上海某大廈制冷機(jī)房系統(tǒng)節(jié)能診斷分析

任天宇

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心發(fā)布的《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告（2021）》顯示，中國(guó)建筑運(yùn)行能耗占全社會(huì)總能耗的23%［1］。建筑能耗和碳排放主要來源于用電最多的季節(jié)性空調(diào)，空調(diào)能耗是建筑運(yùn)行能源消耗中最主要的組成部分，約占建筑運(yùn)行能耗的50%左右，超過了照明、電梯、辦公設(shè)備的總能耗［2-3］。制冷機(jī)房作為空調(diào)系統(tǒng)的源頭，它的節(jié)能與否是判斷建筑是否節(jié)能的關(guān)鍵。因此，制冷機(jī)房節(jié)能的意義非常重大，診斷與分析制冷機(jī)房的節(jié)能問題也顯得尤為重要與迫切。

1 工程概況

工程為上海某5A 甲級(jí)辦公樓，總建筑面積達(dá)2.8萬m2，地上18層，地下1層，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積1 639 m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.3 m，物業(yè)管理方式為第三方公司管理。辦公樓主要能源消耗類型為電力、天然氣。

大廈中央空調(diào)制冷機(jī)房設(shè)置于B1 層，空調(diào)冷源為3 臺(tái)螺桿式水冷機(jī)組，輔機(jī)包括4 臺(tái)一次冷凍泵、4臺(tái)二次冷凍泵、4臺(tái)冷卻泵、3臺(tái)冷卻塔。制冷機(jī)房設(shè)備清單見表1所示。

2 制冷機(jī)房系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

針對(duì)項(xiàng)目制冷機(jī)房部分安裝物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并于9 月25 日正式上線，現(xiàn)截取采集周期內(nèi)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集情況表

2.1 冷機(jī)運(yùn)行規(guī)律

冷機(jī)本地模式下開關(guān)記錄如表3。

表3 螺桿式水冷機(jī)組本地模式開關(guān)記錄表

可知：為迅速使大樓降溫，工作日早晨通常先開啟兩臺(tái)冷機(jī)1～3 h，隨后切換為單機(jī)運(yùn)行；除加班等特殊情況外，冷機(jī)每天6:30 左右開啟，全天運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為11 至12.5 h；節(jié)假日冷機(jī)開關(guān)時(shí)間較為靈活，根據(jù)大樓辦公需求和工程部人員響應(yīng)情況而有所不同。

根據(jù)平臺(tái)溫度數(shù)據(jù)可知（如圖1 所示）：1 號(hào)冷機(jī)冷凍出水溫度設(shè)定值為9 ℃，2 號(hào)冷機(jī)冷凍出水溫度設(shè)定值為7 ℃。

圖1 9月28日冷機(jī)冷凍水出水溫度

根據(jù)平臺(tái)功率數(shù)據(jù)可知（如圖2 所示）：1 號(hào)冷機(jī)及2號(hào)冷機(jī)9月28日當(dāng)天，在冷凍水出水溫度小于設(shè)定值時(shí)仍保持全天未卸載，可知冷機(jī)加卸載受回水溫度控制；采集階段的數(shù)據(jù)反映，大部分工作日，冷機(jī)基本保持加載運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 9月28日冷機(jī)功率

2.2 輔機(jī)運(yùn)行規(guī)律

2.2.1 一次冷凍泵

根據(jù)一次冷凍泵本地模式開關(guān)記錄可知（如表4 所示）：一次冷凍泵運(yùn)行時(shí)段基本與冷機(jī)運(yùn)行時(shí)段相吻合，略長(zhǎng)于冷機(jī)運(yùn)行時(shí)段。單臺(tái)冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，開啟兩臺(tái)一次冷凍水泵；雙臺(tái)冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，開啟三臺(tái)一次冷凍水泵。一次冷凍水泵無變頻器，運(yùn)行頻率為50 Hz，額定功率為15 kW。

表4 一次冷凍泵本地模式開關(guān)記錄

2.2.2 二次冷凍泵

根據(jù)二次冷凍泵開關(guān)記錄可知（如表5 所示）：二次冷凍水泵運(yùn)行時(shí)間基本與冷機(jī)運(yùn)行時(shí)段相吻合，工作日常開三臺(tái)二次冷凍水泵；所有二次冷凍水泵均配置有變頻器，運(yùn)行頻率設(shè)置為48.9 Hz，額定功率均為18.5 kW。

