陳 榕

(中國人民銀行福州中心支行,福建福州350003)

辦公建筑中空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的比例可高達50%～60%,因此,降低空調(diào)系統(tǒng)能耗是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。在空調(diào)系統(tǒng)的總能耗中,水系統(tǒng)(包括冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng))的能耗占30%～40%。水系統(tǒng)耗電設(shè)備 (冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等)的容量是按最大設(shè)計熱負荷選定的,但空調(diào)在實際運行中絕大部分時間都是處于部分負荷運行,且負荷率在50%以下的運行時間占一半以上,而冷凍水泵和冷卻水泵全速運行,造成了能量的大量浪費。因此,空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能是既有辦公建筑空調(diào)節(jié)能改造的重點。

空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的常用方法有機、泵臺數(shù)控制和變頻控制,變頻調(diào)速不改變管路特性,而靠移動水泵工作點使之沿管路特性曲線移動,保持水泵在最高效率點運行,因而可以達到最大的節(jié)能效果。目前,變頻調(diào)速在二級泵水系統(tǒng)中應(yīng)用比較成熟,但由于二級泵水系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜、初投資大、自控要求高、機房占地面積大等缺點,使得二級泵水系統(tǒng)在工程中應(yīng)用并不多,一般只應(yīng)用于大型、多功能建筑 (如展覽館)中,在辦公建筑中應(yīng)用很少。目前,在既有建筑中廣為應(yīng)用最廣的是單級泵水系統(tǒng),因此,研究變頻技術(shù)用于單級泵水系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實意義。

變頻調(diào)速用于單級泵水系統(tǒng)時,冷凍水流量的下降可能影響到冷水機組的正常運行甚至可能出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)冰脹裂事故。因此,一般認為,對于蒸汽壓縮式制冷,變頻調(diào)速不適用于單級泵系統(tǒng),只能用于負荷側(cè)循環(huán)泵[1]。隨著壓縮機技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展,目前各類冷水機組大都能夠根據(jù)空調(diào)負荷的變化實現(xiàn)冷量的自動調(diào)節(jié),如離心式冷水機組通過調(diào)節(jié)進口導(dǎo)葉以改變吸入的氣體量,使制冷量在15%～100%之間作無級調(diào)節(jié);螺桿式冷水機組通過滑閥的軸向移動改變螺桿有效長度,從而改變吸入的氣體量,使制冷量在10%～100%間連續(xù)可調(diào)。相應(yīng)地,這些冷水機組允許冷凍水流量在一定范圍內(nèi)變化,如Dunham-Bush公司的WCFX型螺桿式冷水機組允許冷凍水流量在+10%～-50%范圍內(nèi)變化。因此,單級泵冷凍水系統(tǒng)是可以采用變頻控制的,已有的理論分析和實踐也證明了這一點[2,3]。

單級泵水系統(tǒng)的變頻改造不但會改變機、泵的運行特性,同時也會對冷源和末端設(shè)備的運行產(chǎn)生影響,該領(lǐng)域無論在理論上還是在實踐上都有待深入研究。本文介紹了某辦公建筑空調(diào)單級泵水系統(tǒng)變頻改造的實踐及其節(jié)能效果。

1 空調(diào)系統(tǒng)簡介

1.1 建筑基本信息

該建筑是一幢位于福州市的辦公建筑,于1993年竣工并投入使用。該建筑為東西朝向的高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—筒體結(jié)構(gòu)建筑,總高度約為58 m,標準層層高3.5 m。主樓地上16層,地下1層,附樓三層?？偨ㄖ娣e為19 700m2(地上建筑面積17 315m2,地下建筑2 385 m2),空調(diào)面積為13 292 m2。地下室為車庫、設(shè)備房等。附樓一層為設(shè)備房及營業(yè)柜臺等,二、三層均為會議室。主樓一層為值班室、會議室和監(jiān)控室,二層為計算機房,三層為至十六層為辦公室。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)簡介

