某廣電中心中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與節(jié)能改造建議

程 峰

(安徽廣播電視臺，安徽 合肥 230022)

0 引 言

據(jù)有關(guān)資料，我國大型公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑能耗的50%～60%。廣電中心是設(shè)備多、能耗大的特殊建筑群，由于管理粗放，節(jié)能潛力巨大。為做好節(jié)能工作，需對基期能耗進(jìn)行測算，調(diào)研空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理存在的問題，提出針對性改造建議。

1 建筑及中央空調(diào)系統(tǒng)概況

該廣電中心大樓屬于大型公共建筑，集綜合辦公、節(jié)目制作、傳輸覆蓋、技術(shù)保障和后勤服務(wù)于一體，擁有各類演播廳、直播間、錄音棚共79個。建筑面積約37萬m2，主樓高226.7 m，共 46層，長約816 m。目前投入使用總建筑面積約 31萬m2，集中空調(diào)供能面積約20萬m2。

本項目所在地屬夏熱冬冷氣候區(qū)，其中央空調(diào)系統(tǒng)具有工藝復(fù)雜、設(shè)備眾多、位置分散，冷熱負(fù)荷大、日負(fù)荷變化大，不同區(qū)域控制要求不同的特點(diǎn)。設(shè)計夏季峰值冷負(fù)荷45 888 kW，冬季峰值熱負(fù)荷33 140 kW，設(shè)計單位冷負(fù)荷為117 W/m2，單位熱負(fù)荷為105 W/m2。

冷熱源及水力輸配設(shè)備共182臺，設(shè)備總功率為26 890 kW。夏季供冷采用常規(guī)電制冷系統(tǒng)(原設(shè)計水蓄冷未實施)，能源中心安裝按梯次配置的8臺制冷主機(jī)(5臺雙機(jī)頭離心機(jī)、2臺單機(jī)頭離心機(jī)，1臺螺桿機(jī)，總裝機(jī)量為Q=37 500+7 000+1 500=46 000 kW)，冷凍、冷卻水泵一對一設(shè)置，共39臺開式冷卻塔，冷凍水設(shè)計采用7℃大溫差運(yùn)行，供回水溫度為：6.0 C/13.0 C。冬季采用市政蒸汽換熱空調(diào)形式，外區(qū)供熱，內(nèi)區(qū)及工藝機(jī)房仍供冷(冬季采用冷卻塔自然供冷模式)，安裝有2組全自動蒸汽換熱機(jī)組(換熱量：6 000 kW/組，供回水設(shè)計溫度48～58 ℃)。能源中心距本工程冷熱負(fù)荷最遠(yuǎn)負(fù)荷端為560 m，最大高差為233 m，本項目采用國內(nèi)較少見的區(qū)域三次泵分區(qū)、分段輸配系統(tǒng)，如圖1所示，設(shè)計冷水一次泵為定流量，其余為變流量，整個系統(tǒng)配置兩管制和四管制兩個獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)。東西區(qū)共5個三級泵房，約376間末端空調(diào)機(jī)房，已安裝空調(diào)機(jī)組388臺，新風(fēng)機(jī)組161臺，風(fēng)機(jī)盤管2 242臺。

圖1 中央空調(diào)區(qū)域三次泵系統(tǒng)示意圖

2 運(yùn)行管理現(xiàn)狀

該項目自2014年正式投運(yùn)以來，因各種原因一直未實施中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，除蒸汽換熱機(jī)組可自動調(diào)節(jié)運(yùn)行外，空調(diào)冷機(jī)和水泵完全依靠人工經(jīng)驗開關(guān)機(jī)和臺數(shù)增減運(yùn)行，人工抄表并設(shè)備巡視；控制柜雖已安裝變頻器，但仍以定流量運(yùn)行；各級管路旁通無控制導(dǎo)致混水及水力失調(diào)現(xiàn)象較嚴(yán)重，夏季主機(jī)供水溫度7℃時，三級泵房供水溫度在10 ℃以上；夏季冷卻水存在大流量小溫差運(yùn)行(主機(jī)冷凝器設(shè)計溫差5℃，實際運(yùn)行溫差2～3℃)，在更換冷機(jī)時冷卻塔容易出現(xiàn)溢流；空調(diào)系統(tǒng)安裝的全程電子水處理器工作不正常，現(xiàn)采用人工加藥方式進(jìn)行水質(zhì)處理；末端空調(diào)機(jī)組通過加裝定時器實現(xiàn)定時控制，雖已安裝比例積分調(diào)節(jié)閥，但只能手動調(diào)節(jié)，無法滿足工藝性和舒適度要求。

據(jù)近年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，制冷機(jī)組全年運(yùn)行約200 d，冬季供暖約130 d，冬季冷卻塔自然供冷約150 d，均為24 h運(yùn)行。夏季高溫期最多開3臺制冷主機(jī)(峰值負(fù)荷為18 500 kW)，夜間減少冷機(jī)運(yùn)行臺數(shù)。夏季非高溫期通常運(yùn)行1～2臺制冷主機(jī)，當(dāng)演播廳使用較多時，空調(diào)負(fù)荷加大，則增加主機(jī)和區(qū)域水泵臺數(shù)供冷。