表5 二次冷凍泵本地模式開關(guān)記錄

2.2.3 冷卻泵

根據(jù)冷卻泵本地模式開關(guān)記錄可知（如表6 所示）：冷卻泵運(yùn)行時(shí)段與冷機(jī)運(yùn)行時(shí)段基本吻合，單臺(tái)冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，開啟兩臺(tái)冷卻泵；雙臺(tái)冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，開啟三臺(tái)冷卻泵。冷卻泵無變頻器，運(yùn)行頻率為50 Hz，額定功率為37 kW。

表6 冷卻泵本地模式開關(guān)記錄

2.2.4 冷卻塔

冷卻塔風(fēng)機(jī)根據(jù)冷卻水供回水溫度進(jìn)行啟停控制，同時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)配置的雙速電機(jī)會(huì)根據(jù)相應(yīng)條件進(jìn)行高低速切換。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，冷卻塔高低速運(yùn)行功率如下所述：1 號(hào)冷卻塔風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)段平均功率為14.41 kW，低速運(yùn)行時(shí)段平均功率為4.64 kW；2號(hào)冷卻塔風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)段平均功率為13.95 kW，低速運(yùn)行時(shí)段平均功率為4.18 kW；3 號(hào)冷卻塔風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)段平均功率為13.06 kW，低速運(yùn)行時(shí)段平均功率為4.30 kW。

2.3 管路特性

根據(jù)采集階段的平臺(tái)溫度數(shù)據(jù)可知（如圖3所示）：冷機(jī)出水溫度與二次側(cè)供水溫度存在較大溫差。以9 月26 日和9 月27 日為例，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，冷機(jī)出水溫度與二次側(cè)供水溫度溫差在4 ℃以上。

圖3 冷機(jī)出水溫度與二次側(cè)供水溫度

根據(jù)采集階段的平臺(tái)溫度數(shù)據(jù)可知（如圖4所示）：二次側(cè)供回水溫差較小。以9 月26 日和9 月27 日為例，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)供回水溫差在0.8 ℃以下。

圖4 二次側(cè)供水溫與二次側(cè)回水溫

根據(jù)采集階段的平臺(tái)溫度數(shù)據(jù)可知（如圖5 所示）：冷卻水供回水溫差較小。以9月27日為例，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，冷卻水供回水溫差在3 ℃以下。

圖5 9月27日冷卻水出水溫與冷卻水回水溫

2.4 系統(tǒng)能耗情況

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)各用電設(shè)備進(jìn)行了用電量計(jì)量，現(xiàn)將9月25日-10月11日采集數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表7 制冷機(jī)房設(shè)備用電量計(jì)量表(單位：kWh)

根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)可知（如表7、圖6所示）：各設(shè)備用能結(jié)構(gòu)相對(duì)合理。

圖6 制冷機(jī)房系統(tǒng)設(shè)備用能占比

3 系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

3.1 冷凍水側(cè)

現(xiàn)象一：冷機(jī)出水溫度與二次側(cè)供水溫度溫差較大，二次冷凍泵設(shè)定頻率較高，二次側(cè)供回水溫差較小。

節(jié)能潛力分析：二次側(cè)流量過大，導(dǎo)致一次側(cè)、二次側(cè)流量配比不平衡，冷機(jī)制冷量無法完全釋放［4］。通過優(yōu)化一次冷凍泵及二次冷凍泵開啟數(shù)量、調(diào)整二次冷凍泵運(yùn)行頻率，從而使一次冷凍泵、二次冷凍泵流量達(dá)到相對(duì)平衡，冷機(jī)產(chǎn)生的高品質(zhì)冷量得以輸配至二次側(cè)。

現(xiàn)象二：冷機(jī)出水溫度設(shè)定值較低，長(zhǎng)時(shí)間處于加載狀態(tài)。

節(jié)能潛力分析：由于回水溫度高，供回水溫差大，冷機(jī)長(zhǎng)時(shí)間保持加載狀態(tài)，在系統(tǒng)管路輸配問題得到解決后，在保證二次側(cè)供水溫度的前提下，可以動(dòng)態(tài)優(yōu)化出水溫度設(shè)定值［5］，從而提升冷機(jī)效率并且減小冷機(jī)供回水溫差，使冷機(jī)可進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能效果。

