某商場空調系統節能改造案例分析

黃渝蘭

(四川省建筑科學研究院有限公司，四川成都 610000))

1 項目概況

某夏熱冬冷地區的商場，2010年投入運營，總建筑面積3.9×104m2，空調面積3.3×104m2，主要功能分區包括設備房、商鋪、超市等。該商場主要能源為電力，電力主要用于空調、照明、電梯及冰庫等設備。改造前該商場單位建筑面積年平均用電量約為230 kwh/(m2·a)，與同類型建筑單位建筑能耗相比，該建筑屬于較高能耗水平，節能空間較大。該商場冬天不需要供暖，空調系統只有制冷形式，為集中式空調，采用2臺半封閉螺桿式冷水機組，空調冷水機組夏季每天使用，過渡季節和冬季根據實際情況部分時間使用，空調末端風系統則全年使用。

2 節能診斷

該商場空調水系統冷源采用2臺半封閉螺桿式冷水機組，冷水機組本身具有自動調節功能，每臺主機有4個機頭，機頭運行的臺數由負荷大小決定，即根據冷凍水出水溫度自動調節，負荷高峰期運行一臺主機4個機頭+另一臺主機的n(n<4)個壓縮機頭，負荷非高峰期則只運行其中一臺主機的n個機頭(n≤4)；空調冷凍水系統和冷卻水系統均采用一次泵定流量運行，分別配置了三臺立式泵，均以并聯的方式接入，各有一臺備用，負荷高峰時(即主機運行2臺)分別運行2臺冷凍水泵和2臺冷卻水泵，其他時間各運行1臺，水泵長期處在滿荷載運行工況下，冷卻水系統配用了6 臺橫流式冷卻塔作為系統冷卻設備，各塔并聯運行，冷卻塔根據負荷變化自動控制運行臺數；空調末端采用單風道低速全空氣系統的形式承擔建筑內人體及設備熱濕負荷與新風負荷，為定風量運行。空調設備性能參數見表1。

2.1 冷凍/冷卻水供回水溫差診斷

統計最近一年空調運行記錄，該商場的空調冷凍水供回水溫差全年平均值為3.4 ℃，冷卻水供回水溫差全年平均值為3.6 ℃，分別為設計溫差5 ℃的68 %和66 %，其中6～9月份的供回水溫差相對其他月份較高，這是由于6～9月是空調負荷高峰期，因為水系統為定流量，因此供回水溫差較高，而其他月份空調負荷較低，定流量下溫差就較小，且經進一步統計溫差小于2 ℃的時間超過了空調總運行時間的15 %，根據JGJ 176-2009《公共建筑節能改造技術規范》的第4.3.10條，宜對空調水系統進行相應的調節或改造。

表1 空調系統設備性能參數

2.2 冷水機組運行能效診斷

對冷水機組運行能效進行測試，測試參數包括流量、冷凍水供回水溫度、冷卻水供回水溫度、冷水機組輸入功率、室內外溫濕度等，得到冷水主機實際運行的COP值如表2所示。

表2 項目改造前空調主機實際運行的COP值

根據現行國家標準GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》第4.2.10條規定，夏熱冬冷地區的水冷變頻螺桿式機組當名義制冷量大于1 163 kW時，機組性能系數COP不應低于5.32，可見這2臺機組均未達到標準要求。

2.3 冷凍水泵、冷卻水泵節能診斷

冷凍水系統和冷卻水系統均為定流量運行，水泵長期處于滿負載運行工況下，根據上述的冷凍水及冷卻水供回水溫差統計可知，大部分溫差在2.5～4.0 ℃之間，說明該制冷機組大部分時間是在部分負荷下運行，空調部分負荷運行時間占總運行時間的80 %以上，其中溫差小于2 ℃的時間超過了空調總運行時間的15 %，可見冷凍水及冷卻水系統存在“大流量小溫差”現象較嚴重，根據JGJ 176-2009《公共建筑節能改造技術規范》的第6.3.7條規定，建議對空調水系統進行變流量改造。

2.4 空調風系統

該商場空調末端風系統采用單風道低速全空氣系統，所有風機處于工頻運行，整個系統水閥均為手動閥，無法適應空調負荷變化進行自動調節。對室內環境及風系統測試結果見表3。

表3 項目改造前室內環境測試

根據GB 50732-2012《民用建筑供暖通風及空氣調節設計規范》的第3.0.2條對II級熱舒適性空調室內設計參數要求：供冷溫度26～28 ℃，相對濕度不大于70 %，風速不大于0.3 m/s。根據測試結果可知：該商場的室內溫度過低，過冷現象，不滿足標準要求。根據GB 50732-2012《民用建筑供暖通風及空氣調節設計規范》第7.4.10條規定：當滿足舒適、工藝要求的條件下，宜加大送風溫差；當送風口高度不大于5 m時，送風溫差為5～10 ℃。而根據表3的商場送回風溫差約6.5 ℃，可見商場送風溫差還有很大的提升空間，要加大送風溫差，則需要減小送風量，對風機做變頻改造即可實現。若將該商場定風量運行改造為變風量運行，不僅能降低風機的能耗，而且可以解決商場過冷現象，因此建議對空調風系統進行變流量改造。