3 基期能耗估算與分析

2015年～2018年該廣電中心水、電、蒸汽年度能耗分項統(tǒng)計見表1。

表1 廣電中心建筑能耗統(tǒng)計表

由于空調(diào)冷熱水為閉式循環(huán)，冷卻水夏季200 d的補(bǔ)水量為2～2.5萬t，用能占比較小，暫忽略不計，僅對用電和采暖蒸汽能耗進(jìn)行測算和分析。

3.1 電能耗估算

對于本項目來說，因缺少空調(diào)系統(tǒng)分項計量數(shù)據(jù)，且600 m2以上各大型演播廳非常態(tài)使用，變量太多，為了便于計算，本文在研究空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計安裝概況與用能設(shè)備參數(shù) 、運(yùn)行控制策略及全年運(yùn)行時間等情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)詳細(xì)的值班運(yùn)行記錄和演播廳節(jié)目保障單，采用逐日法進(jìn)行統(tǒng)計。詳細(xì)核算每天開啟的空調(diào)設(shè)備運(yùn)行功率、數(shù)量及運(yùn)行時間，參考逐日氣溫數(shù)據(jù)，分冷熱源、輸配系統(tǒng)和末端空調(diào)系統(tǒng)逐項分類加權(quán)計算(計算過程略)，最終得出中央空調(diào)系統(tǒng)逐月用電量數(shù)據(jù)。

集中空調(diào)負(fù)荷主要影響因素為室外溫濕度、室內(nèi)設(shè)計溫度、新風(fēng)量、人員密度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等。對集中空調(diào)系統(tǒng)能耗影響最大的參數(shù)是溫濕度。查詢近年來該地區(qū)夏季高溫變化如圖2所示。

圖2 2011-2019年平均高溫和極端高溫趨勢圖

從圖2中可以看出2017年為近年來夏季最熱年份，首先選取2017年度作為研究對象，調(diào)取2017年當(dāng)?shù)貧鉁刳厔輸?shù)據(jù)。根據(jù)運(yùn)行記錄，2017年冷機(jī)運(yùn)行228 d，冬季供暖123 d，冷卻塔冬季供冷135天，逐月電能耗統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 2017年中央空調(diào)系統(tǒng)電能耗測算表(單位：kWh)

從上表可以看出，氣溫對中央空調(diào)用電量影響較大，用電量最少在4月(3月14日-4月13日)，最大月份在8月(7月14日-8月13日)，年度平均占比為43.7%。冷熱源及輸配系統(tǒng)用電量占總空調(diào)用電69.25%。

考慮最熱年份后，再考察和選擇一個不冷不熱年度作為研究對象。2018年8月1日-2019年7月31日處于近幾年來夏季平均高溫和暖冬年份(蒸汽用量僅6 830 t)，且變電所技改后可導(dǎo)出該年度能源中心空調(diào)設(shè)備逐月實際用電量，僅需對外圍三級泵和末端空調(diào)用電量進(jìn)行估算，從電力公司調(diào)取廣電中心逐月總用電量數(shù)據(jù)，可更準(zhǔn)確地得到該年度電能耗比例數(shù)據(jù)：

2019年4月份空調(diào)電能耗仍為最少，2018年8月份占比仍為最大，年度中央空調(diào)用電量占比為39.15%，如圖3所示。冷熱源及輸配系統(tǒng)用電量占空調(diào)總用電量的62.54%。

圖3 2018-2019年度中央空調(diào)用電量比例圖

3.2 蒸汽能耗分析

蒸汽能耗統(tǒng)計見表3。

表3 2015-2018年冬季采暖蒸汽能耗統(tǒng)計表(自然年度)

根據(jù)圖3、表3可知，2015～2018年度的平均值約為1萬t。2016年1月因遭遇了30年不遇極寒天氣，蒸汽用量最大。

3.3 節(jié)能空間估算

根據(jù)2017 年能耗測算數(shù)據(jù)，折算標(biāo)煤后各能耗比例如圖4所示。據(jù)相關(guān)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造工程經(jīng)驗，改造后可實現(xiàn)水泵節(jié)能40%～70%(水泵軸功率與頻率的三次方成正比)，冷水機(jī)組節(jié)能10%～20%，蒸汽節(jié)能10%左右。若本項目實施節(jié)能改造，保守估算綜合節(jié)能率為21.4 %，電價按2019年1-7月平均電價0.69元/kWh，蒸汽按當(dāng)前單價265元/t計算，年節(jié)省費(fèi)用約176.5萬元。

圖4 2017年廣電中心用能量比例圖(折算標(biāo)煤)

同理，以2018年8月-2019年7月年度測算數(shù)據(jù)分析，中央空調(diào)節(jié)能改造后，綜合節(jié)能率在22.4%左右，年節(jié)省費(fèi)用約144.9萬元。

