上海某五星级宾馆空调系统运行调适
上海建科建筑节能技术股份有限公司 董国强
【摘 要】既有公共建筑用能系统设计复杂，运行多变，存在各种使用问题，需要根据实际使用需求，对其进行深入的运行诊断，开展针对性调适工作。本文以上海市某五星级宾馆为案例，介绍了该项目如何对空调系统进行运行诊断和按需调适，通过提升主机性能、调节二次冷冻水平衡、调整水泵频率、空调末端整改等措施，降低了用能系统能耗，提高了用户舒适度。以此案例阐明了在目前广泛应用的建筑综合节能改造措施外，用能系统运行调适也是实际应用需求大、作用大的节能措施。
【关键词】调适；既有公建；建筑节能；运行问题
【基金项目】本文受国家科技支撑计划课题《既有公共机构建筑机电系统运行调适和能效提升关键技术研究》支持，课题编号2017YFB0604004
Abstract：The systems of existing public buildings is complex, and always have various use problems. It is necessary to carry out the thorough operation diagnosis and the commissioning according to the actual use demand. Here is a commissioning case of a five-star hotel in Shanghai.It introduces how to diagnose and adjust the operation of the air conditioning system. In the case, the performance of the central air-conditioning was improved, the balance of the chilled water was adjusted, the frequency of the pump was adjusted and the air conditioner was rectified. By carrying out those methords, the energy consumption of the hvac system is reduced and the comfort of the room is improved. This case shows the great effect of the commissioning of the building and system . As another energy-saving methord, the commissioning has a huge space for development.
0 前言
上海市公共建筑类型多、面积大，截至2016年底，全市公共建筑总面积达30879万m2。根据国家节能减排工作要求，上海市大力推进既有公共建筑综合节能改造，通过更换高效的空调、照明、供热等设备，降低建筑能耗，十二五期间，上海市既有公建节能改造工作开展顺利，完成了400万平米公共建筑节能20%以上的目标[1] 。
公共建筑用能设备复杂、运行工况多变，由于实际运行工况与设计条件存在偏差、施工质量不到位、运行管理水平低等诸多因素，导致投入使用年数不长甚至是新投入使用的用能系统存在明显的运行问题，严重制约了用能系统的性能，导致好系统、好设备没能发挥出好性能。由于节能改造主要更换重要设备，业主尽管存在节能需求，但又无法接受节能改造模式，导致部分项目节能工作陷入僵局，阻碍了既有公共建筑节能工作的深化拓展。与节能改造恰为互补，既有公共建筑用能系统调适技术正适用于上述情况的建筑，对于建筑投入使用年数较短、设备性能较好的既有公共建筑，调适技术的核心在于，在不改动或者少量改动原有系统的基础上，调节、优化设备运行状态，让设备运行在最优的状态点，充分发挥设备本身应有的性能，从而解决建筑用能系统的运行问题，降低建筑能耗，提高末端舒适度。本文将通过对某宾馆空调系统的运行调适，介绍调适项目的工作内容和产生的节能、舒适效果。