3 節能改造方案設計

根據上述針對該商場空調系統的的節能診斷，提出以下節能改造方案。

3.1 冷凍水泵變頻改造

對冷凍水泵進行變頻改造，采用2套變頻控制柜，變頻采用溫差控制的方式，溫度傳感器分別布置于供水、回水總干管處。其控制原理為：當空調負荷降低時，室內所需冷量降低，導致冷凍水回水溫度下降，從而使冷凍水供回水溫差減小，溫差傳感器將溫差變化信號傳至控制器，控制器輸出信號使冷凍水泵電動機的頻率降低，從而使流量下降，最終使溫差上升至最初設定值[1-2]。商場非滿負荷運行時間較長，水泵變頻運行能耗降低，最終實現節能。

3.2 冷卻水泵變頻改造[3]

同冷凍水泵也采用了2套變頻控制柜進行變頻改造，該系統采用定溫差控制的方式，溫差控制值為5 ℃，溫度傳感器分別布置于冷水機組冷凝器的進出口冷卻水管處。其控制原理及節能效果同冷凍水系統。

3.3 空調末端風系統

采用23套風機變頻控制柜進行變頻改造，各風系統采用定室內溫度及CO2濃度控制的方式，溫度傳感器及CO2濃度監控傳感器分別布置在各末端風系統的回風管道或回風口上。其控制原理為：當室內負荷降低，室內溫度/CO2濃度會降低，溫度傳感器/CO2濃度監測傳感器將溫度/CO2的濃度信號傳至控制器，控制器輸出信號使風機電動機頻率降低，從而使風量下降，最終使室內溫度升高至設置溫度，避免室內出現過冷現象，因為這種變頻控制方式沒有改變風系統管路的阻力特性，因此風機滿足相似定律，即風機能耗與流量的三次方成正比，當部分負荷運行時，風機能耗隨流量降低而降低，最終實現節能目的。

4 節能改造效果分析

該商場實施空調系統改造并正常運行一年后，對其空調系統實際運行效果進行檢測和分析。測試工況：測試期間恰逢商場促銷活動，人流量較大，為了保證室內空氣質量，商場所有空調末端風機采用工頻運行模式(因此本次不對空調末端風機改造后效果測試分析)，但空調冷凍水泵及冷卻水泵全程均為變頻運行模式；測試期間空調系統非滿負荷運行，空調主機僅啟用了一臺(1#主機)，冷凍水泵和冷卻水泵各運行一臺；測試周期為4 d。測試參數包括：主機、冷凍泵、冷卻泵、末端風機的輸入功率、冷凍水及冷凍水流量、冷凍水及冷卻水供回水溫度、冷凍水泵及冷卻水泵進出口壓力、水泵及風機的運行頻率、風機送、回風溫度風口風速、室內外溫度和相對濕度。

4.1 空調主機運行效果

空調冷水機組實測逐時的COP見圖1，大部分時間段內的COP值較穩定，部分時刻波動較大的主要受負荷突變的影響，根據實測發現，負荷率降低時，主機的COP值相對也會下降。1#主機實測的COP平均值為5.4，滿足相應標準要求的不低于5.32的要求，比改造前能效提升了20 %。

4.2 空調水泵運行效果

冷凍水泵和冷卻水泵實測的逐時效率見圖2，冷卻水泵的運行效率比冷凍水泵的運行效率更穩定，這是由于冷卻水泵性能曲線較冷凍水泵性能曲線更平緩的原因，可見，水泵性能曲線越平緩，在變頻中不僅可調流量范圍更寬，且運行效率也更穩定，也即是說，性能曲線越平緩的水泵更適合做變頻改造。從測試的逐時效率計算平均值得到，冷凍水泵和冷卻水泵的平均效率分別為66.5 %和67.5 %，根據JGJ/T 177-2009《公共建筑節能監測標準》的8.5.3條規定，水泵效率檢測值大于銘牌值的80 %則可判定為合格，可見冷凍水泵和冷卻水泵變頻改造后的運行效率均滿足要求。

已知△t=5℃ 、A=0.004225、B=28、a=0.02、∑L=400m，則可以計算得到該冷水系統耗電輸冷比限制為0.0340。根據實測參數計算得到的逐時冷水系統耗電輸冷比ECR-a見圖3，可見實際運行的ECR-a≤0.0340，改造后空調冷水系統耗電輸冷比滿足節能要求。

圖1 冷水機組逐時COP

圖2 冷凍水泵、冷卻水泵逐時效率

圖3 冷水系統耗電輸冷比

4.3 節能量

空調系統實施改造運行一年后，根據商場的空調分項能耗監測結果，空調系統全年節能量為78.2×104kWh,空調單項節能率為46.0 %。

5 結論

通過該商場空調系統節能改造案例分析，對空調水系統和風系統變頻改造后，設備能效得到提升、節能量顯著，值得借鑒及推廣。而既有商場建筑的集中空調系統普遍存在水系統和風系統無節能調節措施、長期滿負載運行、供冷期間室內空調過冷現象嚴重等問題，節能潛力大，應高度重視并采取相應的節能措施進行改造優化。