上海市某超高層辦公樓空調(diào)系統(tǒng)調(diào)適

董國(guó)強(qiáng) 江吉華 蔡正乾

(阿特金斯顧問(wèn)(深圳)有限公司上海分公司,上海)

0 引言

隨著碳中和目標(biāo)的日益細(xì)化,近年來(lái)政府為開(kāi)展公共建筑節(jié)能減排出臺(tái)了相關(guān)政策支持文件,并組織行業(yè)專(zhuān)家編制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1-2]、開(kāi)展科研課題,推進(jìn)新建和既有公共建筑機(jī)電系統(tǒng)的調(diào)適。新規(guī)范明確要求100 000 m2以上公共建筑應(yīng)進(jìn)行集中空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)適[1]。建設(shè)方為提升項(xiàng)目品質(zhì),在越來(lái)越多的新建項(xiàng)目上聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)顧問(wèn)人員開(kāi)展機(jī)電系統(tǒng)調(diào)適。因空調(diào)系統(tǒng)能耗占公共建筑總能耗的30%～50%[3],且易出現(xiàn)舒適性問(wèn)題,既有公共建筑的業(yè)主選擇對(duì)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施調(diào)適,解決日常運(yùn)行問(wèn)題并提升系統(tǒng)節(jié)能性。總體而言,建筑行業(yè)愈發(fā)重視機(jī)電系統(tǒng)調(diào)適。

該項(xiàng)目建筑為上海市某超高層高檔辦公樓,已交付使用5年多。因冬季較多樓層空調(diào)供暖效果差,業(yè)主通過(guò)對(duì)某些設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整也未解決該問(wèn)題,決定聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測(cè),開(kāi)展空調(diào)系統(tǒng)調(diào)適,以達(dá)到空調(diào)水流量、水溫和室內(nèi)溫度等設(shè)計(jì)指標(biāo),提高冬季空調(diào)舒適度。在梳理該項(xiàng)目空調(diào)冷熱水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀后,專(zhuān)業(yè)人員針對(duì)運(yùn)行問(wèn)題幫助物業(yè)實(shí)施了設(shè)備整改、自控運(yùn)行調(diào)適。該項(xiàng)目空調(diào)冷熱系統(tǒng)為常規(guī)典型設(shè)計(jì),其運(yùn)行調(diào)適經(jīng)驗(yàn)對(duì)類(lèi)似辦公樓建筑具有一定參考意義。

1 空調(diào)供熱系統(tǒng)調(diào)適

如圖1所示,該項(xiàng)目空調(diào)熱源為鍋爐,設(shè)計(jì)供/回水溫度為95 ℃/70 ℃;熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)板式換熱器將鍋爐側(cè)和用戶側(cè)分隔,用戶側(cè)主要分為高、低區(qū)板式換熱器系統(tǒng),低區(qū)熱水板式換熱器的二次側(cè)設(shè)計(jì)供水溫度為60 ℃,直接供應(yīng)低區(qū)空調(diào)末端;高區(qū)一級(jí)熱水板式換熱器的二次側(cè)設(shè)計(jì)供/回水溫度為90 ℃/65 ℃,供應(yīng)至設(shè)備層二級(jí)熱水板式換熱器,換熱成60 ℃熱水再供應(yīng)高區(qū)空調(diào)末端。

圖1 空調(diào)熱水系統(tǒng)圖

1.1 熱水系統(tǒng)清洗

針對(duì)冬季較多樓層空調(diào)供熱效果差的問(wèn)題,該項(xiàng)目對(duì)空調(diào)熱水系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)熱水系統(tǒng)流量不足。經(jīng)檢測(cè),熱水泵性能正常,進(jìn)一步檢測(cè)后確認(rèn)了熱水板式換熱器及部分過(guò)濾器臟堵,部分測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,額定流量下低區(qū)板式換熱器二次側(cè)進(jìn)出水壓降偏大,達(dá)到10 m,超過(guò)額定值近1倍。系統(tǒng)臟堵導(dǎo)致了最大負(fù)荷運(yùn)行工況下,高低區(qū)板式換熱器一次側(cè)鍋爐熱水總流量為設(shè)計(jì)值的58%,低區(qū)板式換熱器二次側(cè)空調(diào)末端熱水總流量?jī)H為設(shè)計(jì)值的33%。為解決臟堵問(wèn)題,物業(yè)組織維保單位拆洗板式換熱器,并對(duì)低區(qū)板式換熱器二次水管路進(jìn)行了化學(xué)沖洗,使熱水系統(tǒng)總流量達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),保證了各樓層空調(diào)末端的熱水流量需求。

