公共建筑通風空調系統節能改造研究

李洪硯 袁苗

摘要：公共建筑節能改造是建筑節能的重要組成部分，而通風空調系統改造則是重中之重。以某商務辦公建筑節能改造經驗為基礎，分析了通風空調系統的高耗能問題、冷站群控改造方案及節能效益，為既有建筑節能改造提供參考。

Abstract： energy-efficiency renovation of public buildings is an important part of building energy efficiency， and air conditioning system reform is the most important. Based on the experience of energy-efficiency retrofit in a commercial office building， this paper analyzes the problems of high energy consumption of ventilation and air conditioning system， the reform plan of cold station group and its energy-efficiency benefits， which provides a reference for energy-efficiency retrofit of existing buildings

關鍵詞：公共建筑；節能改造；通風空調系統；冷站群控

Key words： public building；energy-efficiency renovation；air conditioning system；cold station group control

中圖分類號：TU831.3+5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0159-02

0 引言

建筑能耗約占全球總能耗的35%[1]，和工業能耗、交通耗能并列為三大耗能系統。公共建筑單位面積耗能量約為其他建筑的3倍，而單體面積超過2萬m2，且應用通風空調系統的公共建筑，其單位面積耗電量約為70-300kWh/（m2a），是居住建筑的10倍以上[2]。公共建筑的國內總面積已超過60萬m2，對既有公共建筑實施節能改造成為社會及學者們關注的熱點[3]。據統計，通風空調系統耗能約占建筑總能耗的48%[4]，對該系統進行節能改造具有重要意義。

本文以某辦公樓的通風空調系統改造為案例，研究分析了冷站群控系統改造的技術方案。

1 項目概況

該辦公樓為單一業態的公共建筑，位于濟南市歷城區，2003年投入使用，總建筑面積為3.4萬m2，地上24層，地下2層，其中：1-3樓為裙房，主要為食堂、會議室、少量辦公室等；4-23樓主要為辦公室，以及少量會議室、實驗室；24層主要為多功能室。該建筑已于2015年底完成了采暖“汽改水”改造[5]，現空調系統為中央空調形式，采暖末端應用風機盤管。

冷站位于地下2層，共安裝了2臺冷水機組，3臺冷凍水泵，3臺冷卻水泵，2臺動機采暖泵和位于樓頂的2臺冷卻塔，具體性能參數見表1。

節能改造前，該建筑無冷站群控系統，冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵均手動控制，工作日運行策略為7：00-16：30，雙休日及法定節假日不開。

2 冷站系統問題分析

2016年7月至8月，通過收集統計該建筑冷站的運行抄表數據，整理并分析了冷站的運行情況，發現冷站運行存在3個不足。

2.1 缺少高效的控制手段

無法實現冷站的變負荷自動調節運行，需要人為根據現場經驗手動開啟冷水機組、冷凍泵、冷卻水泵等設備，從而增加了人力投入，無法高效地對設備進行優化控制，僅憑經驗控制該系統必然造成能源浪費。

2.2 冷凍側與冷卻側“大流量小溫差”

因為冷凍泵、冷卻泵不是自動定溫差/壓差的變頻控制設備，一直處于工頻運行狀態，導致了“大流量小溫差”，浪費較多電耗，控制設計不合理。

2.3 冷機負載率較低

根據冷站抄表記錄數據分析，冷水機組負載率一直處于60%左右，使得冷水機組長期在低負載率和低效率的狀態下運行，既浪費了能耗，也加快了冷機的損耗。

綜上，冷站的主要問題，是由于冷站群控功能的不完善，導致冷站運行效率低下，造成能源浪費。

3 改造方案設計

為解決以上問題，需進行冷站群控管理系統的合理設計，實現冷站的自動優化運行，改善“大流量小溫差”的現狀。

3.1 冷源系統

根據冷水機組負載率變化情況調節冷水機組的供水溫度設定值，以確保冷水機組運行在高效工作點上，提高冷水機組的運行效率。當冷水機組蒸發溫度每提高1℃，即冷凍水出水溫度設定值每提高1℃，冷機能效比將提高約3%。

