廣州某皮具商場能耗分析及改進建議

辛軍哲 鄒華 胡吉龍

廣州大學土木工程學院

0 概況

廣州某皮具商場位于廣州白云區三元里大道，地下2 層，地上11 層，是一棟綜合商業大廈。其功能劃分為：地下二層為機房和車庫，地下一層為商鋪和機房以及工程部辦公室，地上一層—地上三層為普通皮革商鋪，四層—六層為皮革旗艦店及銀行，七層—十一層為寫字樓?？偨ㄖ娣e46300 m2，空調面積為36940 m2，商場賣場的營業時間為9:00-17:30，但是為滿足消費者的熱舒適狀況，商場的空調系統會在8:30開啟進行預冷。

該商場位于白云區某商圈的主要地段，日常客流量較大，商場內部商鋪反應每月所繳電費過高，為了了解整個商場的能耗系統的運行現狀，提高運行能效，根據該皮具城物業人員測得的空調系統運行參數，結合大廈照明、動力等部分的歷年電耗數據，找出了大廈能耗系統存在的問題，并提出切實可行的改進方案。

1 大樓能耗分析

根據物業人員提供的數據計量系統的記錄結果，得到了該商場2009 年及2018 年兩年共計24 個月的逐月總電耗，如圖1 所示。

圖1 商場總耗電量

從圖1 可知，自2009 年1 月以來，該商場的總電耗量不斷上升，從2009 年的3688 MWh 到2018 年的5746 MWh，增幅達56%。通過現場的實地調研可以發現該商場具有較大節能空間，商場類建筑能耗主要由三大部分組成，分別為空調系統能耗，照明系統能耗以及動力系統能耗，下面從這三方面分析找出商場電耗增加的主要原因所在。

1.1 空調系統的逐月耗電量

該商場空調系統僅用于夏季制冷用，冬季不用于供暖，且只有一套冷水系統，服務于整棟大樓。本建筑制冷機房設于地下二層，制冷機房內有3 臺450RT 離心式制冷主機（兩用一備），設4 臺冷凍水泵（3 用1備），冷卻水系統設4 臺冷卻水泵（3 用1 備），3 臺超低噪聲冷卻塔。地下一層至四層為商場，除個別小房間外，均采用全空氣系統，空氣處理機組布置在各層的空調機房內。五層至十一層為寫字樓，基本采用吊頂空調加新風機組的形式，部分樓層區域改造成風機盤管加新風系統，新風機組位于各層空調機房內。大廈空調系統2009 年和2018 年的逐月耗電量具體如圖2所示。

圖2 大廈空調系統逐月耗電量

2009 年的空調能耗為1862 MWh，2018 年的空調能耗為3099 MWh，空調能耗這一塊的增幅達到了66.4%。從2018 年各能耗系統的占比情況來看，空調能耗占據該商場能耗的主要部分，其占比達到了53%，尤其是在夏季，空調能耗接近當月總能耗的七成，因此應將其作為解決能耗問題的重要環節。

1.2 公共區域照明系統的耗電量

照明系統方面由于商場類建筑外表較少采用玻璃幕墻，建筑采光大多被實心墻體和廣告牌遮擋，因此建筑內部大多為需要人造光源的內區,而且商家為了商品展示能達到較好的效果，通常會采用照度較高的燈具，使得照明的能耗大大增加。但是隨著LED 節能燈的興起，以及一部分照明燈具經久失修，使得照明電耗逐年變化并不大。通過查看該商場物業人員的記錄：2009 年公共區域的照明能耗為1396 MWh，2018 年公共區域的照明能耗為2159 MWh，增幅約為37%。

1.3 動力系統的耗電量

動力系統的耗電主要在電梯（貨梯及手扶電梯），空氣幕等設施。2009 年動力系統的能耗為428 MWh，2018 年動力系統的能耗為473 MWh，對比2009 及2018 年該系統的耗電量可以發現其基本保持平穩，增幅不大，因此在分析整個大樓的節能降耗方面可以忽略其影響。

