辦公樓空調節能管理論文

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提要：通過對深圳市某辦公樓的空調系統運行狀況的調查測試及模擬，對該工程節能改造及運行方法進行了分析?？偨Y了整個辦公樓空調系統節能改造方案及經濟性，為今后工程改造提供了依據。

關鍵詞：辦公樓，空調系統，空調負荷，節能

一、引言

在能源總消耗中，建筑能耗占有著很大比例，其中照明和空調，特別是空調，占據了建筑能耗的絕大部分，所以，進行空調節能潛力的分析具有非常重要的意義。我們可以根據分析結果，通過對空調系統設計或對已有的空調系統進行改造，達到降低能耗的目的。對于供冷期較長的地區，空調能耗高，因此節能工作尤為重要，并具有代表意義。本文以深圳市某辦公樓為對象進行研究和討論，該辦公樓由地下兩層及地上二十層組成，總建筑面積39200平方米，空調面積30000平方米?？照{用制冷系統選用3臺制冷量為1336KW的離心式冷水機組，但實際只運行2臺即可滿足要求。冷凍水與冷卻水系統均為定流量運行。該辦公樓的室內設計參數是：干球溫度為24℃-26℃，相對濕度為50%-60%。通過實測調查得知，該辦公樓空調系統全年供冷，運行時數為2530小時，當冬季室外空氣溫度降低而不需供冷時，停開冷水機組。

二、空調負荷

對建筑物進行能耗分析和運行模擬，都要以空調負荷計算為基礎。空調系統的設計與運行能耗都與空調動態負荷有關，本文使用美國能源部大型能耗分析軟件DOE-2對該辦公樓的空調動態負荷進行模擬，結果見圖1。模擬得到的逐時峰值負荷為2415KW，圖中所示為月平均負荷，其峰值為1600KW。由計算結果可知，該辦公樓全年均需要供冷。

圖1辦公樓動態負荷

獲得空調動態負荷后，為使用負荷頻率法對冷水機組的能耗進行分析，現按文獻[1]提出的一種用于制冷設備運行分析及容量選擇的全年空調負荷統計方法，將空調動態負荷轉換成負荷率與時間頻數之間的關系，該辦公樓空調系統全年運行時數平均為2530小時，平均的空調冷負荷時間頻數如表1所示。

空調冷負荷時間頻數表1

負荷率（%）102030405060708090100

時間頻數（%）27.98.78.211.69.910.211.66.44.21.3

三、冷水機組的節能分析

在一年之中，由于空調系統在部分負荷下運行的時間較多，因此，全年耗能量與制冷機部分負荷下的工作特性有關。離心式冷水機組部分負荷性能見表2[2]。由2可以看出，與負荷率為100%的情況相比，部分負荷下的運行效率有增有減。

離心式冷水機組部分負荷性能參數表2

機組負荷率（%）100908070605040302010

機組功率百分數（%）10087.076.065.056.048.040.033.025.021.0

根據表2，采用線性回歸的方法得出典型的離心式冷水機特性曲線方程，從而采用負荷頻率法計算出不同制冷量時，輸出功率的變化。

該制冷系統的實際運行方案是：先開啟一臺冷水機組，使其冷量由小至大調節滿足實際負荷變化，直至出力不夠時，再開啟另一臺。并且第一臺冷水機組始終保持滿負荷，而第二臺隨負荷變化進行調節。本文又根據模擬優化計算得到了冷水機組的最優運行方案（即全年機組運行的平均輸出功率最小）。由于離心式制冷機在設計負荷的10～15%以下時出現喘振，本文模擬冷水機組實際運行時，讓冷機最低調節范圍不得低于15%，否則停機。兩種運行方案的計算結果見表3。

冷水機組運行耗功率表3

負荷率（％）102030405060708090100年平

均值

時間頻數（％）27.98.78.211.69.910.211.66.44.21.3

實

際

運

行

方

案運行臺數1111122222-

制冷量

（％）1臺18.136.254.272.390.493.4100100100100

2臺0000015.026.544.662.780.8

平均功率

（kW）19.248.8411.5221.6423.7732.0041.1425.0217.976.29207.43

最

優

運

行

方

案運行臺數1111122222-

制冷量

（％）1臺18.136.254.272.390.454.263.372.381.390.4

2臺0000054.263.372.381.390.4

平均功率

（kW）19.248.8411.5221.6423.7728.6637.7523.8717.826.24199.37

由表3中結果可知，最優運行方案是：先開啟一臺冷水機組，使其冷量由小至大調節滿足實際負荷變化，直至出力不夠時，再開啟一臺。當開啟兩臺制冷機時，平均分配負荷，每臺冷水機組的制冷量按上表由小至大滿足負荷變化的要求。此時，總運行能耗為最小。

四、水系統的節能分析

一些調查表明，空調水系統的工作普遍存在著大流量小溫差的問題。夏季供冷水系統的供回水溫差：較好的為3℃左右，差的只有1～1.5℃。而循環水量一般為設計水量的1.5倍數。高層建筑供冷系統一般規模較大，能耗很大，但節能潛力也很大，一個節能的制冷系統，不僅要求選擇的設備性能和臺數能與空調系統負荷的變化相適應，而且要求在運行中整個系統在各種負荷下能夠保持能耗最小。