1 项目概况
上海某五星级宾馆建成于2000年，客房共190间，面积约2.7万m2，地上为16层，地下3层，其中第6至16层为客房，1至5层主要为酒店大堂、餐饮、会议、健身房等，地下层为车库、物业办公、设备机房等。
宾馆原空调系统使用3台大容量螺杆式冷水机组，2017年初经节能改造，使用3台小容量磁悬浮变频冷机替代1台螺杆机，提高了冷机能效。磁悬浮机组装机容量基本可满足夏季大部分时间和过渡季建筑空调冷负荷需求，螺杆机仅在高温天气辅助使用。空调冷冻水系统为二次泵系统，一次泵定频运行，二次泵可根据建筑负荷变化变频运行；冷却水泵和冷却塔风机均定频运行。宾馆客房采用风机盘管+新风空调系统，公共区域采用定风量全空气空调系统。该空调系统还供应8号宴会楼（面积约500m2）空调冷水，空调冷冻水系统图如下：
空调系统主要设备参数见下表。
本建筑空调系统原设计选型偏大，尽管宾馆实施了设备改造，更换了小容量的磁悬浮机组，降低了冷机能耗，但空调冷站整体运行效率仍偏低，十几年的运行使用使其它空调设备性能衰减；水泵大马拉小车、能耗浪费；部分管路阀门损坏、无法起到调节功能，空调二次水系统失调，加上风系统问题导致大堂和宴会厅等重点区域的空调舒适性差。这些运行问题不仅导致空调能耗上升，而且影响了住客的使用，仅凭传统的节能改造是不能解决的，需要进行细致的系统运行调适，挖掘设备潜力、提升运行性能，改善空调系统运行状态。借助宾馆近两年进行设备节能改造和室内重装修的时机，项目组向宾馆提出用能系统调适的建议，分析实际运行情况和使用需求，优化用能系统的设计，解决设备和控制系统的运行故障，提高系统能效。
2 空调系统运行诊断
为了解空调制冷系统的实际运行性能，项目组在调适前对冷站夏季典型工况运行状态进行了检测，测试当天室外温度33.6℃，相对湿度61.3%RH，测试数据如下表。经检测，制冷系统调适前实际运行能效为2.9，运行效率低于行业标准，运行能效有待提升，具备较大调适空间。
针对冷站综合运行能效低的问题，项目组对制冷系统进行了深入的检测、分析，诊断冷站运行问题，确定的原因主要有：
（1）磁悬浮机组未发挥性能优势
主机性能是影响制冷系统综合能效的重要因素，检测主机的运行工况，由于使用板式换热器制取冷水，磁悬浮机组蒸发器阻力大于常规机组，调适前实测单台机组的冷冻水流量仅有63m3/h，小于额定流量90 m3/h，而此流量下蒸发器阻力却已达到11m。
磁悬浮主机冷冻水流量偏小，一是会导致蒸发器换热管冷水侧换热效率降低，引起机组COP降低；二是在高温季二次水供回水温度有控制要求的情况下，一次水流量偏小，会导致主机供回水温差变大，回水温度有要求时，需要降低一次水供水温度，高温天气磁悬浮冷冻出水温度降低至6℃，降低了主机COP；三是易致磁悬浮主机无法正常稳定运行，高温天气磁悬浮冷机出水温度设定低，冷机启动后转速迅速提升，由于冷冻水流量小，出水温度易迅速降低，冷机低温保护、停机，故部分高温天气需要开启螺杆机保障空调需求。
（2）3#螺杆机冷却水旁通
目前夏季主要运行3台磁悬浮机组，部分高温时刻增开3#螺杆机，但3#螺杆机不开启时冷却水管路阀门却未关闭，大量冷却水旁通，未引起运维人员的重视。经测试，螺杆机冷却水旁通时，制冷系统一半的冷却水从螺杆机旁通，磁悬浮机组的冷却水流量偏低，平均流量为89m3/h，低于额定流量107m3/h。冷却水系统一半的流量从螺杆机管路旁通，一是导致磁悬浮机组冷凝器的冷却效率降低，主机COP损失；二是冷却泵流量大，功耗浪费。
（3）二次冷冻水旁通、流量偏大
为掌握二次水系统运行状况，对二次水系统总流量和供回水温度进行长期监测。夏季二次冷冻泵运行2台，高频运行，最大流量达到462 m3/h，平均流量约为420m3/h；供回水温差在1.3~3℃之间，平均温度约为1.7℃，远低于冷冻水系统设计温差5℃。二次水系统运行状态属于典型的大流量小温差，水泵能耗浪费。