表1 調(diào)適前低區(qū)板式換熱器二次側(cè)額定流量下壓差檢測(cè)結(jié)果

1.2 熱水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)適

在熱水流量恢復(fù)正常后,該項(xiàng)目對(duì)熱水泵和熱水板式換熱器的運(yùn)行使用進(jìn)行了調(diào)整。

1) 調(diào)整鍋爐熱水泵的運(yùn)行控制。調(diào)整前熱水泵與鍋爐啟停連鎖,當(dāng)鍋爐熱水溫度達(dá)到設(shè)定溫度95 ℃停機(jī)后,鍋爐熱水泵也會(huì)全部停止,導(dǎo)致板式換熱器一次側(cè)不能持續(xù)穩(wěn)定地向二次側(cè)供熱,一段時(shí)間后二次側(cè)熱水溫度明顯低于設(shè)定要求,影響了空調(diào)機(jī)組供熱,需要物業(yè)手動(dòng)開(kāi)啟熱水泵設(shè)備。該項(xiàng)目調(diào)整了熱水泵連鎖程序,當(dāng)最后1臺(tái)鍋爐停止運(yùn)行后,對(duì)應(yīng)的熱水泵保持運(yùn)行,保證了一次側(cè)熱水持續(xù)向各臺(tái)板式換熱器穩(wěn)定供熱。

2) 調(diào)整二次側(cè)水泵變頻程序。該項(xiàng)目低區(qū)熱水泵為變頻水泵,但2臺(tái)水泵變頻運(yùn)行時(shí)不同頻,導(dǎo)致頻率低的水泵輸出不足,故對(duì)水泵變頻控制程序進(jìn)行了檢查調(diào)整,保證水泵同頻運(yùn)行,提升了水泵運(yùn)行性能。

3) 調(diào)整板式換熱器出水溫度。調(diào)適前高區(qū)一級(jí)板式換熱器設(shè)定出水溫度與低區(qū)板式換熱器同為60 ℃,但低區(qū)板式換熱器二次側(cè)熱水直接供應(yīng)空調(diào)末端,而高區(qū)一級(jí)板式換熱器二次側(cè)熱水供應(yīng)至設(shè)備層高區(qū)二級(jí)板式換熱器,經(jīng)換熱后再供應(yīng)末端,如果一級(jí)板式換熱器設(shè)定出水溫度為60 ℃,將會(huì)降低二級(jí)板式換熱器出水溫度,影響高區(qū)末端供熱,故該項(xiàng)目將高區(qū)一級(jí)板式換熱器在寒冷天氣時(shí)的出水溫度調(diào)整為80 ℃。

經(jīng)過(guò)以上調(diào)整,整個(gè)熱水系統(tǒng)的溫度更加穩(wěn)定、合理,保證了空調(diào)末端的供熱需求,冬季室外氣溫近0 ℃時(shí)檢查了各樓層空調(diào)的送風(fēng)溫度和室內(nèi)溫度,均達(dá)到了設(shè)定值,提升了業(yè)主和各租戶的空調(diào)滿意度。

2 空調(diào)制冷系統(tǒng)調(diào)適

該項(xiàng)目空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷源為3臺(tái)離心式冷水機(jī)組和1臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組,冷水系統(tǒng)為二級(jí)泵系統(tǒng),一級(jí)冷水泵定頻,二級(jí)冷水泵變頻,分集水器間設(shè)計(jì)了平衡管,保證一次水流量達(dá)到冷水機(jī)組額定流量;同熱水系統(tǒng)相似,由于樓層較多,二次水分為高、低區(qū)系統(tǒng),高區(qū)系統(tǒng)在大樓中間設(shè)備層設(shè)置了冷水板式換熱器。

2.1 制冷設(shè)備整改

該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)制冷系統(tǒng)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在以下問(wèn)題,由物業(yè)進(jìn)行了相應(yīng)整改。

1) 如表2所示,整改前該項(xiàng)目螺桿式冷水機(jī)組夏季運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)溫度最低僅為0.8 ℃,影響冷水機(jī)組能效,檢測(cè)實(shí)際COP為4.35。物業(yè)聯(lián)合廠家對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行調(diào)適,經(jīng)過(guò)更換潤(rùn)滑油、添加制冷劑、清洗蒸發(fā)器換熱管后,將蒸發(fā)溫度提高到了4 ℃以上,實(shí)際COP也提升到了5.49,冷水機(jī)組運(yùn)行能效和安全性有明顯改善,以螺桿式冷水機(jī)組平均負(fù)載率70%、年運(yùn)行500 h、節(jié)能率15%進(jìn)行估算,全年可節(jié)電11 550 kW·h。

