工業建筑空調節能改造方案設計

李春龍，趙盟盟，束星北

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100000)

當前在國際上，節能是一個熱點話題。同時節能問題也是我國現階段重點探索的一項內容。我國經濟發展速度相對較快，使我國能源消耗量增速極快，在此過程中，節能減排的作用日益凸顯，我國走向節能減排成為必然[1]。實施節能減排需要在社會各方面都進行努力，由于建筑行業能耗量在社會全部行業能耗量中占比極大，建筑能耗成為節能減排中的重點節能項目[2]。在建筑行業中，工業建筑一直是用能大戶，在節能減排中承擔著十分重要的責任，其節能問題一直備受矚目。

對于工業建筑而言，節能工作中最重要的環節就是建筑空調的節能，這是由于在工業建筑能耗中，空調能耗往往占到60%以上，特別是冷卻水系統占據了大量能耗[3]?？梢哉f工業建筑空調節能改造工作迫在眉睫[4]。

對于工業建筑空調節能改造問題，相關研究的開展越來越多，特別是在最近幾年該問題受到了前所未有的重視。學者們根據實驗數據對合理的仿真模擬方法和數學模型進行選擇，分析工業建筑空調系統中各部件間的關聯性及其對能耗的影響，從而設計出對應的節能改造方案。國外學者主要采用熱回收、建筑智能化等技術設計工業建筑空調節能改造方案，其中基于熱回收的工業建筑空調節能改造方案獲得了比較廣泛的應用，使用的熱回收方式具體包括機房熱回收、排風熱回收等。國內學者則主要使用蓄能技術、設備變頻技術等對工業建筑空調節能改造方案進行設計，其中設備變頻技術獲得了大面積的應用。借鑒以上研究成果，將模擬技術應用到工業建筑空調節能改造方案的設計中，設計一種基于模擬技術的工業建筑空調節能改造方案，并對設計方案進行測試與驗證。

1 工業建筑空調節能改造方案設計

1.1 工業建筑空調模型構建

基于模擬技術構建工業建筑空調模型，首先獲取工業建筑空調的特征，包括動態過程速度差異很大、多回路多變量、工作過程復雜、分布參數等，根據其特征決定構建一種模擬穩態模型[5]。構建的工業建筑空調模型具體包括冷水機組模型、表冷器模型、冷卻塔模型以及輸送流體設備模型等。

在構建工業建筑空調模型的過程中，首先需要獲取各子模型參數，包括輸送流體設備參數、冷卻塔參數、表冷器參數、冷水機組參數[6]。通過實測數據對以上參數進行模擬，所需要的實測數據具體見表1。

表1 所需要的實測數據Tab.1 Required measured data

在對工業建筑空調進行模擬仿真時，利用表1實測數據對輸送流體設備參數、冷卻塔參數、表冷器參數、冷水機組參數等參數進行模擬，從而構建工業建筑空調模擬模型，模型構建中使用的編程軟件為VC++6.0[7]。

1.2 設計冷機節能改造方案

離心式磁懸浮冷水機組與普通冷水機組的負荷能效對比如圖1所示。

圖1 離心式磁懸浮冷機與普通冷機的負荷能效對比Fig.1 Comparison of load energy efficiency between centrifugal magnetic levitation cooler and common cooler

通過構建的工業建筑空調模擬模型，可以發現當前工業建筑空調冷機存在換熱器臟堵、負荷率低等問題。根據以上問題，設計冷機的節能改造方案。在設計的冷機的節能改造方案中，首先需要對冷水機組進行更換[8]。對于工業建筑空調來說，冷水機組是核心設備，也是節能問題中的關鍵設備。當冷水機組搭配不合理，存在效率低、負荷率低等問題，對其運行性能造成嚴重影響時，其能耗會很高，需要對其進行更換[9]。更換時選用離心式磁懸浮冷水機組。離心式磁懸浮冷水機組是一種冷水機組領域的新技術，其核心在于壓縮機軸承處的磁懸浮技術，使用環保氟利昂R134a作為制冷劑[10]。離心式磁懸浮冷水機組采用的運行方式為無油運行，并且其部分負荷性能十分優異。

對于不存在比較嚴重的老化問題以及制冷量比較匹配的冷水機組來說，需要通過清洗冷凝器和蒸發器[11]。同時在原來的水系統上對自動清洗裝置進行加裝，以實現節能目的[12]。

1.3 設計水系統節能改造方案

為使能夠更加高效、安全地運行，以及使其整體不平衡率更低，對水系統實施節能改造[13]。 首先由于水泵普遍存在效率低、選型揚程大、能耗大等問題，需要對部分水泵進行更換。將更換的水泵作為主要運行的水泵，原有的水泵則作為備用水泵[14]。選擇2種節能水泵作為備選型號，在選型時以系統流量揚程為依據對型號進行選擇。備選水泵型號的技術參數見表2。

表2 備選水泵型號的技術參數Tab.2 Technical parameters of alternative pump models

還需要改造水系統的對應流量控制，采用的節能改造方案為在冷凍水泵上對變頻器進行加裝，使冷凍水系統變成一次泵變流量系統[15]。同時，還需要對冷卻塔和水泵實施運行調試，并對水系統實施平衡調試。

