天津市某大型商業(yè)建筑空調系統(tǒng)能效檢測與評價分析

1、天津市某大型商業(yè)建筑空調系統(tǒng)能效檢測與評價分析趙靖1,朱能1,唐華2,武涌31天津大學;2 天津濱海建筑設計院;3住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術司摘要 本文首先闡述了我國大型公共建筑高能耗的現狀和主要原因，以及我國政府對大型公共建筑節(jié)能管理的一系列制度設計。然后介紹了作為建筑節(jié)能管理第一步的暖通空調系統(tǒng)能效檢測與評價的基本方法，并以天津市某一大型商業(yè)建筑為例，對其暖通空調系統(tǒng)能耗進行詳細的診斷分析，并進一步給出了節(jié)能潛力分析及節(jié)能改造方案。最后指出我國大型公共建筑高耗能現象嚴重，應采取有效措施來對建筑用能情況進行監(jiān)管。暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能運行能夠大大降低建筑能耗。關鍵詞 大型公建 既有商業(yè)建筑 節(jié)能診

2、斷 節(jié)能潛力分析 空調系統(tǒng)0 引言大型公共建筑一般指建筑面積2萬以上的辦公建筑、商業(yè)建筑、旅游建筑、科教文衛(wèi)建筑、通信建筑以及交通運輸用房等。隨著我國經濟和社會快速發(fā)展, 大型公共建筑日益增多,高耗能的問題日益突出。據統(tǒng)計, 我國大型公共建筑總面積不足城鎮(zhèn)建筑總面積的4%, 但總能耗卻占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%, 大型公共建筑單位面積年耗電量達到70300KWh , 為普通居民住宅的1020倍, 具有很大的節(jié)能潛力1。因此, 做好大型公共建筑的節(jié)能管理工作, 對實現“ 十一五”末我國單位GDP能耗降低20%的節(jié)能戰(zhàn)略目標具有重要意義。1 大型公共建筑節(jié)能管理制度設計1.1 大型公共建筑高能耗原

3、因分析1.1.1 設計階段能源浪費嚴重 我國大型公共建筑多采用大玻璃幕墻,遮陽隔熱性能差,建筑容積率高,造成建筑冷、熱負荷偏大、空調期長等原因直接導致了大型公共建筑能耗高的問題。另外，隨著經濟的發(fā)展，建筑設計中追求豪華、氣派的陋習日益嚴重，能源浪費現象嚴重1。1.1.2 施工階段標準執(zhí)行率低 大型公共建筑節(jié)能設計標準（GB50189-2005）于2005年頒布實施。建設部每年組織的建筑節(jié)能專項檢查結果顯示，在施工階段標準執(zhí)行率明顯偏低，在2001年僅為2%；2005年為20%；2006年為54%；2007年為71%。一些施工單位不按圖紙施工，擅自取消節(jié)能設計措施， 如取消外墻保溫層設計或更改為

4、非保溫墻體材料。因此，較低的標準執(zhí)行率是造成大型公共建筑高耗能問題的另一原因。1.1.3 運行階段缺乏科學管理有好的設計，還需要科學的運行管理。運行管理水平直接影響建筑的實際能耗，對建筑實際的節(jié)能情況至關重要。即使完全滿足大型公共建筑節(jié)能設計標準，采用高能效系統(tǒng)及設備，如果運行中沒有很好的管理，也達不到節(jié)能效果，會產生“節(jié)能建筑不節(jié)能”現象1。我國大型公共建筑運行管理水平普遍較低，主要原因是缺乏統(tǒng)一的宏觀協調管理，業(yè)主節(jié)能意識不強，運行管理人員對節(jié)能管理專業(yè)知識和能力欠缺。1.2 我國大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管制度設計在建設部科技司的統(tǒng)一領導下，我國創(chuàng)新性的提出了大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管制度。制度由五項

