歐二勝（上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司，上海 200032）

在大型辦公樓建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)在制冷時(shí)，冷凍水出水通過輸配系統(tǒng)，將冷量輸送至各個(gè)辦公需求區(qū)域?？刂坪美鋬鏊M(jìn)出水溫度和輸配流量情況，不僅會(huì)影響各個(gè)辦公房間的舒適度，還會(huì)影響中央空調(diào)主機(jī)的能源消耗及系統(tǒng)效率。大型辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng)一般由物業(yè)管理公司的專職專崗人員進(jìn)行管理，不同的管理方法及操作步驟均會(huì)帶來不同的運(yùn)行效果及導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)制冷效率的高低。立足項(xiàng)目實(shí)際案例，基于大型辦公樓性質(zhì)下，中央空調(diào)冷凍水旁通情況對(duì)系統(tǒng)制冷效率的影響，研究分析制冷效率的提升及節(jié)能潛力的經(jīng)濟(jì)性分析。

1 項(xiàng)目概況

本次研究的大型辦公樓項(xiàng)目位于上海市徐匯區(qū)，該大型辦公樓總建筑面積為 67 733 m2，其中，地上 22 F，建筑功能均為辦公；地下 2 F，建筑功能為地下車庫及設(shè)備機(jī)房。本項(xiàng)目中央空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)備位于地下 1 F，系統(tǒng)主機(jī)由 2 臺(tái)制冷量為 3 868 kW 的離心式冷水機(jī)組和 1 臺(tái)制冷量為 1 448 kW 的螺桿式冷水機(jī)組并聯(lián)組成；輸配系統(tǒng)設(shè)備由 5 臺(tái)冷凍水泵、5臺(tái)冷卻水泵、分水器以及集水器組成。冷水機(jī)組設(shè)備參數(shù)如表 1 所示，輸配系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如表 2 所示。

表1 冷水機(jī)組設(shè)備參數(shù)

表2 輸配系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

2 原始旁通工況

本研究項(xiàng)目測試日期為 2020 年 7 月 29 日，當(dāng)天為晴天，室外干球溫度 35 ℃，相對(duì)濕度 65.6% RH。中央空調(diào)制冷系統(tǒng)開啟 1 臺(tái)額定制冷量為 3 868 kW 的 1 號(hào)主機(jī)，2臺(tái)功率均為 90 kW 的冷凍水泵及 2 臺(tái)功率均為 90 kW 的冷卻水泵。

制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，3 臺(tái)冷水機(jī)組的冷凍水進(jìn)水管及出水管的閥門均處于開啟狀態(tài)，整個(gè)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷凍水存在旁通情況。在此情況下，進(jìn)行冷凍水進(jìn)出水總管溫度測試、冷凍水出水總管流量測試以及 1 號(hào)主機(jī)制冷功率測試，待中央空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，每間隔 5 min 采集一次數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表 3 所示。

表3 原始旁通工況下測試數(shù)據(jù)

3 優(yōu)化運(yùn)行工況

保持 1 號(hào)主機(jī)開啟、2 號(hào)主機(jī)和 3 號(hào)主機(jī)關(guān)閉的狀態(tài)，對(duì) 3 臺(tái)冷水機(jī)組的冷凍水輸配管路情況進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)閉 2號(hào)主機(jī)和 3 號(hào)主機(jī)的冷凍水進(jìn)出水管閥門，保持 1 號(hào)主機(jī)的冷凍水進(jìn)出水管閥門開度處于全開狀態(tài)，使得整個(gè)系統(tǒng)冷凍水回水僅流回 1 號(hào)主機(jī)，同時(shí)也僅有 1 號(hào)機(jī)組的冷凍水出水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。待中央空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，每間隔 5 min 采集一次數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表 4 所示。

表4 優(yōu)化運(yùn)行工況下測試數(shù)據(jù)

4 制冷效率對(duì)比

測試得到的數(shù)據(jù)，通過公式（1）計(jì)算得到中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷效率 COP。

式中：COP—主機(jī)制冷性能；

C—冷凍水比熱容，取 4.2×103 J/(kg·℃)；

Q—冷凍水流量，m3/h；

TI—冷凍水進(jìn)水溫度，℃；

TO—冷凍水出水溫度，℃；

P—主機(jī)功率，kW。

原始旁通工況下主機(jī)制冷效率 COP 計(jì)算結(jié)果如表 5所示，優(yōu)化運(yùn)行工況下主機(jī)制冷效率 COP 計(jì)算結(jié)果如表 6所示。