1.4 設計空調與通風系統節能改造方案

對于空調與通風系統，制定了一系列空調機組、通風系統、風量分配和氣流組織、末端與室內溫濕度調節的相關節能改造方案?？照{與通風系統節能改造方案如圖2所示[16]。對于空調系統，還需要安裝能源管理服務系統[17]。

2 方案實施與測評

2.1 方案實施前能效數據

利用設計的基于模擬技術的工業建筑空調節能改造方案對某工業建筑空調實施節能改造，對設計方案進行驗證與測評。

由于冷卻水系統占據了大量工業建筑空調能耗，因此實驗主要針對冷卻狀態進行，以獲得更加明顯、更具對比度的實驗效果。

在實施設計的節能改造方案之前，需要對實驗工業建筑空調實施1次能效測試，以獲得對比實驗數據。記錄冷卻水系統連續平穩運行4.5 h后的能效數據。測試時，工業建筑室內平均相對濕度以及空氣溫度情況如圖3所示。

測試時，實驗工業建筑空調的運行工況：冷卻塔4臺+冷卻水泵2臺+冷凍水泵2臺+1號離心機組。測試的方案實施前。冷機制冷測試能效數據見表3、冷源系統測試能效數據見表4。

圖2 空調與通風系統節能改造方案Fig.2 Energy-saving renovation scheme of air conditioning and ventilation system

圖3 工業建筑室內平均相對濕度以及空氣溫度情況Fig.3 Average indoor relative humidity and air temperature in industrial buildings

表3 方案實施前冷機制冷測試能效數據Tab.3 Energy efficiency data of the chiller refrigeration test before the implementation of the plan

表4 方案實施前冷源系統測試能效數據Tab.4 Energy efficiency data of cold source system test before the implementation of the plan

根據表3、表4的測試能效數據可知，實驗工業建筑空調熱舒適度不達標，在連續運行時，其能效比為2.55，說明其運行能效較低，但耗能量卻較高。此時制冷設備的具體能耗占比如圖4所示。

圖4 節能改造前制冷設備的具體能耗占比Fig.4 Specific proportion of energy consumption of refrigeration equipment before the implementation of the energy-saving transformation plan

由圖4實施節能改造方案前制冷設備的具體能耗占比數據可知，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵能耗占比偏大，水系統的實際輸配能耗占比過大。

2.2 方案實施后能效數據

利用設計的基于模擬技術的工業建筑空調節能改造方案對實驗工業建筑空調實施節能改造，改造后在同樣的實驗條件下再進行一次能效測試。測得的方案實施后的能效數據具體見表5、表6。

表5 方案實施后冷機制冷測試能效數據Tab.5 Energy efficiency data of the refrigeration test of the cooler after the implementation of the plan

根據表5、表6的測試能效數據可知，實驗工業建筑空調的能效比獲得了明顯提升，也就是其運行能效明顯升高。同時，其耗能量也大幅降低。此時制冷設備的具體能耗占比如圖5所示。

表6 方案實施后冷源系統測試能效數據Tab.6 Test energy efficiency data of cold source system after the implementation of the plan

圖5 實施節能改造方案后制冷設備的具體能耗占比Fig.5 Specific proportion of energy consumption of refrigeration equipment after the implementation of the energy-saving transformation plan

由圖5實施節能改造方案后制冷設備的具體能耗占比數據可知，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵能耗占比明顯降低，并且水系統的實際輸配能耗占比也得到了降低。

3 結語

在工業建筑空調節能改造方案的設計中應用了模擬技術，構建了工業建筑空調模型，并根據該模型對冷機、水系統以及空調與通風系統進行了節能改造，取得了良好的改造效果。由于研究時間與成本的限制，沒能進行更加深入地研究，將會在日后的研究中進行深入探究。

參考文獻(References)：

[1] 易檢長、何影、歐陽前武.基于全過程的深圳某辦公建筑節能改造技術節能量與經濟性分析[J].暖通空調，2020，50(11)：86-92.

Yi Jianchang，He Ying，Ouyang Qianwu.Energy saving and economic analysis of energy saving renovation technology of an office building in Shenzhen based on the whole process[J].Heating Ventilating & Air Conditioning，2020，50(11)：86-92.

[2] 王躍，王成勇.中央空調系統節能改造實踐及節能效果分析[J].流體機械，2020，48(10)：68-74.

Wang Yue，Wang Chengyong.Energy saving reform practice and energy saving effect analysis of central air conditioning system[J].Fluid Machinery，2020，48(10)：68-74.

[3] 俞倩，王玉剛，耿麗萍.基于PLC的中央空調制冷系統變頻控制研究[J].低溫與超導，2020，48(3)：92-97.

Yu Qqian，Wang Yugang，Geng Liping.Research on frequency conversion control of central air conditioning refrigeration system based on PLC[J].Cryogenics & Superconductivity，2020，48(3)：92-97.

[4] 李剛，佘燦明，池蘭，等.太陽能溶液除濕空調系統的室內熱舒適性模擬[J].太陽能學報，2019，40(8)：2279-2288.

