既有建筑中央空调系统绿色改造思路及方案

目前,中国的建筑能耗已占全国能源消耗近30%,其中,中央空调系统的能源消耗约占50%-70%,部分建筑甚至达到80%。随着人们日益增长的对美好生活环境、办公环境的需求,这一比例还存在逐步上升之势。在经济快速发展和全球日益变暖的大环境下,城市建筑对中央空调系统的依赖程度也越来越高。预计2020年建筑能耗会达到10.89亿吨标准煤,仅空调高峰负荷就相当于10个三峡电站满负荷发电量。因此,大力发展建筑绿色改造刻不容缓。
      中央空调系统的节能潜力巨大,如果能从这一重要环节着手,合理优化最佳方案,探索节能最大空间,对业主方来说将会产生最直接的经济效益,也将加快推进既有建筑节能绿色改造工作。
 

      既有建筑中央空调系统的运行现状及存在问题
      通过调研分析,我国现有的中央空调系统基本上是从上世纪九十年代初期开始设计使用的,受当时技术水平和建设标准的限制,普遍存在以下几个方面的问题:
      “大马拉小车”的问题
      从设计角度考虑,选用空调系统都是按照最大制冷量(即环境气温最高,且所有场所的空调都开足)的情况下,再留有10%-20%的冗余来确定机型的。但在实际应用中,67%的工程设计热负荷值为94W/㎡-165W/㎡,而实际上83%的工程热负荷只有58W/㎡-93 W/㎡,开机容量远小于装机容量,造成设备的闲置浪费。
      “大流量、小温差”的问题
      在一般的中央空调控制系统中,水泵和风扇在打开时会全速运行。根据中央空调单元运行状态的数据分析,中央空调单元运行时间的90%处于满负荷运行,而水泵和风扇的运行时间占90%。它在运行期间仍以100%满负荷运行,仅依靠节流或回油来调节流量或风量不仅会造成能量浪费,还会引起机械振动和噪音。
      空调效果不均匀的问题
      因系统各支路、各区域水力不平衡,且缺少对各支路流量的精确控制,造成空调系统运行时冷/热量输送不均衡,办公楼内远端和近端、向阳和背阴侧等不同区域的空调效果差异大。
      监控管理方式陈旧的问题
      多采用人工现场管理模式,缺乏智能运行、远程控制、信息采集记录、能耗统计、运行预警等功能,导致管理效率和水平低下,不仅增加了人力成本,同时也大大降低了设备的使用寿命。
 

      既有建筑中央空调系统绿色改造思路
      既有建筑中央空调设备和系统的绿色改造主要可从以下几个方向着手进行,包括:能耗分项计量和能源智能化管理改造、空调冷热源机组和输配设备改造、智能化控制升级改造、余热回收装置和蓄冷蓄热系统改造等。
      能耗分项计量和能源智能化管理改造
      尚未实现能耗子计量的中央空调系统不利于掌握系统和设备的能耗,很难找到不合理的能耗,因此,在进行绿色改造时应该考虑这个问题。中央空调系统的能耗(例如冷热源机组、输配电系统的能耗等)可以通过电能表的线路改造和安装方式独立地进行测量。
      依靠中央空调系统的能源管理系统,可以掌握各个子系统的能耗,并进行数据分析和比较,有助于发现低能耗和高能耗的存在或潜在问题,发现建筑物的节能潜力;优化运营,促进管理手段的多样化和精确性;立足于设备、能源以及建筑物全生命周期诊断分析,为客户提供量身定制的绿色能源管理方案。
      冷热源机组和水循环系统改造
      冷热源机组的能耗占建筑物总能耗比例很大,水循环系统的能耗占中央空调能耗的25%以上,因此,提高机组和水循环系统的能效是改造的重点之一。可以对机组和水循环系统采用变频技术,使其可以根据环境温度的变化进行实时调节,以保持较高的运转效率。研究表明,当流量减少一半时,采用变频技术,相比普通空调可减少能耗70%到80%。以设备和能源为切入点,以能源诊断、分析提升为抓手,为客户提供优质的能源综合解决方案。
中央空调系统的节能潜力巨大
      智能化控制升级改造
      通过楼宇控制系统改造和计算机模糊控制原理,将空调系统的能量需求作为随机变量进行系统采样和模糊控制,优化系统的能量输出控制,减少了人为控制带来的不利因素,并使系统更加合理。
      余热回收装置和蓄冷蓄热系统改造
      鼓励有条件的单位采用余热回收装置和蓄冷蓄热系统,提高能效,降低建筑运行成本。
 