5、基本制度組成，即能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示、用能定額、超定額加價2。以能耗統(tǒng)計制度為數據基礎，統(tǒng)計出準確的建筑和建筑能耗的數據信息；以能源審計為技術支撐，對建筑能源利用的合理性作出評價并提出整改方案；以能效公示為核心，達到引起比較、競爭的效果；以用能定額為節(jié)能標桿，確定不同氣候區(qū)、不同功能的建筑在一定時期內的合理用能水平；最后以超定額加價為價格杠桿，提高高耗能的成本，促使高耗能建筑主動加強節(jié)能運行管理和節(jié)能改造。以此構成一個完備的建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)，運用市場對資源的優(yōu)化配置作用，推動大型公共建筑節(jié)能運行管理和節(jié)能改造，實現建筑的節(jié)能運行管理，釋放潛在的節(jié)能量需求，將潛在節(jié)能量轉變?yōu)楣?jié)能需求，同

6、時起到示范和帶動我國全面建筑節(jié)能的作用。2 建筑節(jié)能管理第一步暖通空調系統(tǒng)能效檢測 作為建筑節(jié)能管理的第一步，暖通空調系統(tǒng)能效檢測與評價是進行節(jié)能潛力分析及節(jié)能改造的基礎38，方法一般如下：第一， 基本信息調查。包括建筑基本信息、系統(tǒng)冷熱源、系統(tǒng)形式及主要設備等。第二， 系統(tǒng)用能情況分析。根據歷年系統(tǒng)的運行記錄或帳單，并配合現場實測，對系統(tǒng)的用能狀況作出基本的評估。第三， 系統(tǒng)診斷分析。從風系統(tǒng)、水系統(tǒng)、系統(tǒng)能效比、室內熱環(huán)境綜合評價等方面對暖通空調系統(tǒng)進行全面的診斷分析。第四， 節(jié)能潛力分析。 下面以天津市某一大型商業(yè)建筑為例，具體介紹空調系統(tǒng)能效檢測方法。3 天津市某大型商業(yè)建筑的空調系統(tǒng)

7、能效檢測分析3.1 基本信息調查3.1.1 建筑基本信息 該大型商業(yè)建筑分為新舊兩棟建筑。舊樓始建于1928年，后經多次整修，占地面積2980m2，建筑面積16500 m2，共七層，均為商業(yè)賣場。新樓1994年竣工投入使用，占地面積3724 m2，建筑面積39606 m2，地上九層，局部十層，地下一層。地下一層部分為設備用房，部分為餐飲商鋪，地上一到八層均為商場，九、十兩層為商場辦公室。3.1.2 系統(tǒng)冷熱源 電力是該建筑空調系統(tǒng)的唯一能源。采暖系統(tǒng)熱源采用外網的集中供熱。3.1.3 系統(tǒng)形式及主要設備空調系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)形式，冷源形式采用水冷式離心機組提供冷量，新樓采用四臺開利機組，兩臺額

8、定冷量為1570kW，兩臺為1220kW；舊樓采用兩臺冷水機組一用一備。新樓空調系統(tǒng)原理圖見圖1。 圖1 新樓空調系統(tǒng)原理圖 圖2 采暖系統(tǒng)原理圖冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，采用一次泵系統(tǒng)，共有四臺冷凍水泵，一臺冷水機組對應一臺冷凍水泵，兩臺冷量為1570kW的冷水機組對應的冷凍水泵額定流量300 m3/h，額定揚程50m；兩臺冷量為1220kW的冷水機組對應的冷凍水泵額定流量230m3/h，額定揚程也50m；四臺水泵的為配用電機型號均為Y280S4，額定功率均為75kW。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，采用五臺冷卻水泵，其中三臺的額定流量為400m3/h，揚程為33m，兩臺的額定流量為300m3/h，揚程為47m，五臺