Li Gang，She Canming，Chi Lan，et al.Simulation of indoor thermal comfort of solar energy solution dehumidification air conditioning system[J].Acta Energica Sinica，2019，40(8)：2279-2288.

[5] 朱世奇，陳武，楊玉潔，等.采用轉輪除濕的船用空調新風預處理方案[J].船海工程，2020，49(5)：12-15.

Zhu Shiqi，Chen Wu，Yang Yujie，et al.Fresh air pretreatment scheme for marine air-conditioning using runner dehumidification[J].Ship & Ocean Engineering，2020，49(5)：12-15.

[6] 程源，顏蘇芊，李斌，等.基于專家PID的紡織空調自控系統研究[J].棉紡織技術，2020，48(12)：35-39.

Cheng Yuan，Yan Suping，Li Bin，et al.Research on automatic control system of textile air conditioning based on expert PID[J].Cotton Textile Technology，2020，48(12)：35-39.

[7] 史紅雯.鋯化技術在空調壓縮機電泳涂裝前處理中的應用[J].電鍍與精飾，2019，41(6)：37-42.

Shi Hongwen.Application of zirconization technology in pre-treatment of electrophoresis coating for air conditioner compressor[J].Plating and Finishing，2019，41(6)：37-42.

[8] 李新，史慶國，任盤小，等.基于中央空調制冷控制系統的節能開發應用[J].現代電子技術，2020，43(5)：97-100.

Li Xin，Shi Qingguo，Ren Panxiao，et al.Development and application of energy saving based on refrigeration control system of central air conditioning[J].Modern Electronics Technique，2020，43(5)：97-100.

[9] 謝尉揚，朱寶，祝相云，等.火力發電機組凝汽器抽真空系統節能改造優選方案研究[J].熱力發電，2020，49(4)：114-118.

Xie Weiyang，Zhu Bao，Zhu Xiangyun，et al.Research on optimal scheme of energy-saving reconstruction for condenser vacuum system of thermal power generation unit[J].Thermal Power Generation，2020，49(4)：114-118.

[10] 呂潔，王旭斌，邱旭，等.基于CFD模擬的閱覽室空調方案優選[J].沈陽工業大學學報，2019，41(2)：105-111.

Lü Jie，Wang Xubin，Qiu Xu，et al.Optimization of air conditioning scheme for reading room based on CFD simulation[J].Journal of Shenyang University of Technology，2019，41(2)：105-111.

[11] 柯尊友，辛亞娟，鄭毅然，等.天津國家會展中心暖通空調系統冬季節能與防凍[J].建筑科學，2020，36(9)：98-104.

Ke Zunyou，Xin Yajuan，Zheng Yiran，et al.Energy saving and anti-freezing of HVAC system in winter of Tianjin National Convention and Exhibition Center[J].Building Science，2020，36(9)：98-104.

[12] 鄭程升.基于通風空調系統分析的烏魯木齊地鐵站臺門方案選擇[J].城市軌道交通研究，2020，23(5)：183-187.

Zheng Chengsheng.Selection of platform gate scheme of Urumqi metro station based on ventilation and air conditioning system analysis[J].Urban Mass Transit，2020，23(5)：183-187.

[13] 陳炯德，王子軒，姚曄，等.變風量空調系統用非線性模型預測控制方法研究[J].制冷學報，2019，40(6)：62-69.

Chen Jiongde，Wang Zixuan，Yao Ye，et al.Research on nonlinear model predictive control method for variable air volume air conditioning system[J].Journal of Refrigeration，2019，40(6)：62-69.

[14] 田向寧，毛穎杰，李翠敏.雙冷源梯級空調系統的節能率分析[J].流體機械，2020，48(10)：75-79.

Tian Xiangning，Mao Yingjie，Li Cuimin.Analysis of energy saving rate of double cooling cascade air conditioning system[J].Fluid Machinery，2020，48(10)：75-79.

[15] 徐青山，王棟，戴蔚鶯，等.變頻空調負荷虛擬同步機化改造及其參與微網互動調控[J].電力自動化設備，2020，40(3)：14-20.

Xu Qingshan，Wang Dong，Dai Weiying，et al.Virtual synchronization transformation of variable frequency air conditioning load and its participation in micro-grid interactive regulation[J].Electric Power Automation Equipment，2020，40(3)：14-20.

[16] 劉鵬，吳中紅，唐于寒，等.空調降溫兔舍熱回收通風設備的節能效果(英文)[J].農業工程學報，2019，35(5)：197-202.

Liu Peng，Wu Zhonghong，Tang Yuhan，et al.Energy saving effect of air conditioning cooling rabbit house heat recovery ventilation equipment[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2019，35(5)：197-202.

[17] 郭漢丁，張印賢，陳思敏.既有建筑節能改造市場主體各階段社會責任共擔演化機理[J].土木工程與管理學報，2019，36(5)：25-32.

Guo Handing，Zhang Yinxian，Chen Simin.Evolution mechanism of the social responsibility shared by the main body of the existing building energy-saving renovation market at all stages[J].Journal of Civil Engineering and Management，2019，36(5)：25-32.