145哈尔滨某大厦空调水系统测试与能效诊断正文

哈尔滨某大厦空调水系统测试与能效诊断哈尔滨工业大学李运华，张吉礼摘要：对既有建筑的现场测试诊断可以迅速发现建筑能耗系统运行过程中存在的问题，并根据实际情况采取相应措施，从而可以最大程度的减少建筑能耗。通过对哈尔滨某大型宾馆型建筑空调冷源水系统的实际现场测试，发现了该系统存在的一些问题，如不运行冷机仍然流通冷冻水，水泵容量选择偏大等，并提出了相应的解决方法。关键词：空调水系统能耗测试诊断1前言随着大型公共建筑的不断增建和扩建，作为建筑物的耗能大户，空调系统的能耗在建筑总能耗中的比例一直居高不下，是当前进行的建筑节能工作的重中之重[1~3]。对于空调系统而言，其能耗的巨大消耗体现在其实际运行中。然而大多数现役空调系统，其具体运行情况如何，是否能够按照当初的设计正常运行，设计人员和设备的运行管理人员都不清楚。而恰恰是因为对空调系统实际运行情况的不重视，才导致了巨大的能源浪费和空调系统运行能耗的不断增加。因此，对建筑耗能系统如空调系统和采暖系统的能耗测试及能效诊断是一项切实有效的方法。通过测试能够迅速发现系统运行中出现的问题，并采取相应的措施改善运行状况，减少系统运行能耗。一般来说，可以把空调系统分为空调水系统和空调风系统。对空调水系统的测试和能效诊断主要是针对冷机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等设备及其整体；对空调风系统的测试和能效诊断是针对空调机组、新风机组、风机盘管及末端风口等设备及其整体。通过2005年夏季对哈尔滨某宾馆建筑的空调水系统能耗测试诊断，发现了该水系统运行过程中出现的问题，并提出了相应的解决措施。2建筑及空调系统概况该建筑位于哈尔滨市中心，临近火车站，是一家集五A级智能化写字楼和四星级饭店的综合性大厦。该大厦地下两层，地上30层，其中，1~5层为裙房，6~30层为客房和写字间。建筑总面积为42500m2，制冷机房位于地下二层，15层为设备层，冷却塔设置在裙房屋顶。大厦设独立锅炉房。位于大厦后地下室。该大厦空调水系统分高区和低区两个独立系统，15层以下为低区，16~30层为高区，高低区分别采用两台溴化锂吸收式冷水机组（一用一备），3台冷冻水泵和3台冷却水泵（水泵一用两备）。制冷机房位于地下二层。15层为设备层，设置高区采暖用换热设备和循环泵。低区冬季空调和采暖用热水由设置在地下二层的板式换热机组提供。大厦设独立锅炉房提供蒸汽，夏季用于空调制冷，冬季用于采暖。大厦风系统均为风机盘管加新风系统。本文以低区空调水系统为例进行说明。3低区空调水系统测试及诊断3.1水系统设计参数及运行模式低区空调水系统原理图如图1所示，各设备的主要设计铭牌参数如表1所示。蒸汽凝结水冷冻水冷冻水冷却水冷却水冷冻水泵冷却水泵吸收式冷水机组吸收式冷水机组AECGGCEA图1低区空调冷源系统原理图表1低区空调水系统设备主要铭牌参数制冷量(kW)冷冻水进出口温度(°C)冷冻水流量（m3/h)冷却水进出口温度(°C)冷却水流量（m3/h)蒸汽耗量kg/h溴化锂冷水机组133612/723037.6/323801750流量（m3/h)扬程（m）水泵效率（%）电机电流（A）电机转速（r/min）电机输出功率(kW)冷冻水泵3744287084.2148045流量（m3/h)扬程（m）水泵效率（%）电机电流（A）电机转速（r/min）电机输出功率(kW)冷却水泵3463870103148055冷机的运行时间为5：00~24：00，每天上、下午各停机半小时，启停方式为人工控制。在两台冷机实际运行中，一台制冷，一台不制冷，但冷冻水和冷却水也同时流经不制冷的冷机，即在冷冻水管路和冷却水管路中，两台冷机的蒸发器和冷凝器并联始终参与水路循环。冷冻水泵和冷却水泵运行台数均为一台，且始终定转速运行。在冷机停止运行期间，冷冻水泵和冷却水泵也正常运行。各水泵的启停控制均为手动控制。3.2空调水系统测试参数及能效计算冷机的测试参数主要包括：冷冻、冷却水进出口温度及流量。