表5 原始旁通工況下主機(jī)制冷效率 COP 計(jì)算結(jié)果

表6 優(yōu)化運(yùn)行工況下主機(jī)制冷效率 COP 計(jì)算結(jié)果

對(duì)比原始旁通工況和優(yōu)化運(yùn)行工況的主機(jī)制冷效率 COP計(jì)算結(jié)果可知，在原始旁通工況下，系統(tǒng)的制冷效率 COP范圍為 3.29～3.77，眾數(shù)為 3.51，平均值為 3.57。在關(guān)閉閥門避免各主機(jī)間冷凍水旁通的優(yōu)化工況下，主機(jī)的制冷效率 COP 范圍為 5.58～5.78，眾數(shù)為 5.77，平均值為 5.69。相對(duì)原始旁通工況的平均值提高了 59.4%。

5 節(jié)能優(yōu)化分析

在原始旁通情況下，2 號(hào)主機(jī)和 3 號(hào)主機(jī)未開啟，集水器的冷凍水回水進(jìn)入 2 號(hào)主機(jī)和 3 號(hào)主機(jī)后，直接從冷凍水出水口流出，與 1 號(hào)主機(jī)經(jīng)過制冷得到的冷凍水共同匯入冷凍水總管進(jìn)入分水器中。這相當(dāng)于從空調(diào)末端返回的溫度較高的冷凍水，直接與 1 號(hào)主機(jī)制取的溫度較低的冷凍水混合，通過分水器再送往空調(diào)末端。經(jīng)過之前 1 號(hào)主機(jī)、2 號(hào)主機(jī)及 3 號(hào)主機(jī)的冷凍水出水管混合后，分水器的冷凍水溫度高于 1 號(hào)主機(jī)的冷凍水出水溫度。

關(guān)閉 2 號(hào)主機(jī)和 3 號(hào)主機(jī)的冷凍水進(jìn)出水管閥門后，集水器的冷凍水僅能流入 1 號(hào)主機(jī)，并且經(jīng)過 1 號(hào)主機(jī)制冷換熱后，1 號(hào)主機(jī)制取的冷凍水匯入冷凍水總管后，未發(fā)生原始旁通情況下的冷凍水混合情況，分水器的冷凍水溫度等同于 1 號(hào)主機(jī)冷凍水出水溫度。

在單臺(tái)主機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，通過優(yōu)化前后兩種工況的對(duì)比可得知關(guān)閉未開啟機(jī)組的冷凍水閥門、避免系統(tǒng)中冷凍水旁通后，運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)制冷效率提升了 59.4%。

在中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中，冷水機(jī)組主機(jī)在不同負(fù)荷狀態(tài)下，機(jī)組制冷性能 COP 的值并不相同。根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范 DG/TJ 08－2078－2014 《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中參照建筑單臺(tái)機(jī)組部分負(fù)荷性能系數(shù)表可知，離心機(jī)組在 75% 負(fù)荷狀態(tài)下 COP 最高，螺桿機(jī)組在 50% 負(fù)荷狀態(tài)下 COP 最高。建筑單臺(tái)機(jī)組部分負(fù)荷性能系數(shù)如表 7所示。

表7 參照建筑單臺(tái)機(jī)組部分負(fù)荷性能系數(shù)表

本項(xiàng)目開啟的主機(jī)為離心式冷水機(jī)組，額定制冷量為 3 868 kW，額定制冷功率為 626 kW，額定 COP 為6.18。經(jīng)測試，經(jīng)過優(yōu)化后 100% 負(fù)荷狀態(tài)下，實(shí)際 COP為 5.69，但離心式冷水機(jī)組的 COP 應(yīng)在 75% 的狀態(tài)下制冷性能最佳。按照 DG/TJ 08－2078－2014 中式（2）和式（3）對(duì)不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng) COP 進(jìn)行計(jì)算，具體如式（2）、式（3）所示。

本項(xiàng)目中，由于離心式冷水機(jī)組的使用時(shí)間較長，主機(jī)制冷存在性能上的衰退，因此額定 COP 取值為 5.69。通過計(jì)算得到離心式冷水機(jī)組在 75% 負(fù)荷的狀態(tài)下，COP為 6.30。

