论文部分内容阅读
摘要：本文依据某病房行政楼冷源系统的历史运行数据，分析冷机运行冷负荷次数、时间频数和空调系统循环水温差变化趋势，提出了模块化冷水机组4:2:4分组控制和空调水系统变频恒温差节能控制方案，能耗降低26.1%。通过实测分析空调末端运行规律，改进风机盘管控制器节能5%。将办公区域供暖方式以中央空调替代传统的暖气片，节能率达到50%。
关键词：冷负荷需求分析；空调末端实测 ；供暖方式；节能措施；效果评估
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
根据统计，发达国家的建筑物能耗已占全国总能耗的30%～45%左右，在民用建筑中暖通空调能耗达到65%。为保证建筑的舒适性要求，暖通空调设计通常考虑较大的负荷余量，造成冷热源能量的供给与末端负荷需求之间能量匹配矛盾越来越明显，导致冷水机组、输送系统和末端设备长期在低效率下运行，运行成本居高不下。因此，有针对性的研究既有建筑物暖通空调系统形式和运行情况，从负荷需求与合理运行的角度，研究分析其节能潜力与措施显的尤为重要，对建筑设备节能具有重要意义。
1．某病房行政楼采暖空调系统概况
该建筑物总建筑面积约15000 m2，空调系统为无新风的风机盘管系统，风机盘管数量为509台，制冷机为10台模块化冷水机组RC130，最大输出冷量为1300KW，最大名义使用电功率为407KW。冷冻水泵KQW200—315和冷却水泵KQW200—250均为一用一备，冷却塔LRCM—LN—350一台。中央空调每年的使用时间为5月下旬到10月1日前，使用天数约130天。在使用期空调系统的每天开机时间随室外温度的增减而变化，每年中央空调系统的运行约2800小时。热源采用燃气锅炉，末端设备为暖气片。
2．冷负荷需求分析与节能措施
2.1冷机运行冷负荷次数与时间频数分析
中央空调系统的工作一般分为两个阶段，第一阶段将空调房间的室温降低到设定温度，第二阶段维持空调房间的室温。在各阶段空调系统投入的负荷比例不同。表1是根据2008年5月至2008年8月20日间该楼空调系统的不同负荷率下运行次数，统计分析的平均时间频数情况。
表1 空调运行冷负荷时间频数表
由表1可见，在2008年供冷季运行的85天内，有47%的开机时间空调的负荷低于名义装机容量的40%，高于75%的空调负荷时间仅占开机时间的17%。
2.2空调循环水温差变化趋势分析
空调水系统普遍存在着大流量小温差的问题，特别是在供冷季初期，由于室外的温度较低导致空调负荷的需求较少。根据运行记录表2所示，在20%负荷的时候，冷冻水的温差仅为0.5℃，冷却水温差仅为1.5℃。RC130冷水机组为恒水量型，标准工况为冷冻水出水温度7℃，进水/出水温差5.6℃，冷却水出水温度35℃，进水/出水温差5.6℃。
表2 空调系统循环水温差随空调负荷变化趋势表
2.3冷源系统节能措施
针对上述冷负荷需求和空调循环水温差变化趋势的分析，若将配备的冷水机组按照空调系统的实际需求进行分组运行，并采用变频调速装置实现恒温差控制，可有效减低水泵功耗，保持冷机和水泵运行在高效区间。如图1所示，将冷机按照4:2:4的形式进行拆分，模块之间的管道用电动蝶阀连接。采用专用的控制系统一方面根据冷水机组的负荷需求，确定电动蝶阀的开闭数量，实现4:2:4分组控制；另一方面又要实时跟踪和调整冷冻泵、冷却泵的运行流量，满足冷水机组4:2:4分组运行的流量需要，在此基础下，把供回水温度差恒定在5℃左右的一个狭窄的区间内，使冷冻水，冷却水温差不随空调的热负荷变化而变化。
图1 模块化冷水机组分组安装示意
3中央空调末端运行工况测试与节能措施
2007年7月29日下午2：00～3：00，对病房楼中央空调末端工况进行测试，测试结果见表3。空调系统在全天热负荷最大时间内均能满足室温26℃的需求。在50个测试点，一个小时的测试时间内有22个测试点的室温低于26℃的设定温度，占全部测试点的44%。因此，通过改进风机盘管控制器，当空调房间的温度达到设定值时，停止风机盘管继续向空调房间供冷，使这一部分冷量回流，可有效的减低冷水机组的负荷，达到节省能源的目的。