9、水泵的配用電機功率型號均為Y280S4，額定功率為75kW。冷卻水塔為逆流式玻璃鋼冷卻水塔，風機直徑達3800mm，配用電機功率為15kW，共四臺?？照{風系統(tǒng)，新樓為全空氣系統(tǒng)，地下采用一臺組合式空調機組，風量為6500m3/h，地上每層南北側各一臺組合式空調機組，風量為6500 m3/h的共五臺，風量為5600 m3/h的共七臺，風量為8500 m3/h的共4臺，總計17臺組合式空調機組。舊樓為風機盤管加新風系統(tǒng)，每層采用型號為BFPX15-W吊頂式新風機組，南北側各一臺，共16臺。采暖系統(tǒng)熱源采用外網的集中供熱。新樓空調機組為冬夏兩用，冬季由室外管網經換熱器得到的二次熱水，流經空調機組為室

10、內提供熱空氣。熱水循環(huán)系統(tǒng)有三臺配用功率均為37KW的清水離心泵提供動力。舊樓采用散熱器供暖系統(tǒng)，外網熱水經換熱器得到的二次熱水流經布置在各層的散熱器提供熱量。有四臺水泵，兩臺配用功率87KW，兩臺75KW。采暖系統(tǒng)原理圖見圖2?？照{的控制系統(tǒng)，機組控制方面，采用定冷凍水出水溫度的控制方法，采用電腦監(jiān)控各點溫度，并控制機組出力達到控制調節(jié)的目的。采暖控制系統(tǒng)采用人工調節(jié)的方法。3.2 建筑用能情況分析 根據06年及07年能耗帳單就各類能耗情況做如下分析：該年單位建筑面積耗電量為239.8 kWh/m2，其中主要的耗電設備有，空調采暖通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、插座設施、動力設備等，其中以空調采暖通風系

11、統(tǒng)能耗占的比例最大。單位建筑面積耗電量全年內變化的規(guī)律，曲線如圖3。全年耗電量隨時間有很明顯的變化關系，4、5月以及1、12月為全年耗電量的兩個谷值，9月耗電量為全年最大。在能耗設備中，照明系統(tǒng)、垂直交通系統(tǒng)以及其他能耗設備的能耗不隨月份改變，只有空調采暖通風系統(tǒng)需要依據室外氣候的變化來進行啟停和調節(jié)。該建筑夏季空調系統(tǒng)運行開始時間在4月下旬，結束在10月下旬，期間9月份由于室外天氣最熱，冷負荷最大，空調系統(tǒng)的能耗也最大，帶來總電耗的增加。冬季采暖期需要啟用一至三層空調機組供暖，造成冬季電耗的小幅增加。 圖3 單位建筑面積耗電量全年變化曲線3.3 建筑用能系統(tǒng)診斷分析3.3.1 空調風系統(tǒng)新樓

12、采用全空氣系統(tǒng)，中央空調覆蓋地上八層及地下一層，共17臺組合式空調機組，選取具備測試條件的北側三層到七層共5個空調機房進行測試，測試內容包括過濾器前混合段壓力，表冷器后送風段的壓力，以及送風風量、回風風量和新風風量。由測試數據計算機組的過濾段及表冷段前后壓差，以及空調機組實際送風量與設計風量的偏差，由送風段靜壓以及送風壓力可計算得到風機壓頭，見表1。表1 組合式空調機組性能分析表機組位置三層四層五層六層七層額定風量m3/h5600056000560005600056000實際送風量m3/h2553337627260933225020548風量偏差 -54.4%-32.8%-53.4%-42.4

13、%-63.3%混合段靜壓Pa-439.4-121.8-278.0-198.6-398.0P Pa591.6 803.2634.8465.292.8 風機壓頭Pa1156.01134.81154.9699.8562.8 三至六層空調機組過濾段及表冷段前后壓差過大，分析認為這是由過濾器被灰塵堵塞，或是表冷器表面積灰造成。 混合段靜壓值過大，三層機組高達439.4Pa，是由回風不暢所致，導致回風不暢的原因可能有回風口被雜物堵塞，或是管道中防火排煙閥出故障未完全開啟。進一步分析原因需要打開吊頂檢查回風管道，但商場吊頂不能拆卸，未能進一步查明原因。 風機壓頭過大，遠高于一般的舒適性空調的風機壓頭，高壓頭