      既有建筑中央空调系统绿色改造方案
      采用变频控制技术提升运转效率
      随着变频技术的发展和成熟,变频控制技术应用于中央空调系统,能够起到显著的节能效果。由于冷热源机组的能耗在建筑物总能耗中所占比例很大,因此提高机组的能效是改造的重点之一。
      以某银行为例,现有中央空调冷水机组为螺杆式定频制冷机组,制冷量为820KW,供冷时间为6月15日至9月15日,每天运行8小时,其中,7、8月份冷水机组平均负荷为90%,6、9月份冷水机组平均负荷为75%。在目前的运行决策情况下,利用开利空调选型软件进行模拟计算,选用相同制冷量的螺杆式变频制冷机组与螺杆式定频制冷机组进行效率对比(表1、表2)。
      通过对比可以发现,在气温较高、平均负荷较大的7、8月份,变频制冷机组与定频制冷机组的制冷转换效率相差不多,但在气温较低、平均负荷较小的6、9月份,变频制冷机组的制冷转换效率明显高于定频制冷机组,提升约25%。
      同样,通过在中央空调恒流水循环系统和冷却水塔风扇上采用变频控制技术,可以实现节能。在通常的中央空调系统中,经常有多个冷却水泵和冷冻水泵,分别形成具有平行管道的水循环系统。在这种类型的系统中,冷却水和冷冻水循环系统仅使用一组变频器。PLC控制器和开关控制器可切换和控制一组冷却水马达和冷冻水马达,因此两个系统的马达均处于可调状态。这种变频转换方法可以最大程度地节省投资。
      依托智能节能系统进行检测和控制
      中央空调智能节能系统包括数据采集系统、智能管控平台和末端控制系统三个主要部分。数据采集系统由多个温度、压力、流量和能耗传感器组成,这些传感器部署在中央空调系统以及室内和室外环境的各个环节中,并负责在运行期间收集实时动态数据空调系统;然后将动态数据即时汇总到智能节能系统的核心部分,即智能管控平台,平台经过模糊运算后,分析出最优化的运行逻辑;最后再将控制信号传输到冷水机组、冷冻水/冷却水循环系统等末端控制系统,控制中央空调附属设备实时动态协调运行。
      中央空调智能节能系统使空调设备拥有了智慧,不仅对中央空调各系统进行全面的控制,还通过软件和硬件的结合以及系统集成技术(每个控制系统在物理上、逻辑上和功能上都相互连接)实现数据分析、运行监控、故障报警等功能。通过云平台和大数据技术,空调系统可实时与互联网进行数据传输,实现远程监控以及与移动终端的互联,可以使中央空调由人工管控运行变为无人值守智能运行。
      北京某国际大厦于2015年7月引进了中央空调智能节能系统,经试运行测试计算:
      节能率=(人工模式单位时间耗电量-智能模式单位时间耗电量)÷人工模式单位时间耗电量=(409.16kwh/小时-230 kwh/小时)÷409.16kwh/小时=43.59%
      由此可见,中央空调智能节能系统的应用,可大幅度提高节能效率。对于目前正在运行使用的空调项目,智能节能系统的改造还要具体结合设备性能、运行管理和投资回报等几个方面进行综合评估。
      因地制宜进行蓄冷蓄热系统改造
      蓄冷蓄热系统改造目前已经相当成熟,结合国家能源战略的导向,政府和供电公司对此技术也进行了积极的推广。结合大部分建筑中央空调运行的时间规律特点,蓄冷蓄热系统改造的必要性是存在的,在场地空间条件具备的前提下,只要在方案优化与设计施工合理的前提下,解决好工程投资成本与运行成本回收矛盾的问题,再加上供电部门不断的峰谷电价比例调整和相应的费用减免政策,蓄冷蓄热系统改造是可以考虑的重要方案之一。
      以上研究分析的几个针对中央空调绿色改造的典型方案,看上去是相互独立的,但实际上又紧密相连。考虑到中央空调系统改造应兼顾“节能、安全、舒适”的总体要求,每个单位应根据自己的中央空调系统的特点和未来建筑规划的总体计划进行科学论证和分析,以专业化的思路做好改造时效性与投资回报率的可行性研究,选择最优方案进行绿色改造。

作者单位:深圳玖伊绿色运营管理有限公司
原载于《现代物业·设施管理》2021年1期
 
(责任编辑:admin)


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