表3中央空调末端工况测试表
3办公区域采暖方式的节能潜力分析与措施
3.1采用中央空调供暖方式的节能潜力分析
病房行政楼冬季采暖采用传统的暖气片，热源由燃气锅炉提供，冬季最高供水温度为65℃，全年供暖时间为150天，采暖面积为15520m2，其中病区（包括区内的病房，公共区，护士站等）采暖要求24小时，室温达到18～22℃，占总采暖面积的48%；办公室区（包括实验室，会议室等）除值班室和少数加班的办公室外，采暖仅要求在上班时间，供暖房间的室温达到18～22℃，其余时间可低温保持，占总采暖面积的52%。由于采暖系统没有能量输出的调节功能，即使办公区在非工作时间内采暖房间的室温也只能保持和病区采暖房间的室温相一致，造成较大的能耗浪费。若采用中央空调供暖，当管道中通入50℃热水时，风机盘管（以风机盘管型号为803为例）可输出热量8770 W，达到平均219 w/ m2的供暖要求。当风机盘管的风机停止工作后，风机盘管的输出热量低于额定输出热量的5%，这就意味着末端将节约90%以上的热量。
3.2供暖系统节能改造措施
在锅炉房负一层泵房内新增引管DN125，将锅炉热水通过锅炉房外公共管沟，接入行政楼的中央空调主干输送水管进入中央空调系统，重新调整病房行政楼的暖气系统的工作参数。在走廊、卫生间、浴室、地下室无风机盘管的地方，保留原暖气供暖功能，其余部分关闭。为解决由于低负荷的时候，末端热水过流量问题，在供水端增加了一个电动三通阀实现分流控制，以达到负荷与流量的匹配，见图2和图3。
图2 空调供暖管道改造方案示意图
图3采暖流量控制示意图
4．节能效果评估
4.1冷源系统节能效果评估
模块化冷水机组根据动态负荷需求按照4:2:4模式分组运行后，使中央空调冷凍水泵和冷却水泵的实际电功率相应减少，节能效果分析计算，见表4。考虑到水系统恒温差变频控制是在冷水机组4:2:4分组运行模式对水量需求的基础上进行的频率精细调节，运行工况复杂，具体节能效果很难准确计算，若根据经验按节约5%统计，则节电6118 Kwh。
表4 冷水机组4:2:4分组运行冷冻水泵与冷却水泵节能效果
注：（）中数据为冷却水泵数据。
4.2中央空调末端节能效果评估
由于空调房间的温度的控制受使用者人为喜好的因素的影响较大，所以风机盘管控制器改造的节能潜力一般为冷水机组负荷的5%～15%之间。根据统计，在平均负荷45%的情况下，冷水机组的平均耗电149.4 Kw，按节能率低限5%计算，节约功率7.47 Kw，取运行时间2816小时，可节约电20106 Kwh。
4.3采暖系统节能效果评估
按照办公区在工作时间（周一至周五）内每天工作10小时，其余时间内有15%区域在加班，非工作时间内风机盘管输出热量只有5%的输出，办公区在供暖季其供暖的能量最大的节省空间可达50%。
5．结论
针对某病房行政楼暖通空调系统的形式、运行方式和运行数据，分析其动态空调负荷需求，研究其节能潜力和节能措施。冷源系统采用模块冷水机组分组优化控制和水系统恒温差变频控制，按供冷季运行2816小时计算，共节电31950 Kwh，节能率可达26.1%；中央空调末端通过改进控制器，节能率达到5%；改变办公区域供暖方式，由中央空调替代传统的暖气片，节能率可达到50%，大大提高既有建筑物暖通空调系统的运行效率，具有很好的经济性。
参考文献
[1]Thomas B. Hartman, P.E, Design issues of variable chilled-water flow through chillers[J], ASHRAE Transactions: Symposia, v102.n2. 1996,679-683.