冷冻、冷却水泵的测试参数主要包括：水泵的进出口压力、水泵流量、电机输入功率。对冷水机组，可以用冷冻水和冷却水的供回水温差、供冷负荷率、机组COP值等参数进行评价。对水泵，可以用水泵扬程、流量、有效功率比、电机输入功率比、水泵总效率及水泵总效率比等参数来评价，其中电机输入功率比为电机实际输入功率与设计输入功率之比。水泵总效率比为水泵实际总效率与设计总效率之比。温度测量有两种方法，一是用机组自带的自控系统的屏幕读值，二是测试人员安装的玻璃管温度计；压力测量使用机组的各进出水管及水泵进出口自带的压力表；流量测量采用超声波流量计；功率测量使用多参数功率表。3.2.1冷机测试参数及能效计算图2、3为低区开启冷机冷冻水和冷却水的供回水温度在测试几天内的变化曲线，时间范围为8月2日至8月8日。表2给出了低区冷机的能效测算结果。6810121416181234567891011121314不同时间测点温度冷冻水回水冷冻水供水252729313335371234567891011121314不同时间测点温度冷却水出水冷却水回水图2低区冷冻水供回水温度变化图3低区冷却水供回水温度变化表2低区开启冷水机组能效性能计算结果测试日期冷冻水温差(°C)制冷量(kW)供冷负荷率(%)冷却水温差(°C)冷凝热量(kW)实际蒸汽供热量(kW)蒸汽阀开度（%）制冷系数室外气温(°C)8月2日2.9456.1134.773.6900.85479.3182.50.97298月3日3474.8735.53.4811.23370.0055.61.28264.2679.4851.85.11115.94480.101001.4227.78月4日4.0658.3049.34.41054.95436.31401.51283.5598.8244.744.1987.79427.8756.81.4027.78月5日4.2708.8153.05.31363.26719.9095.60.9829.73.9676.3450.55.31264.57647.05701.05262.5419.031.32.6593.12191.5341.22.1925.18月6日2.5436.4632.613.0803.08403.2942.51.08-4.2703.9252.635.81356.86718.241000.9824.48月7日2.8466.0234.843.0775.15340.0429.31.3727.43.8636.8847.615.21416.22857.2779.30.7427.08月8日2.4399.4529.862.2545.40160.5418.12.4928.63.2.2水泵测试参数及能效计算图4为低区冷冻水泵进出口的压力变化情况，图5为低区冷冻水泵的流量变化情况，表3、4为低区冷冻水泵、冷却水泵的能效计算表。时间范围为8月2日至8月8日。0.150.20.250.30.350.40.451357911131517不同时间测点压力(MPa)进口压力出口压力流量3003504004501357911131517不同时间测点流量（m3/h)图4低区冷冻水泵进出口的压力变化情况图5低区冷冻水泵的流量变化情况表3低区冷冻水泵能效计算结果测试日期水泵扬程(mH2O)水泵流量(m3/h)水泵有效功率(kW)有效功率与额定功率比电机输入功率(kW)电机输入功率比水泵电机总工作效率(%)水泵总效率比(%)8月2日2028515.520.54435.600.57743.5994.318月3日2028715.630.54837.290.60541.9190.688月4日1729013.420.47130.90.50143.4393.968月5日1430511.620.40836.530.59231.8268.848月6日1930615.830.55537.980.61641.6790.168月7日1929115.050.52837.980.61639.6385.