1.4 各系統的耗電量對比

從2009 年和2018 年的數據對比可以看出，整個商場在十年間，其耗能增加了2058 MWh，其中空調系統耗能增加了1236 MWh，占總增加量的60%。照明系統耗能增加了739 MWh，占總增加量的37%。動力系統耗能增加了40 MWh，占總增加量的3%。因此解決該大樓的能耗增長問題需要深入到空調系統的各個部分。

2 商場空調系統的現狀檢測

2.1 空調系統各設備年運行電耗占比

通過該商場物業管理人員給出的空調系統各部件的能耗情況來看，制冷主機，水泵以及末端設備的電耗占比分別達到了49%，25%和21%（圖3），因此應將制冷主機和冷凍水泵，末端設備作為節能降耗的重點。

圖3 冷水機組各部件電耗占比

2.2 冷水機組的性能測試

根據商場物業管理部門委托專業檢測單位對商場空調系統的制冷主機的調查報告來看，三臺主機運行時間已達23 年，全部進入老化期，筆者和該商場物業管理人員合作于2019 年1 月對商場空調系統主機進行了測試，得了包括不同制冷工況下機組的冷凍水和冷卻水進出口溫度，流量等數據[1]。由測得的數據可以分別計算這三臺機組在測試日的實際制冷量，制冷量的計算公式如下：

式中：Q-制冷機的制冷量，kW；c-冷凍水的比熱容，取4.19 J/ (kg℃)；m-冷凍水的流量，m3；tin-制冷機冷凍水進口溫度，℃；tout-制冷機冷凍水出口溫度，℃。

由此可分別得到三臺制冷機的實際制冷量：

冷水機組電耗可由下式計算得到

式中：P-制冷機的電耗，W；U-制冷機的輸入電壓，V；I-制冷機的輸入電流，A。

由此可得三臺機組的實際電耗：

從而進一步得出三臺主機的實測能效比：

額定能效比是主機在額定工況下的效率，即主機運行時，冷凍水的供水溫度為7 ℃，冷卻水出水溫度為32 ℃，根據主機運行特性的經驗數據有：冷凍水供水溫度每升高1 ℃，制冷機效率提高1%-2%（計算取1.5%），冷卻水回水溫度每升高1 ℃，制冷機效率下降2%～3%（計算?。?.5%）。因此可以推斷出制冷機額定工況下的實際能效比為：

測試結果及計算結果匯總如表1 所示。

表1 改造前的空調主機數據

從以上表1 數據及計算得出的結果可以看出三臺主機的實測COP 僅為2.7～3.4，約為額定COP 的50%，遠低于現行國家標準《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015 中夏熱冬暖地區離心式機組COP 最小限值5.7 的要求。一方面，由于蒸發器的供回水溫差過小，僅為3.1-3.8 ℃，蒸發器的實測流量偏小，造成實際制冷量遠小于其額定制冷量。另一方面，由于泠凝器的實測流量偏小，造成實際功率遠大于其額定功率。同時，經過查詢主機樣本，發現其蒸發器、冷凝器前后壓差應在71 kPa 左右，而本次檢測主機蒸發器前后壓差在216～223 kPa，冷凝器前后壓差在80～149 kPa，根據壓差的偏離情況初步推斷制冷量偏小和功率偏大的主要原因應該是蒸發器和冷凝器換熱板及冷凍水，冷卻水管道有結垢的現象。后經物業人員的拆機檢測發現蒸發器和冷凝器換熱板確實結垢嚴重。

2.3 水泵的性能測試

對冷卻水泵及冷凍水泵運行時間，進出口壓力等進行檢測并記錄數據，如表2 所示。

表2 水泵測試數據

由表2 中的數據可以得出水泵的實測效率：

式中：η-水泵效率；N-水泵輸入的軸功率，kW；Ne-水泵的有效功率，kW；ρ-流體密度，kg/m3；G-取9.8N/kg；Q-流量，m3/s；H-水泵揚程，m。