該建筑空調(diào)的辦公室、會議室等場所均采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)機的形式,大樓主樓一層大廳及附樓大廳采用低速全空氣系統(tǒng)。冷源采用兩臺頓漢布什WCX480B型螺桿式冷水機組,每層設(shè)置一臺新風(fēng)機組。每臺主機各配冷凍水泵 1臺、冷卻水泵 2臺、冷卻塔1組 (四臺冷卻塔)。大樓主樓空調(diào)系統(tǒng)的送回風(fēng)方式均為上送上回方式?？照{(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備的詳細資料見表1。

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備表

該建筑空調(diào)的冷凍水采用單級泵變流量系統(tǒng),冷凍水泵定流量運行,末端的供冷量通過兩通閥改變開度控制冷凍水流量來調(diào)節(jié),以適應(yīng)負荷的變化。末端冷凍水流量的改變將導(dǎo)致供回水壓差的變化,根據(jù)供、回水壓差控制旁通閥的開度,調(diào)節(jié)旁通流量,實現(xiàn)負荷側(cè)變流量運行。在部分負荷下,末端所需的冷凍水流量減小,而冷凍水泵的流量不變,導(dǎo)致能量浪費。

2 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

2.1 水泵變流量的節(jié)能潛力

對該辦公建筑在空調(diào)季 (5月1日至10月15日)期間進行建筑冷負荷模擬計算,得到該辦公建筑空調(diào)季的冷負荷時間頻數(shù)統(tǒng)計如圖1所示。由圖1可知,該辦公建筑冷負荷主要分布在500～1500 kW的范圍內(nèi),在該冷量范圍內(nèi)的時間占空調(diào)系統(tǒng)開啟總時間的86%。建筑冷負荷大于1800 kW的時間頻數(shù)為7小時,只占空調(diào)系統(tǒng)開啟總時間的0.64%,而空調(diào)系統(tǒng)按最大冷負荷設(shè)計、選型,因此,該建筑空調(diào)的冷凍水泵、冷卻水泵定速運行,必然產(chǎn)生大的能量浪費,節(jié)能潛力較大。

圖1 各冷負荷段時間頻數(shù)的計算結(jié)果

表2 一天內(nèi)冷水機組啟動的壓縮機數(shù)量統(tǒng)計表 (單位:臺)

2.2 機組容量設(shè)計裕量過大

對該辦公建筑在空調(diào)季 (5月1日至10月15日)期間進行建筑冷負荷模擬計算,可得出的逐時冷負荷及整個空調(diào)季累計冷負荷值。模擬計算結(jié)果如下:空調(diào)季累計冷負荷值為1.2143×106kW·h,最大冷負荷為1904.3 kW。兩臺冷水機組的額定總制冷量為2×424×3.517=2982.4 kW。冷水機組的設(shè)計制冷量是建筑最大冷負荷的1.57倍,相當(dāng)于在按最大冷負荷設(shè)計的基礎(chǔ)上,還增加了57%的裕量!冷水機組的容量過大,則配套的冷凍水泵、冷卻水泵等的額定流量都偏大。因此,與通常在按最大冷負荷設(shè)計的基礎(chǔ)上增加10%～20%裕量的機組相比,該建筑空調(diào)水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能潛力更大。

2.3 運行控制策略的節(jié)能潛力

該建筑空調(diào)的兩臺冷水機組屬多壓縮機冷水機組,每臺機組含有三臺獨立的螺桿壓縮機。在開啟一臺機組就能滿足冷負荷要求的工況下,兩臺機組采用每天交替運行的策略,既可節(jié)電,也有利于延長機組壽命。然而,查閱該空調(diào)運行記錄發(fā)現(xiàn),該機組的實際運行方式不利于節(jié)能。表2為該機組在空調(diào)季的某一天運行時啟動的壓縮機數(shù)目的統(tǒng)計結(jié)果。由表2可知,在12∶00～17∶00期間,2#機組啟動了2個機頭、1#機組啟動了1個機頭且為部分負荷運行。從12∶00～17∶00期間機組運行總功耗看,只要開2#機組的三臺壓縮機就完全能滿足用戶冷負荷要求。由于冷凍水泵和冷卻水泵隨冷水機組連鎖啟停,因此,在12∶00～17∶00期間1#機組的冷凍水泵和冷卻水泵的電耗就浪費掉了。合理的機組啟動策略是:只有當(dāng)一臺機組不能滿足用戶冷負荷要求時才開啟第二臺機組。這一啟動策略對水系統(tǒng)變頻改造后依然適用,因為冷水機組對冷凍水流量的降低是有下限要求的。

