青島市既有辦公建筑冷源系統運行調研分析

孫銳 崔紅社* 李言永 吳筱晗 馬倩倩

1 青島理工大學環境與市政工程學院

2 青島理工大學建設工程監理咨詢公司

0 引言

2020 年9 月，習近平總書記提出“中國將力爭2030 年前達到二氧化碳排放量峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。這一重要宣示為我國應對氣候變化、綠色低碳發展提供了方向指引，同時也對節能減排的工作提出了更高的要求。我國目前既有公共建筑面積達128 億m2，占建筑總量的21%，其消耗了建筑總能耗的33%[1]。暖通空調系統能耗作為公共建筑能耗的主要組成部分，其占比通常可達30%～40%[2]。在暖通空調系統設計過程中，設計負荷過大、設備選型不合理、運行調試不科學等原因導致空調系統能耗一直居高不下。對既有公共建筑實際運行進行調研與分析，能有效指導建筑冷熱源系統改造、運行控制策略的設計，減少能源消耗，降低碳排放。

趙云峰對青島市17 棟辦公建筑進行調研，得出辦公建筑單位面積空調能耗均值為20.1 kWh/(m2·a)[3]。阮應君等基于青島市40 棟機關辦公建筑能源審計調查數據，得到青島市政府辦公建筑單位面積年能耗均值為49.1 kWh/(m2·a)，其中以螺桿式冷水機組為冷源的中央空調冷源系統能耗量占建筑總能耗30%[4]。

前述學者的研究過程著重于辦公建筑整體能耗，未對空調冷源系統實際運行冷負荷、冷源設備能耗及分項能耗等作詳細分析。本文基于青島市5 棟辦公建筑2020 年制冷季的運行數據，得出既有辦公建筑中央空調冷源系統的實際運行冷指標，分析制冷機組性能，可以為設計人員合理的選型及經濟性分析提供相關參考。

1 辦公建筑制冷季運行數據采集

本次運行調研及分析的對象為青島市5 棟圍護結構形式相近、空調能源形式相同的辦公建筑。集中式中央空調冷源均為螺桿式冷水機組。室內采用風機盤管降溫，無新風系統。建筑的入駐率為70%～80%。具有較強相似性。表1 為5 棟建筑的概況以及冷源系統概況。

表1 各項目用能形式及設計指標

對A-E 項目中央空調冷源系統2020 年制冷季的運行數據進行采集，空調運行時間為7 月1 日-9 月30 日，系統間歇運行，時間為8:00-18:00。數據采集設備如表2，采集時間間隔為1 h。各項目的現場配置有以PLC 為控制中心的冷源系統群控系統，數據采集設備與PLC 連接，通過PLC 控制器收集數字模擬信號，進行數據處理及傳輸[5]。

表2 采集數據及數據采集設備

2 辦公建筑運行負荷指標

為保證數據分析結果的正確性、準確性，對所采集數據進行處理，剔除空白點及異常點。本文所采集的冷負荷數據為冷負荷供應量，由于建筑物空調實際需求負荷無法測量，當達到供需平衡時，可用空調系統的實際負荷供應量代替需求量[6]。冷負荷計算公式為：

式中：q 為系統制冷量，即實際的冷負荷，kW；c 為水的比熱，為常數，4.2 kJ/(kg·℃)；m 為冷凍水的流量，kg/s；tH、tG分別為空調系統回水、供水溫度，℃。

按照式（1）計算得到A-E5 棟辦公建筑的制冷季逐時負荷。圖1、2 以項目E 為例分析其制冷季逐時負荷情況。由圖1 可得項目E 單位面積負荷范圍為8～50.7 W/m2，單位面積平均負荷為24.1 W/m2，尖峰負荷出現在8 月份。圖2 可得，系統96%的時間運行在75%負荷以下，主機大多數時間在低負載狀態運行，制冷效率較低，需通過水泵變頻變流量等控制方式在負荷變化時及時調整供冷量以達到節能減排目的[7]。

圖1 項目E 制冷季單位面積逐時冷負荷

圖2 項目E 冷負荷頻率直方圖

表3 為除項目E 以外其余各項目的單位面積逐時冷負荷及最大冷負荷。表中數據顯示，建筑單位面積平均冷負荷為15-30 W/m2之間，最大單位面積冷負荷在45-60 W/m2之間，實際運行負荷指標均低于建筑設計冷指標。主要原因有：1）夏季空調室外設計干球溫度采用歷年平均不保證50 小時的干球溫度且冷源設備設計選型時留有余量。2）隨著國家對LED 燈具的推廣，諸多公共建筑進行了照明系統改造，LED 燈具較傳統燈具相比，其發熱量僅是金屬鹵化物燈的30%甚至更低[8]。3）由于天氣污染致使霧霾多發，霧霾對太陽輻射具有減弱作用，導致太陽輻射所形成的負荷減小。因此在對既有辦公建筑中央空調冷源系統改造項目的冷負荷設計時，需綜合考慮圍護結構參數、建筑使用情況及天氣情況進行準確的建筑冷負荷模擬，以在保證室內熱舒適的同時減少初投資及運行費用。本結果基于青島市既有辦公項目的中央空調系統運行數據，可為設計選型提供參考。