为更深入查找二次水系统大流量小温差的原因，对各支路运行状况进行长期监测，掌握了各楼层冷冻水流量和供、回水温度，发现目前空调二次水系统水力严重失调，一层空调需求大，冷冻水温差为3.4~5.1℃，而高区客房层的冷冻水温差偏小，9层的温差仅为1.4~2.4℃，其它楼层的冷冻水温差也是参差不齐；个别重点区域的空调末端水流量严重不足，西餐厅一个吊顶空调箱的空调水温差在8.4~10.1℃之间，不能满足使用。夏季高温天气为保证宾馆这些区域的空调需求，只能提高二次供水压力，增大这些末端的流量，二次泵运行频率不能降低，导致二次水系统一直大流量小温差运行，水泵的输配系数低，而一次侧3台磁悬浮机组额定流量只有270 m3/h，一次泵定频运行，检测磁悬浮主机实际总流量只有190 m3/h，多于一次水流量的冷冻水从一次侧和二次侧之间的旁通管流走，旁通流量大于一次侧总流量，二次泵能耗严重浪费。
（4）过渡季时制冷系统没有合理利用室外冷源
由于没有安装免费供冷板换，在过渡季节空调制冷系统不能使用室外自然冷源直接取冷，仍需开启主机制冷，增加了主机能耗。从宾馆工程部了解到，在每年的3、4、11月份，大楼同时供冷供热，空调冷负荷较低，只有内区部分客房内温度稍高，少数客人需要空调供冷，冷负荷也不大，但是需要开启空调冷水机组进行供冷。这些月份室外空气的湿球温度一般都比较低，可以安装免费供冷板换，通过冷却塔直接取冷，减少冷水机组的运行时间达到节能。
（5）室内部分区域环境舒适度差
在对空调制冷系统进行运行诊断的同时，项目组对宾馆室内热舒适性进行了测试，评估室内空调效果。测试室内温湿度，宾馆大部分区域室内温度基本在24℃以下，相对湿度基本满足标准要求；但现场调研时宾馆管理人员反映大堂、宴会厅等区域的空调效果差，夏季高温时室内温度偏高，测试结果也反映了低区公共区域温度比高区客房温度稍高，一层大堂部分区域的温度达到了25℃，高于大部分五星级酒店的夏季空调设定温度。
针对大堂、宴会厅等区域室内舒适度差的问题，对末端设备、管路和调控阀门进行详细检查，发现空调箱送风量严重不足，实测大堂空调箱的送风和回风量仅有9000 m3/h，远低于机组额定值21000m3/h，深入检查发现：一是大堂内部分风口为假风口，并未接通风管，大堂实际送风口少，前台区域送风少、人员多，工作人员反映偏热；二是检查空调箱，新风管路关闭，空调箱进风减少；内部表冷器脏堵，阻力上升，机外余压降低，送风量减少；空调箱风量小，导致出风温度为12～13℃，低于露点温度；三是大堂气流组织差，靠近玻璃幕墙的送风口送风吹向幕墙，送风直接被幕墙加热，对大堂内区空调效果差；大堂侧门经常开启，无组织新风增大大堂空调负荷和相对湿度，湿热天气出风口易结露。
3 运行调适与后评估
根据对宾馆空调系统的运行评估和对运行问题的诊断结果，选择了合适的解决办法进行调适，并对调适后运行状况进行后评估，确认调适效果。
3.1 空调系统运行调适
3.1.1 磁悬浮加装冷冻水增压泵
针对磁悬浮机组冷冻水流量偏小的问题，本次调适根据机组蒸发器阻力和流量需求，加装了1台冷冻水增压泵，专门用于提高磁悬浮机组的供水压力，增大冷冻水流量至额定流量。
安装增压泵后，测试3台磁悬浮的冷冻水总流量为263m3/h，各台主机冷冻水流量都达到了额定流量90 m3/h的要求，提高了磁悬浮机组的运行稳定性，大幅减少了螺杆机的使用，检测磁悬浮运行能效可提高至5.6，远高于螺杆机已衰减的能效，节约了冷机制冷电耗。
3.1.2 关断冷冻、冷却水旁通
宾馆冷站调适前存在两处旁通，在调适过程中依次关断。
（1）关断螺杆机冷却水旁通
螺杆机只在高温时段增开1台，大部分时间停机，但停机时3#螺杆机冷却水旁通。本次调适将3#螺杆机冷却水关断，磁悬浮机组冷却水流量平均值从89.2m3/h上升到111.4m3/h，达到额定流量要求。冷却水总流量从537.7m3/h减少到334.2m3/h，相应实际运行功率大幅减小。磁悬浮冷却水流量增大后，冷凝器换热效率上升，冷机运行能效得到提升。