從表2 數據可以看出備用水泵已損壞無法正常使用，計算得出三臺冷凍水泵的實測效率分別為36%，34%，35%，三臺冷卻水泵的實測效率分別為62%，54%，61%，根據目前國家標準《離心泵效率標準》GBT13007-2011 中的要求，對應流量的離心水泵效率不應低于73%，而目前實測效率只有規定限值得56%～76%。通過分析六臺水泵的額定參數，其中三臺冷凍水泵的額定流量分別為267 m3/h，260 m3/h，251 m3/h，三臺冷卻水泵的額定流量分別為370 m3/h，353 m3/h，354 m3/h。而根據理論計算，制冷主機對應的冷凍水泵額定流量為320 m3/h，冷卻水泵的額定流量為400 m3/h，可以看出各臺主機的冷凍水流量偏小了19%左右，冷卻水流量偏小了10%左右，說明冷水機組及管道的結垢導致了管道流通界面變小，管道阻力增大，流量偏小，因此水泵實際并非在最佳工況下運行。由此看出冷水機組及冷凍水，冷卻水管道的結垢也影響到了水泵的正常運行。

2.4 空調末端的性能測試

從表3 可以看出只有KT-FGJ-1、KT-FGJ-19 兩臺風機達到額定風量，且KT-FGJ-2 只達到了額定風量的65%?，F場對通風管道檢測發現，風道出口的過濾網被灰塵堵塞，因此導致風壓大大增加，風量減少，其運行工況偏離了額定工況，就此看來風機也具有較大的節能空間。

表3 改造前的末端裝置風量

3 改造措施

3.1 空調系統蒸發器、冷凝器的改造

經過商場物業管理人員的拆機檢測，發現制冷主機由于運行年限過長引發的蒸發器、冷凝器內結垢嚴重，導致傳熱效率大幅下降，且冷凍水、冷凝水水管流通截面變小使得水流阻力增大，機組出水溫度升高繼而使得能耗大幅提高，運行成本增加，并且存在較大的安全隱患[2]。鑒于更換制冷主機成本較高，且目前該建筑變壓器無法進行擴容改造，因此決定對原制冷主機采取修復措施。

目前，對于制冷機的阻垢和除垢的常用方法主要有兩種：物理阻垢法和化學阻垢法。物理阻垢法一般是對結垢表面，水質或水質成分的物理作用，使得污垢失去粘附在表面的能力，在一定沖刷作用下就能脫附被水沖走，包括機械除垢，磁場電場阻垢以及涂料法等等。化學阻垢法是通過用化學的方法來去除水垢，主要有添加阻垢劑，加酸法，離子交換法及CO2法等[3]。

經過現場對機組水垢的結垢情況進行實地調研后確定了除垢方案：在商場營業時間結束以后停運主機，拆開主機的機殼，先用高壓水槍沖洗換熱通關把大部分的污垢沖洗掉，然后用毛刷刷掉部分水垢。最后將配置好的酸洗液加入到循環水系統中，開啟水系統獨立運行，使加入藥劑的水自動清洗換熱管道環路，直至清洗掉余下的水垢后，打開排水裝置，排掉污水及清洗掉的水垢。加入新水并用堿進行中和，并用鈍化劑進行鈍化。再次排掉廢水后，加入2～3 次新水進行漂洗。至此，機組即可進入正常運行狀態。

在物業管理人員按除垢方案進行除垢后，物業管理人員再次對冷水機組的各項參數進行了現場測試，測試結果如表4 所示，通過檢測數據計算得出三臺冷水機組的平均COP 達到了3.79 W/W。

表4 改造后的空調主機數據

3.2 空調風系統的改造

根據前面的分析檢測發現，風道出口的過濾網被灰塵堵塞，導致風壓大大增加，風量減少，運行工況偏離額定工況。據此，對風機盤管及各樓層的風管進行疏通處理并拆卸過濾器進行清洗。通過以上措施，物業管理人員再次檢測末端裝置風量發現，末端風柜平均風量達到了額定風量的91%。