現(xiàn)象三：冷機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，相同參數(shù)冷機(jī)耗電量不一致。

節(jié)能潛力分析：冷機(jī)內(nèi)部運(yùn)行邏輯設(shè)定及效率存在差異，同時(shí)冷機(jī)之間的管路連接特性存在一定差異，對(duì)冷機(jī)進(jìn)行設(shè)備尋優(yōu)，盡量多開啟效率較高的主機(jī)，可減少冷機(jī)能耗。

3.2 冷卻水側(cè)

現(xiàn)象一：冷卻水供回水溫差較小，冷卻泵運(yùn)行功率大。

節(jié)能潛力分析：冷卻水供回水溫差較小，是由于冷卻水流量存在過供應(yīng)問題，調(diào)整冷卻水流量［6-7］，加裝冷卻泵變頻器，降低冷卻泵運(yùn)行頻率，改善冷卻水過供應(yīng)問題，減少冷卻泵能耗。

現(xiàn)象二：冷卻泵未及時(shí)關(guān)閉，啟停時(shí)間與冷機(jī)不一致，導(dǎo)致浪費(fèi)。

節(jié)能潛力分析：由于人力管理的缺陷，導(dǎo)致了冷卻泵未能及時(shí)停機(jī)，引入智能管控，與冷機(jī)關(guān)聯(lián)啟動(dòng)，防止工作人員忘記或者未及時(shí)關(guān)泵等誤操作，及時(shí)停止冷卻泵運(yùn)行，可減少冷卻泵能耗。

現(xiàn)象三：冷機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷波動(dòng)受冷卻塔啟停及風(fēng)機(jī)電機(jī)高低速切換影響。

節(jié)能潛力分析：冷機(jī)能效受冷卻塔控制影響較大，冷卻塔控制不合理，需根據(jù)冷機(jī)效率變化，重新確定冷卻塔控制邏輯，使冷機(jī)效率始終維持在高效區(qū)間，冷卻塔控制存在優(yōu)化空間。

4 節(jié)能優(yōu)化方案及節(jié)能分析

基于上述第3 章的節(jié)能潛力分析，采取以下節(jié)能控制策略。

4.1 冷機(jī)節(jié)能

優(yōu)化方案1：動(dòng)態(tài)調(diào)整冷機(jī)出水溫度設(shè)定值

鑒于目前二次側(cè)供水溫12 ℃仍能匹配末端需求的現(xiàn)狀，冷量輸配問題解決后，冷機(jī)設(shè)定溫度可由7～9 ℃調(diào)整至10 ℃及以上，減小供回水溫差，使冷機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，增加待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到節(jié)能效果。

優(yōu)化方案2：冷機(jī)尋優(yōu)

根據(jù)目前采集階段數(shù)據(jù)可知冷機(jī)之間存在效率差異，引入智控手段可調(diào)整冷機(jī)設(shè)定，根據(jù)數(shù)據(jù)分析冷機(jī)性能，完成冷機(jī)尋優(yōu)。

預(yù)計(jì)實(shí)施以上措施，冷機(jī)節(jié)能率可達(dá)15%。根據(jù)分項(xiàng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)，冷機(jī)年用電量34.8 萬kWh，節(jié)電量約5.2萬kWh。

4.2 冷凍泵節(jié)能

優(yōu)化方案1：一次冷凍泵與冷機(jī)關(guān)聯(lián)啟停

根據(jù)采集階段數(shù)據(jù)可知，在冷機(jī)由雙臺(tái)切換為單臺(tái)時(shí)，一次冷凍泵會(huì)減少運(yùn)行臺(tái)數(shù)，本操作受工作人員影響較大，往往停泵不及時(shí)（9 月26 日、9 月30 日）。引入智能管控，使一次泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)與冷機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)關(guān)聯(lián)，對(duì)冷機(jī)、冷凍泵進(jìn)行啟停跟蹤，做到機(jī)組的智能啟停，防止工作人員忘記或者未及時(shí)關(guān)泵等誤操作，可減少一次冷凍泵能耗。