（2）关断冷冻水一次侧和二次侧旁通
由于二次水流量远大于一次水流量，冷冻水大量旁通。本项目通过对二次水系统水力平衡和二次泵运行频率的调适，显著降低了二次水总流量，并在旁通管上加装截止阀，关断旁通，实现了一次水和二次水的平衡。关断冷冻水旁通后，可实现的节能效果有：
a.降低了二次冷冻泵的频率和功耗，二次泵运行频率调整前运行水泵2台，频率47Hz，合计功率37.6kW，流量445m3/h，调整后运行水泵2台，频率35Hz，合计功率20kW，流量330m3/h。
b.没有一次水和旁通水的混水现象后，磁悬浮机组出水温度就是二次水供水温度，可提高主机出水温度。二次水系统调适前夏季供水温度为8℃左右，调适后，高温天气主机出水温度至少可由现在的6℃提升到7.5℃，过渡季可根据室外温度再提升出水温度至8℃以上，进一步提升主机的COP。将磁悬浮机组出水温度由6℃提升到7.5℃后，磁悬浮冷机效率提升到6.5以上。
3.1.3 加装免费供冷板换
本次调适在冷站加装了免费供冷板换，在过渡季节和夜间，当室外空气的湿球温度比较低时，使用冷却塔低温回水直接与空调冷冻水换热供冷，减少冷水机组的运行时间以节能。本项目在室外湿球温度16℃以下时可开启免费供冷模式，通过对过渡季免费供冷板换运行状况进行监测，得到免费供冷板换供冷量，换算1台磁悬浮平均运行负载约为20%，节约了磁悬浮和冷冻泵能耗。
3.1.4 空调末端调适
针对室内部分区域的舒适度差的问题，本项目采取如下的调适措施：
（1）二次水系统平衡调适
通过以下措施调适二次水系统平衡，实现空调冷冻水的按需分配：
a.根据各楼层流量和供回水温差监测数据，在流量偏大的客房层及其它楼层加装减压阀，降低楼层总流量，并在客房内风机盘管供水管加装孔板，限制、平衡各房间运行流量，控制供回水温差至4~5℃；
b.在大堂及其它空调冷量需求大的空调箱处加装增压泵，增加其冷水流量，增大空调箱的供冷量；
c.检修、增加水系统各支管电动阀，当宴会等特殊区域空调停止使用时，切断水路，防止部分末端不合理使用带来冷量浪费、减少管道散热损失，降低二次水总流量、减少水泵功耗。
（2）空调箱整改
通过清洗空调箱表冷器，解决表冷器脏堵带来的换热和堵风影响，增加表冷器换热量和风机的送风量，增大室内的供冷量。清洗后，经检测，空调箱送风量由9000m3/h上升到12000m3/h，室内舒适度得到了改善。
（3）室内气流组织改善
在大堂进行装修时，通过合理分布送风口、调整送风方向、将部分假风口联通风管送风等措施，改善了大堂内空调气流组织，提升空调舒适度。
3.2 调适后评估
宾馆完成全部空调制冷系统调适后，在与调适前相近的天气状况下，调适后空调制冷系统平均运行效率为3.7，高于调适前的运行效率2.9，冷站综合能效经调适提升27.6%，节能效果明显。空调制冷系统调适后运行状态数据如下表。
4 结论
宾馆空调系统调适项目实施后，取得了以下几方面的效果，可以看出建筑运行调适的实用性，可广泛推广、应用于既有公建的节能运行。
（1）提升空调系统运行能效 通过对冷机、水泵、二次水系统的运行调适，将制冷系统典型工况的运行能效从2.9提升到3.7，综合能效提升了27.6%，并提升了制冷系统运行的稳定性。
（2）降低空调系统能耗 空调系统的能效提升产生较好的节能效果，经检测评估，本文所述空调系统调适措施节能量达到35.9万kWh，节能率合计为4.1%，年节约电费30多万元，节能和经济效益可观。
（3）提高室内空调舒适度 通过对二次水系统水力平衡调适、空调箱和室内空调气流组织的整改，解决大堂、宴会厅等重点区域空调效果差的问题，提升了室内舒适度。
参考文献
[1] 沈定亮，沈立东.《既有公共建筑节能改造技术与应用指南》. 北京：中国建筑工业出版社，2017年
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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