表5 改造后的末端裝置風量表

4 改進意見

4.1 空調水系統的改進建議

對于該建筑用途而言，該商場月用電高峰主要集中在7、8 月，日用電高峰主要在11:00 到15:00，空調系統大部分時間其實都處于部分負荷的運行狀態下，因此一直處于定轉速運轉狀態的水泵造成了大量的能源浪費。該商場原空調系統的水系統采用的是主機定流量、末端變流量的一級泵系統，這種系統雖然對于主機來說有一定的節能效果，但水泵的能耗并未減少[4]。因此有必要對6 臺水泵加裝水泵變頻器，并結合溫度傳感器、溫度變送器等構成自動調速系統，對冷凍水、冷卻水泵進行改造。當系統的負荷發生變化時，變頻器調節水泵流量發生變化，冷水機組改變制冷量，達到主機和水泵均節能的目的?？刂撇呗匀鐖D4所示：

圖4 水泵變頻控制原理圖

圖4 水泵控制策略通過比較壓差設定值與實際壓差，將結果輸入至通用的PID 控制器，PID 控制器輸出相應的水泵頻率。采用水泵變頻，雖然水泵效率較最高效率點略有下降，但是水泵流量和揚程均下降，水泵功耗會顯著下降?？紤]到主機最低流量要求，變頻器變頻范圍設置為35～50 Hz。當水泵頻率為35 Hz 時，系統壓力仍過大且未到減機條件時，此時壓差旁通閥開啟，旁通部分流量。

查看表2 中數據可以知道該冷水機組冷凍水泵額定功率為PN=55 kW，全速時供水量QN=320 m3，每天的平均流量為80%QN，泵的空載損耗約為15%PN[5]。則：消耗功率P1=(55-55×15%)×0.8×0.8×0.8+55×15%=32.19 kW。節電率N1=(55-32.19)/55=41.47%。

同樣的，冷卻水泵每天的平均流量為90%QN，則：消耗功率P2=(45-45×15%)×0.9×0.9×0.9+45×15%=34.63 kW。節電率N2=(45-34.63)/45=23.04%。

經過計算證明，改造后水系統節電率一般可達到20%～40%以上，預計節省電費約（3098071×14%×41.47%+3098071×11%×23.04%）×0.6=15.5 萬元。

4.2 空調風系統的改進建議

建議對空調末端風機進行檢查并維修，根據室外溫濕度監測點實時反饋的室外空氣溫濕度情況調節新風機和新風閥。當室外空氣的比焓低于商場內設計狀態點的比焓時，自動開啟新風機和新風閥，加大新風量或全新風運行，充分利用新風的自然冷卻能力對商場進行降溫，并擴大室外新風百葉口面積加大新風的引入，提高新風量，盡量充分利用新風來自然冷卻，以減少制冷主機的開啟時間達到節能的目的。在過渡季節大量引入新風的方法減少了制冷主機6%的運行時間，大約年節省電費約了1518055 kWh×6%×0.6=5.5萬元。

5 結語

經過前面對蒸發器和冷凝器進行除垢改造后，冷水機組的COP 恢復為3.9 W/W。根據物業管理部門提供的2018 年空調能耗記錄表，2018 年空調主機的耗電量約為1518055 kWh。由三臺制冷主機的COP 基本在2.9 W/W 左右，則全年負荷為4402360 kWh。按除垢后的冷水機組COP 計算，預計年耗電量為4402360 kWh/3.79=1161573 kWh，年節省電量約為1518055-1161573=356482 kWh，每年節省電費約為356482×0.6=21.4 萬元。經過前面對風機盤管及各樓層的風管進行疏通處理并拆卸過濾器進行清洗改造后，各末端風柜平均風量達到額定風量的91%。根據物業管理部門提供的2018 年空調能耗記錄表，2018 年各末端風柜的耗電量約為650790 kWh，風量提高后，預計年耗電量為618250 kWh，年節省電量約為32540 kWh，每年節省電費約為2 萬元。上述兩者合計，年節省電費高達23.4 萬元，該節能改造案例的成功實踐，可為廣州地區其它類似大型公共建筑的節能改造起到借鑒與指導作用。