表2 螺桿式冷水機(jī)組性能檢測(cè)

2) 如表3所示,整改前檢查發(fā)現(xiàn)1臺(tái)小冷卻水泵和1臺(tái)高區(qū)一級(jí)冷水泵運(yùn)行異常,經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際流量很低;通過(guò)檢查水泵前后壓力發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器臟堵,清洗后水泵流量恢復(fù)正常。

表3 小冷卻水泵整改前后測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 自控系統(tǒng)調(diào)適

2.2.1水泵運(yùn)行調(diào)適

該項(xiàng)目空調(diào)水泵運(yùn)行能耗偏高,一是由于個(gè)別水泵因過(guò)濾器臟堵“出工不出力”,運(yùn)行效率低;二是因自控程序編寫(xiě)錯(cuò)誤,螺桿式冷水機(jī)組的備用水泵也同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟;三是因二級(jí)水泵變頻程序未調(diào)適合格,當(dāng)頻率自動(dòng)微調(diào)時(shí)水泵就會(huì)頻繁啟停,導(dǎo)致物業(yè)人員只能強(qiáng)制工頻使用,大部分時(shí)間空調(diào)水流量大于需求,末端空調(diào)箱大部分電動(dòng)水閥長(zhǎng)時(shí)間關(guān)小,強(qiáng)制限流。上述問(wèn)題導(dǎo)致了水泵能耗的增大,本次調(diào)適首先清理了水泵過(guò)濾器,減少了水泵運(yùn)行數(shù)量,然后由維保單位檢查修正了變頻程序并更換了出現(xiàn)故障的壓力傳感器,使水泵頻率控制平穩(wěn),供回水壓差穩(wěn)定在設(shè)定值。如表4所示,空調(diào)水泵運(yùn)行調(diào)適取得了較高的節(jié)能收益,經(jīng)計(jì)算每年運(yùn)行1 000 h可節(jié)約水泵用電約82 100 kW·h,按照上海市2022年電力碳排放因子計(jì)算,年減碳量共34.5 t。

表4 水泵調(diào)適節(jié)能計(jì)算

2.2.2冷卻塔運(yùn)行調(diào)適

原自控程序啟停冷卻塔風(fēng)機(jī)過(guò)快,冷卻水溫度超過(guò)設(shè)定值后,短時(shí)間增加了多臺(tái)風(fēng)機(jī),冷卻水溫度持續(xù)下降;低于設(shè)定值后,冷卻塔快速減機(jī),水溫復(fù)又升高,導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定,冷卻效率也低。本次調(diào)適由廠家對(duì)程序進(jìn)行了調(diào)整,增大了加減機(jī)的時(shí)間間隔,使冷卻塔運(yùn)行趨向穩(wěn)定,冷卻水溫度也不再一直波動(dòng)。

3 未來(lái)節(jié)能提升

因空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)缺少一些必要的自控系統(tǒng)溫度傳感器和電動(dòng)閥,該項(xiàng)目空調(diào)制冷系統(tǒng)的自控調(diào)適未達(dá)到最優(yōu)效果,故提出了以下幾點(diǎn)優(yōu)化建議,由業(yè)主未來(lái)選擇實(shí)施。

3.1 增加高低區(qū)冷水溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

該項(xiàng)目高區(qū)和低區(qū)二次冷水管路未設(shè)計(jì)樓宇自控系統(tǒng)(BA)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,集水器各回水管路也未安裝溫度表。此設(shè)計(jì)缺失會(huì)影響二次冷水系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè),無(wú)法準(zhǔn)確了解高區(qū)和低區(qū)的回水溫度,不便于二次水系統(tǒng)調(diào)適。當(dāng)二次冷水流量高于一次水時(shí),部分二次回水會(huì)通過(guò)平衡管與冷水機(jī)組出水混合,升高分水器供水溫度,使空調(diào)末端對(duì)二次水流量需求變大,增大水泵能耗。因此建議增加相應(yīng)的自控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,通過(guò)回水溫度隨時(shí)了解各區(qū)流量需求,使各組水泵更加準(zhǔn)確地變頻運(yùn)行,保持二次水總流量接近一次水流量。