14、運行不僅造成能耗的增加，也使風機流量減少，三到七層所測的各個空調機組風量都有不同程度的減少。 在風量遠小于風機額定風量的情況下，室內空氣溫度仍能滿足設計要求，這說明風機的選型偏大，而風道的以及空調機組本身阻力過大也造成了風機流量減小，機組壓頭增大。3.3.2冷凍水系統(tǒng) 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)當前運行情況下，機組的開啟依據商場需要的冷負荷來控制，一般情況下開啟1號機組時，對應開啟1號水泵；開啟2號機組時，對應開啟2號水泵；1、2號機組同時運行時，1、2、4號水泵均運行。而4號機組由于開啟時會發(fā)生喘振，很少開啟。測試首先對正常運行狀態(tài)即1、2號機組開，1、2、4號水泵開啟時，運行的狀態(tài)進行了檢測，然后針對

15、4號機組的喘振問題，對機組及水泵在不同的停開機組合情況下進行測試。冷凍水測試內容包括冷凍水泵的流量、揚程以及配用電機功率，運行頻率，以及冷凍水的溫度，進出口壓力。 空調系統(tǒng)常處于的運行狀態(tài)為1、2號冷水機組開啟，1、2、4號水泵開啟，在這樣的運行狀態(tài)下，測試數據見表2。1、2號冷凍水泵運行狀態(tài)正常，4號冷凍水泵運行流量偏小。在測試工況下，水泵得工作效率為，1號45.6，2號為43.4，4號水泵的工作效率為51.8。當機組處于正常運行狀態(tài)時，冷凍水的溫差只有3.5左右，小于設計的冷水溫差5，相應的實際冷凍水流量將比設計流量增加30。表2 測試工況下水泵工作參數表水泵編號冷水溫差流量 m3/h揚程

16、 mH2O運行頻率HZ電機功率kW13.662954249.575.4923.562924149.576.7141355650.040.56 通過對機組蒸發(fā)器進出口壓力表的讀數，計算得到蒸發(fā)器水側的阻力，1機組蒸發(fā)器阻力約為15mH2O，2機組蒸發(fā)器阻力約為16mH2O，4機組蒸發(fā)器阻力約為15mH2O。1、2號機組的蒸發(fā)器設計阻力為5.6 mH2O，4號機組的蒸發(fā)器設計阻力為8.7 mH2O。實際運行阻力遠大于設計阻力，為排除流量增大對阻力造成的影響，將實際測試的流量和設計流量對比，1、2號機組的設計流量為270 m3/h，根據PSQ2計算得在實際流量下蒸發(fā)器的阻力，1號機組應為6.7 mH

17、2O，2號機組為6.5 mH2O，因此可以排除是由于實際流量稍大于機組的設計流量而造成了蒸發(fā)器壓損過大。另一原因是由于機組長期運行導致蒸發(fā)器表面有雜物附著，導致蒸發(fā)器水阻力過大。 針對4號機組的喘振，改變運行狀態(tài)進行診斷測試，對1、2、4號機組以及1、2、3、4號水泵進行不同的開啟關閉的組合，在不同的運行組合下測試水泵的各項參數。測試數據表明，4號機組單獨運行，冷凍水流量為170 m3/h；與1號機組同時運行流量減少至156m3/h；與1、2號機組同時運行，流量減少至136m3/h。無論是4號機組單獨運行還是與1號或是2號組合運行，流經4號蒸發(fā)器的冷凍水流量都要小于機組的設計流量230m3/h