4 結(jié)論

中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造后，保守估算年節(jié)省費(fèi)用為145萬～175萬元，若按照年平均700t標(biāo)煤節(jié)能量計算，單位面積年能耗可下降7.8%左右。

5 節(jié)能改造建議

安徽省政府頒布的《“十三五”節(jié)能減排實施方案》要求公共機(jī)構(gòu)以2015年能源消費(fèi)為基數(shù)，2020年人均綜合能耗下降11%、單位建筑面積能耗下降10%，廣電中心作為大型公共建筑，節(jié)能減排工作任重而道遠(yuǎn)，因此建議盡快實施中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，并按照“實時控制、合理輸送、按需生產(chǎn)、綜合集成”的技術(shù)路線，實現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷動態(tài)控制，高效節(jié)能運(yùn)行，設(shè)備自動監(jiān)測及故障報警，保障廣播電視安全播出，提高設(shè)備運(yùn)行管理水平的目標(biāo)。針對本項目特點(diǎn)，提出具體改造建議如下：

(1)改造設(shè)計方案須符合相關(guān)國家規(guī)范，滿足技術(shù)成熟、安全可靠、簡潔實用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、系統(tǒng)開放、擴(kuò)展靈活的綜合要求。

(2)同期建設(shè)能耗綜合監(jiān)測平臺，可實時完成各受控設(shè)備用能計量，動態(tài)生成系統(tǒng)COP曲線，提供節(jié)能報表，為實際節(jié)能量的測量和驗證提供依據(jù)，為制定節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行策略打下基礎(chǔ)。

(3)廣電中心演播廳多，用能時間不規(guī)律，人工管理隨意性大，三次泵空調(diào)系統(tǒng)更為復(fù)雜，時滯、時變和非線性特征使負(fù)荷難以預(yù)測，該系統(tǒng)建設(shè)重點(diǎn)應(yīng)放在冷熱源和水力輸配系統(tǒng)的節(jié)能控制。為保障項目成功，建議選用質(zhì)量可靠、控制策略先進(jìn)的軟硬件控制方案。在評估項目可行性和可靠性時，參考建筑體量及工藝復(fù)雜程度類似的成功案例。

(4)要在保證供能品質(zhì)的前提下實現(xiàn)節(jié)能。除根據(jù)實際負(fù)荷自適應(yīng)調(diào)節(jié)冷水機(jī)組等設(shè)備臺數(shù)，采用水泵變頻自動控制，實現(xiàn)水力平衡外，還可設(shè)置氣候補(bǔ)償節(jié)能裝置，實現(xiàn)供能水溫與室外溫度變化的自動補(bǔ)償和分時分溫控制功能。

(5)廣電中心安全等級要求高，必須加強(qiáng)施工風(fēng)險防控，減少對正常辦公的影響，更不能影響安全播出。在管道上開孔安裝溫度、壓力、流量傳感器時，需在短暫的過渡季節(jié)放水施工，或采用帶壓在線安裝工藝，對施工技術(shù)要求較高?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備管理專用網(wǎng)，一般不與外網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。若采用空調(diào)能源管理云系統(tǒng)，需按照等保建設(shè)要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)管理。

(6)為節(jié)約投資，易于維護(hù)，末端空調(diào)機(jī)組應(yīng)按照保障重要性程度考慮不同的控制配置方案，對于不必要功能，能簡化盡量簡化，滿足最基本溫控、新風(fēng)、定時運(yùn)行、手自動切換即可。

(7))冬季采暖產(chǎn)生的蒸汽冷凝水，溫度為50～60℃，目前水箱回收后通過水泵直接排放存在浪費(fèi)。建議敷設(shè)400 m保溫管道，引至職工餐廳后堂使用。

(8)水質(zhì)保養(yǎng)管理不當(dāng)產(chǎn)生粘泥、結(jié)垢、水藻易造成盤管堵塞、管路附件腐蝕，降低換熱效率，增加能耗，建議加裝2套自動加藥裝置。

(9)既有建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造流程包括：空調(diào)系統(tǒng)調(diào)研與測試，能耗分析，節(jié)能改造措施的提出，節(jié)能潛力分析計算，節(jié)能改造決策實施，節(jié)能量測量與驗證等。由于節(jié)能改造費(fèi)用高、啟動資金落實難等諸多因素，導(dǎo)致節(jié)能工作受到制約，而合同能源管理是解決這一問題的有效途徑之一，也是各級政府以獎代補(bǔ)推動的方式，只要通過規(guī)范流程操作實施，就能減小風(fēng)險，保證項目成功。

6 結(jié)束語

本文采用逐日法初步統(tǒng)計該廣電中心的中央空調(diào)能耗并分析節(jié)能空間，雖然存在一定誤差，但在立項階段不失為一種簡單可行的方法。管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能相輔相成，但科技是第一生產(chǎn)力，只有通過技術(shù)節(jié)能才能更好地推動節(jié)能降耗工作，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。