748月8日1727512.730.44735.720.57935.6377.09表4低区冷却水泵能效计算结果测试日期水泵扬程(mH2O)水泵流量(m3/h)水泵有效功率(kW)有效功率与额定功率比电机输入功率(kW)电机输入功率比水泵总工作效率(%)水泵总效率比(%)8月2日1538.1215.570.43553.710.84228.9851.638月3日1440315.360.42957.470.90126.7347.628月4日1435613.570.37950.380.79026.9347.988月5日1228312.510.35059.690.93620.9637.348月6日13381.413.500.37758.330.91523.1441.238月7日1337313.20.36958.330.91522.6340.328月8日1640417.60.49255.710.87431.5956.283.3空调低区冷源水系统能效诊断及分析3.3.1冷水机组1）冷冻水和冷却水的供回水温差较小（3~4℃），低于设计5℃温差；冷冻水供水温度较高，最高可达12℃。流量、制冷量均小于额定值。根据供冷负荷率的计算可知实际机组的制冷量只为额定制冷量的30%~50%，属部分负荷运行。2）开启冷机的冷冻水流量一般为设计流量的50%~65%，冷却水流量为设计值的50%~60%，且开启冷机的流量要小于未开启机组的流量。由于冷水经过未开启的机组（只起旁通作用），使得并联后的冷水温度进一步提高，从而减少供冷量。3）机组的制冷系数（COP值）最小为0.74，最大为2.19。机组的制冷系数与蒸汽阀门开度、室外气温及制冷量的关系如图6~图8所示。0.511.522.53020406080100120开度（%）COP0.511.522.5320222426283032室外温度（℃）COP图6机组COP值与阀门开度的关系图7室外气温与制冷系数的关系00.511.522.53300400500600700800制冷量（KW）COP图8制冷量与制冷系数的关系由图6~图8可以看出在阀门开度达到80%之前，COP值随着阀门开度的增大而减小；当阀门开度达到80%左右后随着开度的增大而增大。COP值随着室外气温的增大而减小。制冷量较小时COP值较高，制冷量增加时COP值有所降低，大都在1~1.5之间变动。该机组的COP值主要集中在1~1.5之间。个别值能达到2.4左右，而冷机的额定COP为1.17，从而说明冷机COP在部分负荷下运行时较设计工况时值。由于冷机大部分时间在部分负荷下运行，因此提高冷机部分负荷的COP是提高机组运行能效的关键。由于测试的时间周期短，测试点较少，加上引起COP值变化的因素较多。上图给出的变化趋势只能作为参考，有待于通过更多的测试数据说明。4）由计算可以看出冷冻水量不平衡率大部分在10%以下，个别达到30%。开启机组的冷冻水量总是小于未开启机组的冷冻水量，说明两台机组所在的分支管路阻力不等，且开启机组的阻力稍大一些。3.3.2冷冻、冷却水泵1）冷冻水泵和冷却水泵的实际运行工况与设计工况相差较大，冷冻水泵的扬程只达到设计工况点下扬程的50%~70%。实际流量为设计流量的70%~80%；冷却水泵的扬程只达到设计工况点下扬程的30%~40%，实际流量都超过了设计流量，最大可达到实际流量的1.17倍。2）冷冻水泵的有效功率比在0.4~0.5之间，电机的功率比在0.5~0.6之间；冷却水泵的有效功率比在0.35~0.5之间，电机输入功率比在0.85~0.95之间。但冷冻水泵的总效率在30%~40%之间，达到设计总效率的80%~90%，而冷却水泵的总效率在20%~30%之间，在设计总效率的60%以下。由此看出，水泵本体应当与电机容量相匹配。选择不适当的配用电机会使得总效率很低。3）建议水泵需重新设计选型，减少水泵数量，取消备用水泵，增加变频器。通过改变电机频率改变水泵流量，来减小水泵功耗。4结论1）对于该水系统，建议将并联机组中未开启冷机阀门