本項(xiàng)目的離心式冷水機(jī)組在 75% 負(fù)荷狀態(tài)下，運(yùn)行 COP 應(yīng)為 6.30，比優(yōu)化后的 100% 負(fù)荷狀態(tài) COP 提高10.7%，比優(yōu)化前冷凍水旁通且 100% 負(fù)荷狀態(tài)下 COP 提高 76.5%。

本項(xiàng)目此時(shí)單獨(dú)開啟 1 臺(tái)額定制冷量為 3 868 kW 的離心式冷水機(jī)組，由于 100% 負(fù)荷下的 COP 并非最高，因此建議增加開啟 1 臺(tái)額定制冷量為 1 448 kW 的螺桿式冷水機(jī)組，使得螺桿式冷水機(jī)組的負(fù)荷率為 50%，離心式冷水機(jī)組負(fù)荷率為 75%。制冷量不僅可滿足需求，同時(shí)也使得螺桿式冷水機(jī)組和離心式冷水機(jī)組處于 COP 最高值狀態(tài)，制冷性能達(dá)到最高效。

相應(yīng)運(yùn)行負(fù)荷對(duì)應(yīng)的功率為制冷量與制冷性能 COP 的比值，離心式冷水主機(jī)在 75% 的負(fù)荷率下，對(duì)應(yīng)的制冷量為 2 901 kW，COP 為 6.30，制冷功率為 460 kW；螺桿式冷水主機(jī)在 50% 的負(fù)荷率下，對(duì)應(yīng)的制冷量為 724 kW，COP 為 6.63，制冷功率為 109 kW；系統(tǒng)內(nèi)主機(jī)制冷功率為569 kW。相較未優(yōu)化前的單臺(tái)離心式主機(jī)制冷功率平均值637 kW，降低了 68 kW，幅度為 10.68%，即開啟相同時(shí)間下，能耗和費(fèi)用均降低 10.68%。

未優(yōu)化前，單臺(tái)離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間為8:00～16:00，制冷季單開 1 臺(tái)離心式冷水機(jī)組的天數(shù)為90 d。通過計(jì)算得到未優(yōu)化情況下單臺(tái)離心式主機(jī)的耗電量為 458 640 kWh。通過加開 1 臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組且進(jìn)行優(yōu)化后，降低 10.68% 的能耗，共降低 48 983 kWh，如商業(yè)用電取值每千瓦時(shí) 0.8 元，則系統(tǒng)制冷主機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用可降低約 39 186 元。

6 結(jié) 語

在大型辦公樓建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)制冷模式下，系統(tǒng)設(shè)備管理措施方面存在著節(jié)能效益和空間?？茖W(xué)合理的操作不僅可發(fā)揮主機(jī)的制冷最佳性能，同時(shí)還可降低主機(jī)的運(yùn)行能耗，減少設(shè)備的運(yùn)行成本。通過制定設(shè)備操作制度，依據(jù)制冷主機(jī)的類型，科學(xué)開啟主機(jī)數(shù)量和控制主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，規(guī)范避免已開主機(jī)和未開主機(jī)間冷凍水的旁通，發(fā)揮主機(jī)的制冷最佳性能，達(dá)到節(jié)能降耗減少運(yùn)行費(fèi)用的效果。同時(shí)對(duì)設(shè)備管理人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，結(jié)合相關(guān)的激勵(lì)措施辦法，將節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用用于激勵(lì)設(shè)備管理人員，將獲得更好的實(shí)際效果。

在北京市、上海市、廣州市和深圳市此類一線城市中，不僅存在大量的大型辦公樓應(yīng)用中央空調(diào)系統(tǒng)，還有其他一些規(guī)模較大的包括商場、賓館酒店、體育場館、醫(yī)療建筑及機(jī)關(guān)建筑等其他公共建筑。據(jù)《2019 年上海市國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測及分析報(bào)告》，2019 年上海市公共建筑主要用能分項(xiàng)在制冷季的用電量約為 11.5 億度，數(shù)量級(jí)達(dá)到了 10 億級(jí)別，基數(shù)較大。據(jù)《深圳市大型公共建筑能耗監(jiān)測情況報(bào)告(2019 年度)》，2019 年深圳市全市監(jiān)測公共建筑的空調(diào)用電量占總用電量比例的 26.5%，用能占比接近 30% 且不包括分體空調(diào)設(shè)備。就節(jié)約能耗方面而言，大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能規(guī)模和效益定會(huì)對(duì)城市的總能耗產(chǎn)生積極影響，也會(huì)對(duì)城市的綠色生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程有著深遠(yuǎn)的意義。