3 水系統(tǒng)變頻改造方案

3.1 變頻器數(shù)量的確定

該辦公建筑空調(diào)的水系統(tǒng)的耗電設(shè)備共有2臺冷凍水泵、4臺冷卻水泵、8臺冷卻塔風(fēng)機。變頻器數(shù)量的搭配有多種方式,若僅從節(jié)能角度考慮,需要為每臺機、泵配置一臺變頻器,但這將增加投資。針對該建筑空調(diào)水系統(tǒng)的機、泵功率大小及運行情況,綜合考慮投資、節(jié)能效益、系統(tǒng)復(fù)雜程度、控制及維護管理等各方面因素,經(jīng)方案比較確定變頻器數(shù)量如下:2臺冷凍水泵各配一臺變頻器;每臺冷水機組的2臺冷卻水泵配1臺變頻器;每臺冷水機組配置了4個冷卻塔,由于冷卻塔風(fēng)機功率較小,因此,每臺冷水機組的4個冷卻塔配一臺變頻器。水系統(tǒng)流程及變頻器的配置如圖2所示。圖2中各變頻器 (VHF)的功率滿足各被控機、泵的要求。

圖2 水系統(tǒng)流程及變頻器的配置框圖

3.2 變頻控制方案

冷凍水泵的運轉(zhuǎn)由冷凍水供、回水溫差控制,同時要滿足冷水機組最小冷凍水流量的要求。冷卻水泵的運轉(zhuǎn)根據(jù)冷卻水回水溫度控制。冷卻塔風(fēng)機的運轉(zhuǎn)根據(jù)冷卻塔進、出口水溫來控制,使冷卻塔和冷卻水泵及制冷機組的運行相協(xié)調(diào),同時,保留冷卻塔風(fēng)機原有的控制方式作為備用。變頻控制系統(tǒng)與原有啟動控制系統(tǒng)構(gòu)成冗余備用控制系統(tǒng),實現(xiàn)工頻和變頻運行方式的切換。

實際運行表明,上述變頻控制方案是可行的,既能保證冷水機組長期正常運行,又獲得了可觀的節(jié)能效益。

4 變頻改造節(jié)能效果的測試與分析

4.1 節(jié)能效果測試方案

在空調(diào)季,根據(jù)天氣預(yù)報并參考歷年天氣數(shù)據(jù),選擇天氣穩(wěn)定的四天,按一天工頻、一天變頻交替運行,對空調(diào)系統(tǒng)一天的運行能耗進行測試。四天測量完畢,找出天氣最接近的兩天 (其中一天為工頻運行,另一天為變頻運行)進行對比性分析。測試期間,每天的開、關(guān)機時間、主機啟動和運行方案、冷凍水泵開啟臺數(shù)均保持相同。

冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風(fēng)機的耗電量用電表分項計量。為了研究水泵變流量運行對冷水機組和末端設(shè)備的影響,需要測量末端設(shè)備的電耗、冷水機組供回水溫度及冷凍水流量。其中,末端設(shè)備 (包括風(fēng)機盤管、空調(diào)箱和新風(fēng)機)的電耗通過鉗形電表測量各設(shè)備的電壓值、電流值及功率因數(shù)后計算得到。冷凍水流量采用超聲波液體流量計測量,冷凍水供、回水溫度用熱電偶溫度計在供、回水管上測量。