結合冷站實地運行抄表記錄，可知冷水機組出水溫度范圍為7-10℃，冷凍水供水溫度設定值為7℃，通過優化蒸發器出水溫度設定值可有效提高冷水機組效率，降低冷水機組電耗。同理，通過降低冷水機組冷凝水側進水溫度，降低冷水機組電耗。

3.2 冷凍水與冷卻水輸配系統

改造前，冷凍泵系統采用的是一次泵變頻系統，冷機并聯之后與冷凍泵串聯，控制策略采用“一機對一泵”方式，冷卻水系統亦沒有變頻系統。根據現場調研分析，發現冷凍側與冷卻側的節能改造首先需要安裝變頻器，使之能夠變頻運行，同時優化冷凍泵與冷卻泵控制策略，采用變頻控制。

為實現原冷凍泵與冷卻泵變頻，采用定頻流量的控制方式，而實際在小負荷時，采用定流量的方式并不節能，因此考慮定溫差的控制方案。選擇合適的供回水溫差為5℃，根據7月至8月的冷凍側溫度數據，在制冷量不變的前提下，已控制5℃溫差為基礎策略，最小頻率不低于40Hz，保持冷凍側與冷卻側的最小流量，則按照冷站運行數據，計算冷凍泵與冷側泵的節能量分別為2.2萬kWh與1.7萬kWh。

3.3 冷卻塔系統

項目冷站共有2個冷卻塔，每個冷卻塔設有1個風機，改造前，冷卻塔風機已經有變頻器且變頻運行，冷卻塔風機控制采用檢測冷卻水供、回水溫度的優化控制策略，當溫度高于37℃時，冷卻塔風機自動啟動，不滿足時再啟動另一臺冷卻塔風機；當溫度低于25℃時，冷卻塔風機自動關閉一臺，溫度更低時，再關閉另一臺冷卻塔風機。

經分析，此種控制策略基本實現了冷卻塔風機的啟停控制，在一定程度上達到了節省風機電耗的目的，但是出現了冷卻塔散熱不均的問題，且沒有最大化利用冷卻塔的散熱面積，即沒有最大化利用自然散熱。

據此，設計改造方案為：通過給冷卻塔風機加裝變頻器，采用定冷卻塔出水溫度的控制策略，“停風不停水”，統一調整冷卻塔風機的頻率，實現冷卻塔聯合變頻控制；冷站群控邏輯算法，應在綜合分析室外干濕球溫度、機組冷卻水溫效率曲線、需求冷量等基礎上，實現冷卻塔出水溫度設定值自行控制。

4 改造節能效果分析

根據上述改造內容，大致估算節能量如表2。

5 結語

當前，我國公共建筑存量大、耗能高，而政策復雜則導致了諸如節能改造困難、能源浪費等問題，如何在既定約束條件下實現預期經濟目標，是一項重要課題。該節能改造項目聚焦通風空調系統，應用技術普遍，改造成本較低節能效果卻較好。希望文章觀點可以為類似工程提供有益思路，進而提升公共建筑節能改造的經濟效益。

參考文獻：

[1]李洪硯.綠色建筑實施推廣的體制機制研究[D].濟南：山東建筑大學，2015.

[2]侯靜，武涌，劉伊生.既有公共建筑節能改在市場化途徑研究[J].城市發展研究，2014，21（6）：1-5.

[3]李洪硯，朱緒格，張大鵬.民用建筑“熱改困局”：一個三方博弈的視角[J].價值工程，2013（35）：113-115.

[4]田順.山東地區既有公共建筑節能改造及節能率的研究[D].濟南：山東建筑大學，2017.

[5]陳文，李震，魏林濱，宋海亮.濟南市公共建筑節能改造能耗調查與案例分析[J].建設科技，2016（09）：27-29，34.