3.2 調(diào)整水泵變頻程序

該項(xiàng)目冷水泵變頻均為壓差控制,由于壓差控制能更加靈敏地匹配末端流量需求,因此逐漸取代了溫差控制方式,成為多數(shù)民用建筑冷水系統(tǒng)的變頻方式,但并不是所有水泵變頻控制的最優(yōu)選擇。該項(xiàng)目高區(qū)冷水通過(guò)制冷機(jī)房單獨(dú)的1組變頻水泵輸送到設(shè)備層高區(qū)板式換熱器進(jìn)行供冷,自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)板式換熱器一次側(cè)電動(dòng)閥開(kāi)度,使板式換熱器二次側(cè)出水溫度穩(wěn)定在設(shè)定值;同時(shí)自控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)板式換熱器一次側(cè)供回水壓差的變化,調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)水泵頻率。此設(shè)計(jì)是目前常規(guī)設(shè)計(jì),筆者認(rèn)為如果將壓力傳感器改為溫度傳感器,并將一次側(cè)電動(dòng)閥保持全開(kāi),避免閥門(mén)節(jié)流損失,通過(guò)監(jiān)測(cè)板式換熱器一次側(cè)供回水溫差來(lái)調(diào)節(jié)水泵變頻,將取得更好的水泵節(jié)能效果。

3.3 增加冷卻塔出水電動(dòng)閥

該項(xiàng)目各開(kāi)式冷卻塔進(jìn)水管設(shè)計(jì)了電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥,但出水管未設(shè)計(jì),如果關(guān)閉進(jìn)水電動(dòng)閥,冷卻塔不進(jìn)水、只出水,會(huì)導(dǎo)致冷卻塔液面降低后自動(dòng)補(bǔ)水,浪費(fèi)水資源。目前部分進(jìn)水電動(dòng)閥執(zhí)行器也出現(xiàn)故障,無(wú)法遠(yuǎn)程控制,故進(jìn)水電動(dòng)閥均常開(kāi)。夏季部分負(fù)荷時(shí),風(fēng)扇已停止的冷卻塔仍進(jìn)出水,使得風(fēng)扇在運(yùn)行的冷卻塔流量變低,影響冷卻塔冷卻效果。針對(duì)該設(shè)計(jì)缺陷,建議未來(lái)增加冷卻塔出水電動(dòng)閥,檢修故障的進(jìn)水電動(dòng)閥,恢復(fù)BA控制,實(shí)現(xiàn)根據(jù)冷卻水溫度決定冷卻塔運(yùn)行數(shù)量;關(guān)閉不運(yùn)行冷卻塔的進(jìn)水、出水電動(dòng)閥,避免冷卻水無(wú)效旁通,提升冷卻塔整體冷卻效果。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)適,既提升了辦公樓冬季各樓層的供熱效果,也降低了夏季制冷系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,減少了項(xiàng)目的碳排放,達(dá)到了業(yè)主的預(yù)期。筆者總結(jié)了新建和既有公共建筑機(jī)電系統(tǒng)調(diào)適項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),提出以下建議：

1) 新建公共建筑應(yīng)按照國(guó)家規(guī)范要求進(jìn)行細(xì)致的機(jī)電系統(tǒng)調(diào)適,實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的功能性和節(jié)能性,避免建設(shè)資金的浪費(fèi)。現(xiàn)有較多項(xiàng)目因工期緊張,竣工交付時(shí)未進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)適,特別是空調(diào)系統(tǒng),不僅舒適度不高,而且整體運(yùn)行能效低,增加了部分運(yùn)行費(fèi)用。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求,類(lèi)似項(xiàng)目建議在交付3 a內(nèi)由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行再調(diào)適。

2) 項(xiàng)目業(yè)主在建設(shè)階段應(yīng)重視空調(diào)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)適,因某些自控設(shè)計(jì)師和編程人員對(duì)空調(diào)系統(tǒng)工藝?yán)斫獾氖杪?導(dǎo)致較多項(xiàng)目的自控設(shè)計(jì)需要優(yōu)化。如果冷熱源群控系統(tǒng)未經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員調(diào)適,其基本的控制程序都難以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的要求,導(dǎo)致物業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)信任度低,在部分電動(dòng)閥故障或傳感器失準(zhǔn)后,自控系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成了手動(dòng)操作系統(tǒng)或者僅是設(shè)備啟停的監(jiān)視系統(tǒng),失去了設(shè)計(jì)初衷。

3) 對(duì)于既有公共建筑,定期進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的“體檢”,檢測(cè)各設(shè)備性能指標(biāo),是保持空調(diào)系統(tǒng)健康運(yùn)行的重要措施,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的“隱疾”,避免設(shè)備損壞而影響使用壽命,建議每2～3 a實(shí)施一次全面檢測(cè);自控系統(tǒng)調(diào)適是重要的節(jié)能手段,不僅可以節(jié)約能源費(fèi)用,還可以減少管理人力。