4.2 水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果

用于對比的工頻運行日和變頻運行日的天氣非常接近,空調(diào)的日平均負荷率均為50%左右。冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風(fēng)機在工頻運行日和變頻運行日的耗電量測試結(jié)果如圖3所示。測試結(jié)果表明,單級泵水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果明顯:冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風(fēng)機的節(jié)電率依次為53.3%、54.2%、39.2%,整個水輸送系統(tǒng)的節(jié)電率達48.8%,變頻節(jié)能改造使整個空調(diào)系統(tǒng)的能耗下降18.2%。

圖4為水系統(tǒng)工頻運行日和變頻運行日冷水機組冷凍水供、回水溫差的測試結(jié)果。由圖4可知,變頻日的逐時冷凍水供、回水溫差基本上都比工頻日大,使工頻運行時的 “大流量小溫差”得到改善,從而使冷凍水泵的電耗降低。按照 《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》 (GB 50189-2005)的要求,冷水供、回水溫差不應(yīng)小于5℃,而圖4表明,變頻日冷凍水供、回水溫差均未達到5℃,只有2.4℃～3.6℃,其主要原因是單級泵水系統(tǒng)的冷凍水流量不能小于冷水機組允許的最小流量值。因此,對于單級泵水系統(tǒng),不能單純以冷凍水供、回水溫差均作為變頻器的控制目標,應(yīng)同時兼顧冷水機組的運行要求。

圖3 工頻和變頻運行的日耗電量測試結(jié)果

圖4 冷水機組冷凍水供、回水溫差測試結(jié)果

4.3 變頻對冷水機組和末端能效的影響

圖5、圖6分別給出了變頻運行對冷水機組和末端能效影響的實測結(jié)果,兩圖中圖例標示的離散數(shù)據(jù)點為測量值,曲線為將實測數(shù)據(jù)按多項式擬合得到的趨勢線。由圖5、圖6可以看出,水系統(tǒng)變頻運行使冷水機組COP值和末端能效比均下降。其原因是空調(diào)工作于部分負荷下,在變頻器的控制下冷凍水泵轉(zhuǎn)速降低、流量減小,使得流經(jīng)蒸發(fā)器和末端設(shè)備的冷凍水量減少,流速降低,則蒸發(fā)器和末端散冷設(shè)備的傳熱系數(shù)降低,從而使冷水機組的COP值和末端能效比下降。因此,空調(diào)單級泵水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果評價中,不能只考慮機、泵產(chǎn)生的節(jié)能量,還應(yīng)計及因變頻運行使冷水機組和末端運行能效下降造成的能耗增加量。

圖5 變頻運行對冷水機組COP值的影響

5 結(jié)論

(1)辦公建筑空調(diào)單級泵水系統(tǒng)的節(jié)能潛力大,變頻改造的節(jié)能效果明顯。當(dāng)空調(diào)日平均負荷率為50%時,冷凍泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機的節(jié)電率依次為53.3%、54.2%、39.2%,整個水輸送系統(tǒng)節(jié)電率達到48.8%。

(2)在單級泵水系統(tǒng)的變頻改造中,冷凍水泵采用供、回水溫差控制,同時滿足冷水機組最低冷凍水流量要求;冷卻水泵采用冷卻水回水溫度控制的變頻控制方案是可行的,既能保證冷水機組正常運行,又能獲得較好的節(jié)能效益。

(3)在負荷率較低時,單級泵水系統(tǒng)變頻運行其冷凍水供、回水溫差較小,原因是冷凍水流量的調(diào)節(jié)受冷水機組允許的最小流量值限制。

(4)單級泵水系統(tǒng)的變頻運行使冷水機組的COP值和末端能效比均下降?？照{(diào)單級泵水系統(tǒng)變頻改造的節(jié)能效果評價應(yīng)計及因變頻運行使冷水機組和末端運行能效下降造成的能耗增加量。

[1]李曉燕,閆澤生.制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)[M].北京:建筑工業(yè)出版社,2004

[2]孫一堅.空調(diào)水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制[J].暖通空調(diào),2004,34(7):60-62

[3]朱偉峰,江億.一次泵冷凍水系統(tǒng)直接應(yīng)用變頻的模擬分析及工程應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2003,3(1):25-31