表3 A-D 各項目制冷季逐時單位面積冷負荷及最大冷負荷

3 中央空調冷源系統運行能耗

本次所進行調研的5 棟辦公樓中央空調冷源系統形式相同，如圖3。制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔一一對應。現場設備控制方式為：根據現場PLC 所采集數據實時計算建筑負荷率，當建筑負荷率小于50%時，運行單臺機組。當建筑負荷率處于50%～100%時，運行兩臺機組，負載平均。

圖3 空調冷源系統原理圖

制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔耗電量采用單獨電表計量，通過智能電表采集耗電量并通過PLC 中心進行數據傳輸。圖4 為A-E5 棟辦公建筑冷源系統各設備制冷季耗電量指標。由圖4 可得，在冷源系統中，制冷機組耗電量占比最大，冷凍水泵、冷卻水泵耗電量占比相當。所調研5 個項目的冷源系統單位面積平均日能源消耗為0.057 kWh。對5 棟建筑進行統計得出冷源系統各設備耗電量分項餅圖，如圖5。在以螺桿式冷水機組作為冷源的制冷系統中，制冷主機耗電量占比61%，冷凍水泵與冷卻水泵占比34%，冷卻水塔能耗占比為5%。由于空調水系統采用定流量方式運行，且運行時間長，導致水泵耗電占比大。

圖4 A-E 各項目耗電指標

圖5 冷源系統各設備耗電量占比

4 冷源系統性能分析

對冷源系統運行性能進行分析，是設計運行控制策略與系統調試的基礎。冷水機房綜合能效EER 及制冷機組名義工況性能系數COP 是評價制冷系統性能的重要指標。

冷水機房綜合能效（EER）定義為制冷機組提供的冷量與冷源系統整體能耗之比，計算公式為：

式中：Q 為制冷量，kWh；W1、W2、W3、W4為分別制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔耗電量，kWh。

制冷機組名義工況性能系數（COP）定義為制冷機組所提供制冷量與其自身耗電量之比，計算公式為：

圖6 為A-E5 各項目制冷系統平均EER 與COP柱狀圖。根據美國采暖、制冷與空調工程師學會（ASHRAE）提出的標準，“冷水機房全年綜合能效”在5.0 以上的為高效機房，綜合能效在3.5 以下的為需要改造的機房。由圖可得，所調研5 個項目冷水機房綜合能效均在3.5～5.0 之間，未達到高效機房標準，需采取智能控制手段實現機房能效的提升。

圖6 各項目平均EER、COP

制冷主機的能耗是公共建筑空調系統能耗的重要組成部分，其運行效率對空調系統的整體效率有顯著影響[9]。所調研5 個項目均采用螺桿式冷水機組作為冷源，所用制冷機組品牌不同，標稱能效不同，其中項目E 水冷螺桿式冷水機組為一級能效，其余均為二級能效。由圖6 得，E 項目冷水機組能效等級達一級，B 項目冷水機組能效等級達二級，其余項目冷水機組能效均為三級[10]，低于其標稱能效。

制冷機組的能耗及其運行效率對空調系統的整體能耗及運行有重要影響。以額定COP 為6.0 的制冷主機作為冷源的制冷機房，若要EER 達高效機房標準5.0，需提高制冷機組能耗占比至83%，降低水泵、冷卻水塔能耗占比至17%。通過選擇高效水泵、并為水泵及冷卻水塔增設變頻器，使設備功耗隨負荷的變化適時調整，實現水泵及冷卻水塔的降耗。

為分析制冷機組實際運行情況與樣本標稱性能的差距，將廠家提供的制冷主機選型曲線繪制于坐標軸，其中橫坐標為主機負載率，縱坐標為主機的COP，不同顏色的曲線為7 ℃冷凍水出水溫度、不同冷卻水回水溫度下的主機COP。將所采集數據按照不同負荷率、不同冷卻水回水溫度下主機實際運行COP 繪制于坐標軸中，以散點圖形式表示，不同顏色代表不同冷卻水出水溫度。以E 項目為例，圖7 為E 項目2#主機實際運行COP 與樣本標稱COP 對比圖。

圖7 項目E2#機組運行數據對標圖

由圖7 可得，實際運行狀態點COP 與冷水機組的標稱值均有較大的偏差，50%的工作點的COP 低于標稱值曲線上的COP，制冷主機未達到額定出力。制冷主機廠家應以COP 作為擔保全程參與制冷主機銷售及調試，以保證冷水機組達到標稱運行性能。用戶在使用制冷主機時也應關注制冷主機能效問題，以促使制冷主機廠家調試設備性能，提高制冷能效。

5 結論

本文通過對青島市5 棟既有辦公建筑中央空調冷源系統運行的調研及分析，得出以下結論，可以為青島市同類型辦公建筑冷源系統改造選型、運行分析提供參考。

1）青島市既有辦公建筑冷源系統實際運行冷負荷為45-60 W/m2。既有辦公建筑應按照建筑實際使用情況進行負荷模擬指導冷源系統設計，以在保證室內熱舒適的同時減少初投資及運行費用。

2）以螺桿式冷水機組作為冷源的冷源系統運行能耗為0.04-0.08 kWh/(m2·天)，其中冷水機組占比61%，冷凍水泵與冷卻水泵占比34%。主機長期運行在75%負載以下，需通過變頻等智能控制手段進一步減少運行費用，提高系統制冷能效。

3）冷水機組實際運行COP 在50%的時間里低于主機標稱COP，主機廠家應以保證COP 為承諾參與主機的銷售及調試，用戶應關注系統運行實際狀態，以提高制冷能效，減少碳排放。