18、。判斷冷凍水流量不足是造成機組喘振的原因。 在4號機組蒸發(fā)器出口至分水器之間的阻力在30mH2O左右，顯然是偏大的，有理由認為這是造成4號水泵運行期間流量偏小的主要原因。3.3.3 空調系統(tǒng)能效比 在空調系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下對空調機組的輸入功率、輸出冷量進行測試，計算得到空調機組的能效比。某一瞬時的測試數據見表3。表3 機組能效比某一時刻瞬時值數據表機組編號輸入功率kW冷凍水溫差冷凍水流量m3/h冷量 kW負載率能效比13383.7295127281.13.7623573.9292132684.53.72 公共建筑節(jié)能設計標準GB 50189-2005中規(guī)定，制冷量大于1163kW的水冷式離心冷

19、水機組的COP值不應低于5.10。所測試的1、2號機組均遠小于該標準的要求。3.3.4 室內環(huán)境評價 空調系統(tǒng)運行狀態(tài)下，商場室內平均溫度25.7，平均濕度62.1。二氧化碳平均濃度為501ppm。依據室內空氣質量標準GB/T 188832002中關于室內環(huán)境的規(guī)定，夏季空調室內溫度在2228，濕度在6080，二氧化碳濃度1000ppm。勸業(yè)場實測值均在該標準的規(guī)定的范圍內。4 節(jié)能潛力分析4.1 空調系統(tǒng)運行控制節(jié)能 提高冷凍水的設定溫度，以提高制冷機的制冷效率?，F有運行狀態(tài)下冷凍水出水溫度一般維持在5左右，甚至更低，設計工況出水溫度為7。按照每提高一攝氏度冷凍水出口溫度，制冷機能效比提高3

20、來計算，能量利用效率將提高6左右，每年單位建筑面積節(jié)約的耗電量約為1.4 kWh/m2。 提高冷凍水的溫差，以降低同樣輸出冷量下冷水的流量，降低水泵耗電量?，F有狀態(tài)下冷水溫差維持在3.9，若提高到設計冷水溫差在5，則流量可相應降低20，水泵的功率可減少48左右。 機組運行控制策略需要改善，機組負載根據設定的冷凍水出口水溫進行調節(jié)是合理的，但是冷凍水泵的聯合運行存在不合理之處。1、2號機組開啟，4號機組并未開啟的情況下，卻需要4號水泵運行，增加了水泵運行能耗，而且隨著冷凍水流量的增加，減小了冷凍水的溫差，也會造成機組效率的下降。建議在4號機組不運行時，可不開啟4號水泵，由1、2號水泵運行來滿足負

21、荷側冷水量的需求。4.2 系統(tǒng)設備改造節(jié)能4.2.1 風系統(tǒng)的改造 更換或清洗過濾器，解決過濾器阻力過大的問題；對于漏風的問題，可考慮更換部分風管道的措施。 根據實際所需的風量選用與室內負荷相匹配的風機，使風機運行在比較合理的狀態(tài)點，風機效率也會提高。4.2.2 空調冷凍水系統(tǒng) 應及時更換或校準冷凍水進出口溫度、壓力等儀表，避免讀數的不準確,造成控制方面的操作不合理，使機組的運行效率降低。 機組運行過程中，在4號機組不運行的情況下仍然開啟4號水泵，增加了冷凍水的流量，而在機組提供的冷量不變的情況下，溫差相應減小，使冷凍水溫差減小到3.9度左右，造成了大流量，小溫差情況的發(fā)生，若在開啟1、2號機組時，只開啟1、2號水泵即可滿足室內的冷量需求，則不要同時開啟4號水泵；若不能滿足，建議更換流量揚程與管網的運行特性匹配的水泵，避免水泵能耗的浪費。這樣可以節(jié)約一臺水泵運行的耗電量，累積每個空調月份內約可節(jié)省電耗16200kWh。5 結論 通過典型建筑空調系統(tǒng)能效檢測分析可以看出，我國大型公共建筑高耗能現象嚴重，商業(yè)建筑年耗電量大都在200300KWh/m2,應采取有效措施來對建筑用能情況進行監(jiān)管。暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能運行能夠大大降低建筑能耗。科學的建筑用能診斷和分析