各控制區域的設定值、過程變量、水泵運行情況，水泵運行次序、PID調節范圍，水泵或變頻器失靈情況、故障診斷、手動或自動轉換情況、備用電池的儲電量、報警情況等。

在控制方式中，特別值得一提的是：壓差傳感器的測點設在系統最不利環路的AHU冷（熱）水盤管的進出水支管上，從計算結果看，與大多數采用在機房內供回水總管之間設壓差傳感器的控制方法相比，水泵調速范圍增加了一倍多；水泵在零到設計流量的范圍內運行時，前者的計算軸功率僅為后者的37.3%～86.8%；同時，運行中控制器的適當效率程序還將隨時根據系統流量傳感器的流量信號和所預載的水泵特性曲線，綜合水泵實際運行軸功率、水泵效率及變頻器功耗，適時確定增減水泵運行臺數；從而使系統獲得最佳節能效果。

系統經過二年多時間的運行，其運行、自控、節能效果情況良好，達到了設計的預期設想。

5 結論

結合工程實際，水系統設計通過采用一次泵變流量，全面水力平衡措施、8℃（5.5%/13.5℃）大溫差技術的節能設計，利用增加擾流措施，使其相比常規的5℃溫差（7℃/12℃）末端選型基本無改變，總裝機容量減少14%～15%，約200kW，節能效果顯著，系統的總體初投資和運行能耗明顯降低。

[1]宋應乾,曾藝,龍惟定.建筑能耗模擬在能源審計中的應用[J].暖通空調,2011,41(3):137-142[2]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2009[M].北京:中國建筑工業出版社,2009

[3]建設部、國家質監總局.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范(GB50736-2012)[S].北京:中國建筑工業出版社,2012

[4]中國建筑科學院研究院,中國建筑業協會建筑節能專業委員會.公共建筑節能設計標準(GB50189-2005)[S].北京:中國建筑工業出版社,2005

[5]賈晶,胡海軍.大溫差小流量的空調水系統方案[A].見:全國暖通空調制冷2006年學術論文集[C].2006

[6]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第2版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2008

[7]江億.公共建筑節能[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

Ana lys is of Air Conditioning Wa te r Sys te m Ene rgy-s a ving Applic a tions in Lingui Ne w Are a Ve nture Building

HU Xue-qin
Design Branch of Hunan No.6 Construction Engineering Company

This paper,by combining engineering examples,elaborates the establishment and application of energy-saving design concept.The energy-efficient air conditioning water system has been exemplified to make a qualitative analysis and exploration of the adopted application theory and energy-saving effect of the energy-saving measures.The author suggests that comprehensive hydraulic balancing measures,large temperature difference in cold water and cold water pump inverter technology used in combination can optimize the running energy-saving efficiency of the water system to improve the energy-saving effect.This paper points out that the scientific and rational self-control programs and technical means to meet the requirements of the design conditions.

energy-saving concept,cold water system,automatic control,energy-saving effect,analysis and exploration

1003-0344（2014）04-096-5

2013-5-21

胡雪欽（1980～），女，本科，工程師；湖南省長沙市青園路168號湖南省第六工程公司設計分公司（410004）；E-mail:hxm1950813@126.com