[2]高养田，空调变流量水系统设计技术发展[J]，暖通空调，1996.3
[3]汪训昌 林海燕 杨书渊等，办公楼空调冷热负荷的计算分析—关于北京地区办公楼外区冬季冷负荷的几点看法[J]，暖通空调，2004 ,34 (7) :33-39
[4]孙志高 马荣生，空调系统的节能研究[J]，节能技术，2004.4
关键词：冷负荷需求分析；空调末端实测 ；供暖方式；节能措施；效果评估
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
根据统计，发达国家的建筑物能耗已占全国总能耗的30%～45%左右，在民用建筑中暖通空调能耗达到65%。为保证建筑的舒适性要求，暖通空调设计通常考虑较大的负荷余量，造成冷热源能量的供给与末端负荷需求之间能量匹配矛盾越来越明显，导致冷水机组、输送系统和末端设备长期在低效率下运行，运行成本居高不下。因此，有针对性的研究既有建筑物暖通空调系统形式和运行情况，从负荷需求与合理运行的角度，研究分析其节能潜力与措施显的尤为重要，对建筑设备节能具有重要意义。
1．某病房行政楼采暖空调系统概况
该建筑物总建筑面积约15000 m2，空调系统为无新风的风机盘管系统，风机盘管数量为509台，制冷机为10台模块化冷水机组RC130，最大输出冷量为1300KW，最大名义使用电功率为407KW。冷冻水泵KQW200—315和冷却水泵KQW200—250均为一用一备，冷却塔LRCM—LN—350一台。中央空调每年的使用时间为5月下旬到10月1日前，使用天数约130天。在使用期空调系统的每天开机时间随室外温度的增减而变化，每年中央空调系统的运行约2800小时。热源采用燃气锅炉，末端设备为暖气片。
2．冷负荷需求分析与节能措施
2.1冷机运行冷负荷次数与时间频数分析
中央空调系统的工作一般分为两个阶段，第一阶段将空调房间的室温降低到设定温度，第二阶段维持空调房间的室温。在各阶段空调系统投入的负荷比例不同。表1是根据2008年5月至2008年8月20日间该楼空调系统的不同负荷率下运行次数，统计分析的平均时间频数情况。
表1 空调运行冷负荷时间频数表
由表1可见，在2008年供冷季运行的85天内，有47%的开机时间空调的负荷低于名义装机容量的40%，高于75%的空调负荷时间仅占开机时间的17%。
2.2空调循环水温差变化趋势分析
空调水系统普遍存在着大流量小温差的问题，特别是在供冷季初期，由于室外的温度较低导致空调负荷的需求较少。根据运行记录表2所示，在20%负荷的时候，冷冻水的温差仅为0.5℃，冷却水温差仅为1.5℃。RC130冷水机组为恒水量型，标准工况为冷冻水出水温度7℃，进水/出水温差5.6℃，冷却水出水温度35℃，进水/出水温差5.6℃。
表2 空调系统循环水温差随空调负荷变化趋势表
2.3冷源系统节能措施
针对上述冷负荷需求和空调循环水温差变化趋势的分析，若将配备的冷水机组按照空调系统的实际需求进行分组运行，并采用变频调速装置实现恒温差控制，可有效减低水泵功耗，保持冷机和水泵运行在高效区间。如图1所示，将冷机按照4:2:4的形式进行拆分，模块之间的管道用电动蝶阀连接。采用专用的控制系统一方面根据冷水机组的负荷需求，确定电动蝶阀的开闭数量，实现4:2:4分组控制；另一方面又要实时跟踪和调整冷冻泵、冷却泵的运行流量，满足冷水机组4:2:4分组运行的流量需要，在此基础下，把供回水温度差恒定在5℃左右的一个狭窄的区间内，使冷冻水，冷却水温差不随空调的热负荷变化而变化。
图1 模块化冷水机组分组安装示意
3中央空调末端运行工况测试与节能措施
2007年7月29日下午2：00～3：00，对病房楼中央空调末端工况进行测试，测试结果见表3。空调系统在全天热负荷最大时间内均能满足室温26℃的需求。在50个测试点，一个小时的测试时间内有22个测试点的室温低于26℃的设定温度，占全部测试点的44%。因此，通过改进风机盘管控制器，当空调房间的温度达到设定值时，停止风机盘管继续向空调房间供冷，使这一部分冷量回流，可有效的减低冷水机组的负荷，达到节省能源的目的。