空調水系統在應用變頻調速成裝置進行變流量運行時，可以在不改變管路特性，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，達到最大節能效果。對于閉式系統來說，當流量減少時，其實耗功率相應按三次方的比例降低。這對于目前空調水系統的設計水量與實際水量差別很大的情況來說，具有非常明顯的節能意義。

由于本文的研究重點是能耗，也就是總結出實時的運行調節對空調系統能有多大的節能潛力，從而指導實際運行。本文模擬了兩臺并聯水泵采用變頻裝置，根據負荷變化進行流量調節時，不同流量下的最優調速比及相應的耗功率。調速水泵全年運行平均功率計算在模擬水泵運行能耗時，同樣存在著各運行水泵間負荷的最優分配問題。我們的目的是在盡量滿足流量和揚程前提下，達到耗能最小，即水泵總耗功率最小。本文在考慮流量變化滿足部分負荷要求時，只對冷凍水泵變流量時二者的能耗進行計算，而冷卻水側的變流量分析將不做研究。計算運行能耗時，假定最小臨界水量（負荷）為總水量的50%，該工程每臺機組冷凍水的循環流量為230m3/h，所以最小臨界水量為115m3/h。模擬時校核水泵流量，如果低于該值，水泵的調速比就保持不變。本文對多種調速方案進行了計算。

該冷凍水系統的實際運行方案是：50%以下負荷時，一臺泵運行；50%-100%負荷時，開啟兩臺泵。本文又根據多種調速方案模擬優化計算得到了冷水機組的最優運行方案(即冷凍水泵運行的平均輸出功率最小)：當50%負荷以下時，開一臺水泵；50%-100%負荷時，開啟兩臺水泵。并且水泵分階段調速運行滿足負荷率變化。兩種運行方案的計算結果見表4。冷凍水系統運行耗功率表4

負荷率（%）102030405060708090100年平均值

時間頻數（%）27.98.78.211.69.910.211.66.44.21.3

實際運行方案運行臺數1111122222-

速比

（%）1臺1111111111

2臺0000011111

平均功率

（Kw)12.583.903.705.214.469.2110.425.763.741.1760.15

最優運行方案運行臺數1111122222-

速比

（%）1臺0.350.350.350.470.590.350.410.470.530.59

2臺000000.350.410.470.530.59

平均功率

（Kw)0.550.170.160.540.910.410.730.600.560.244.87

經校核，兩臺水泵都變速運行時，每臺機組的水量始終在最小臨界水量以上。從以上2個方案中可以看出，在部分負荷時變頻調速水泵與恒速泵比較，其節能效果非常顯著。

五、室內空氣參數與建筑能耗

影響空調系統能耗因素很多，針對本文所研究的辦公樓，根據現有實際條件及能力，本工程從設計標準選取的角度進行建筑能耗分析。

在空調設計中，首先要確定室內設計參數，這關系到舒適標準與衛生要求。合理的室內設計溫度與濕度應該是在滿足熱舒適要求的前提下力求減少能耗。干球溫度22～27℃，相對濕度30%～70%被普遍認為是舒適區，根據該辦公樓的室內設計參數，通過組合（6個設計點）計算，可以得到相應的人對熱環境的反應狀況與耗電量，見表5。

不同室內參數下空調系統耗電量表5

設計點干球溫度（℃）相對濕度（%）舒適度耗電量（kWh）

12450%稍冰864700

22550%舒適824900

32650%舒適784600

42460%舒適855900

52560%舒適815900

62660%舒適775900

由表5可以看出，溫度的升高和相對濕度的增加，都會使能耗有所降低。上述設計點基本都在舒適區范圍內，但耗電量有所不同?？梢姡ㄟ^改變室內設計標準所具有的節能潛力是很大的。所以在滿足舒適度要求的前提下，可選擇提高室內溫度和相對濕度來減少空調系統能耗。

六、節能綜合效果分析

針對該辦公樓的實際情況，通過研究，本文提出了該辦公樓空調系統的若干節能措施并進行了分析，如果僅考慮對前三項改造所帶來的節能效果和經濟效益，其綜合效果見表6。

空調系統節能潛力分析一覽表表6

改造項目增加投入（元）耗電量（kWh）節能率

（%）節省運行費①

（元/年）回收年限

改前改后

冷水機組的最優運行方案-5247985044063.920392

冷凍水泵定水量改為變水量運行變頻器及輔助設備

800001521801232191.91398591年

總和8000067697851672723.71598511年

①深圳市電價為1元/（kWh）

從表6中的數據可知，對現有的空調系統人工冷源進行以上的改造，做較少的投資，就可以獲得可觀的節能效果和節省大量的運行費用。由于有些節能措施對已經施工運行的系統難以操作，如果在設計階段就能充分考慮系統的節能問題，則效果會更好。

七、結語

通過對深圳市某辦公樓的空調系統進行節能潛力分析可以看到，現有的空調系統具有很大的節能潛力。僅從制冷系統的優化運行和冷凍水系統角度去進行調整，其運行節能潛力已非常之大，節能率可達23.7%，如果能在系統設計時就充分考慮系統的節能問題，則可以得到更好的節能性和經濟性。

參考文獻

1章雅銳，單寄平.從節能運行出發對制冷機容量匹配的初步探討.暖通空調，1990，20（1）：14～17

2曹琦，張華.計算部分負荷性能參數正確選擇冷水機組.暖通空調,1996，26（6）：58～60