優(yōu)化方案2：二次冷凍泵與冷機(jī)關(guān)聯(lián)啟停

根據(jù)采集階段數(shù)據(jù)可知，在冷機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，二次冷凍泵曾出現(xiàn)忘記關(guān)泵的失誤（9 月24 日-9 月25日），引入智能管控，對(duì)冷機(jī)、冷凍泵進(jìn)行啟停跟蹤，做到機(jī)組的智能啟停，防止工作人員忘記或者未及時(shí)關(guān)泵等誤操作，可減少二次冷凍泵能耗。

優(yōu)化方案3：二次冷凍泵降頻運(yùn)行

目前工作日常見的工況為兩臺(tái)一次冷凍泵對(duì)應(yīng)三臺(tái)二次冷凍泵，通過對(duì)二次冷凍泵進(jìn)行頻率調(diào)整，使一次冷凍泵、二次冷凍泵流量達(dá)到相對(duì)平衡，減少二次冷凍泵能耗。

預(yù)計(jì)實(shí)施以上措施，冷凍泵節(jié)能率可達(dá)20%。根據(jù)分項(xiàng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)，冷凍泵年用電量12.2 萬kWh，節(jié)電量約2.4萬kWh。

4.3 冷卻泵節(jié)能

優(yōu)化方案：規(guī)范冷卻泵運(yùn)行和降頻運(yùn)行

根據(jù)采集階段數(shù)據(jù)可知，中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水供回水溫差較小，在雙臺(tái)冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，開啟兩臺(tái)冷卻泵就能使冷卻水供回水溫差降低至3 ℃以下（9 月27 日），在加裝變頻器后，物聯(lián)網(wǎng)智控系統(tǒng)可以對(duì)濕球溫度、冷卻水供回水溫度進(jìn)行跟蹤，據(jù)此智能調(diào)控冷卻泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)并降低冷卻泵運(yùn)行頻率，減少冷卻泵能耗。

預(yù)計(jì)實(shí)施以上措施，冷卻泵節(jié)能率可達(dá)30%，根據(jù)分項(xiàng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)冷卻泵年用電量12.9萬kWh，節(jié)電量約3.9萬kWh。

4.4 冷卻塔節(jié)能

優(yōu)化方案：冷卻塔智能啟停和風(fēng)機(jī)高低速切換

物聯(lián)網(wǎng)智控系統(tǒng)可以對(duì)冷機(jī)、冷卻塔進(jìn)行啟停跟蹤，及時(shí)關(guān)塔，防止因關(guān)塔不及時(shí)造成浪費(fèi)，并通過專家規(guī)則，結(jié)合冷機(jī)能耗進(jìn)行風(fēng)機(jī)高低速切換。

預(yù)計(jì)實(shí)施以上措施，冷卻塔不產(chǎn)生節(jié)電量，節(jié)電量在冷機(jī)側(cè)體現(xiàn)，冷機(jī)節(jié)能率提高2%。根據(jù)分項(xiàng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)冷機(jī)年用電量34.8 萬kWh，節(jié)電量約0.7萬kWh。

根據(jù)項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀和節(jié)能潛力分析，項(xiàng)目將采用新建物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)的方式，利用硬件設(shè)備，搭建一套完整的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)字化、參數(shù)調(diào)整的智能化和管理的便利化。通過對(duì)大廈制冷機(jī)房新增物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，制冷機(jī)房預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量12.2 萬kWh，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約35.2 tce，改造后制冷機(jī)房系統(tǒng)綜合節(jié)能率19.1%。

5 結(jié)論

通過對(duì)安裝在制冷機(jī)房的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能診斷分析，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目制冷機(jī)房?jī)?nèi)的主機(jī)和輔機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題進(jìn)行了節(jié)能潛力分析，并提出相應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化控制策略，最后在制冷機(jī)房安裝一套物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過對(duì)制冷機(jī)房系統(tǒng)實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能優(yōu)化，改造后制冷機(jī)房系統(tǒng)綜合節(jié)能率19.1%，為既有建筑的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗提供了一種高效可行的解決方案。