表3中央空调末端工况测试表
3办公区域采暖方式的节能潜力分析与措施
3.1采用中央空调供暖方式的节能潜力分析
病房行政楼冬季采暖采用传统的暖气片，热源由燃气锅炉提供，冬季最高供水温度为65℃，全年供暖时间为150天，采暖面积为15520m2，其中病区（包括区内的病房，公共区，护士站等）采暖要求24小时，室温达到18～22℃，占总采暖面积的48%；办公室区（包括实验室，会议室等）除值班室和少数加班的办公室外，采暖仅要求在上班时间，供暖房间的室温达到18～22℃，其余时间可低温保持，占总采暖面积的52%。由于采暖系统没有能量输出的调节功能，即使办公区在非工作时间内采暖房间的室温也只能保持和病区采暖房间的室温相一致，造成较大的能耗浪费。若采用中央空调供暖，当管道中通入50℃热水时，风机盘管（以风机盘管型号为803为例）可输出热量8770 W，达到平均219 w/ m2的供暖要求。当风机盘管的风机停止工作后，风机盘管的输出热量低于额定输出热量的5%，这就意味着末端将节约90%以上的热量。
3.2供暖系统节能改造措施
在锅炉房负一层泵房内新增引管DN125，将锅炉热水通过锅炉房外公共管沟，接入行政楼的中央空调主干输送水管进入中央空调系统，重新调整病房行政楼的暖气系统的工作参数。在走廊、卫生间、浴室、地下室无风机盘管的地方，保留原暖气供暖功能，其余部分关闭。为解决由于低负荷的时候，末端热水过流量问题，在供水端增加了一个电动三通阀实现分流控制，以达到负荷与流量的匹配，见图2和图3。
图2 空调供暖管道改造方案示意图
图3采暖流量控制示意图
4．节能效果评估
4.1冷源系统节能效果评估
模块化冷水机组根据动态负荷需求按照4:2:4模式分组运行后，使中央空调冷凍水泵和冷却水泵的实际电功率相应减少，节能效果分析计算，见表4。考虑到水系统恒温差变频控制是在冷水机组4:2:4分组运行模式对水量需求的基础上进行的频率精细调节，运行工况复杂，具体节能效果很难准确计算，若根据经验按节约5%统计，则节电6118 Kwh。
表4 冷水机组4:2:4分组运行冷冻水泵与冷却水泵节能效果
注：（）中数据为冷却水泵数据。
4.2中央空调末端节能效果评估
由于空调房间的温度的控制受使用者人为喜好的因素的影响较大，所以风机盘管控制器改造的节能潜力一般为冷水机组负荷的5%～15%之间。根据统计，在平均负荷45%的情况下，冷水机组的平均耗电149.4 Kw，按节能率低限5%计算，节约功率7.47 Kw，取运行时间2816小时，可节约电20106 Kwh。
4.3采暖系统节能效果评估
按照办公区在工作时间（周一至周五）内每天工作10小时，其余时间内有15%区域在加班，非工作时间内风机盘管输出热量只有5%的输出，办公区在供暖季其供暖的能量最大的节省空间可达50%。
5．结论
针对某病房行政楼暖通空调系统的形式、运行方式和运行数据，分析其动态空调负荷需求，研究其节能潜力和节能措施。冷源系统采用模块冷水机组分组优化控制和水系统恒温差变频控制，按供冷季运行2816小时计算，共节电31950 Kwh，节能率可达26.1%；中央空调末端通过改进控制器，节能率达到5%；改变办公区域供暖方式，由中央空调替代传统的暖气片，节能率可达到50%，大大提高既有建筑物暖通空调系统的运行效率，具有很好的经济性。
参考文献
[1]Thomas B. Hartman, P.E, Design issues of variable chilled-water flow through chillers[J], ASHRAE Transactions: Symposia, v102.n2. 1996,679-683.
[2]高养田，空调变流量水系统设计技术发展[J]，暖通空调，1996.3
[3]汪训昌 林海燕 杨书渊等，办公楼空调冷热负荷的计算分析—关于北京地区办公楼外区冬季冷负荷的几点看法[J]，暖通空调，2004 ,34 (7) :33-39
[4]孙志高 马荣生，空调系统的节能研究[J]，节能技术，2004.4