工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案設(shè)計

李春龍，趙盟盟，束星北

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100000)

當(dāng)前在國際上，節(jié)能是一個熱點(diǎn)話題。同時節(jié)能問題也是我國現(xiàn)階段重點(diǎn)探索的一項內(nèi)容。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度相對較快，使我國能源消耗量增速極快，在此過程中，節(jié)能減排的作用日益凸顯，我國走向節(jié)能減排成為必然[1]。實施節(jié)能減排需要在社會各方面都進(jìn)行努力，由于建筑行業(yè)能耗量在社會全部行業(yè)能耗量中占比極大，建筑能耗成為節(jié)能減排中的重點(diǎn)節(jié)能項目[2]。在建筑行業(yè)中，工業(yè)建筑一直是用能大戶，在節(jié)能減排中承擔(dān)著十分重要的責(zé)任，其節(jié)能問題一直備受矚目。

對于工業(yè)建筑而言，節(jié)能工作中最重要的環(huán)節(jié)就是建筑空調(diào)的節(jié)能，這是由于在工業(yè)建筑能耗中，空調(diào)能耗往往占到60%以上，特別是冷卻水系統(tǒng)占據(jù)了大量能耗[3]。可以說工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造工作迫在眉睫[4]。

對于工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造問題，相關(guān)研究的開展越來越多，特別是在最近幾年該問題受到了前所未有的重視。學(xué)者們根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對合理的仿真模擬方法和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行選擇，分析工業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)中各部件間的關(guān)聯(lián)性及其對能耗的影響，從而設(shè)計出對應(yīng)的節(jié)能改造方案。國外學(xué)者主要采用熱回收、建筑智能化等技術(shù)設(shè)計工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案，其中基于熱回收的工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案獲得了比較廣泛的應(yīng)用，使用的熱回收方式具體包括機(jī)房熱回收、排風(fēng)熱回收等。國內(nèi)學(xué)者則主要使用蓄能技術(shù)、設(shè)備變頻技術(shù)等對工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案進(jìn)行設(shè)計，其中設(shè)備變頻技術(shù)獲得了大面積的應(yīng)用。借鑒以上研究成果，將模擬技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案的設(shè)計中，設(shè)計一種基于模擬技術(shù)的工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案，并對設(shè)計方案進(jìn)行測試與驗證。

1 工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案設(shè)計

1.1 工業(yè)建筑空調(diào)模型構(gòu)建

基于模擬技術(shù)構(gòu)建工業(yè)建筑空調(diào)模型，首先獲取工業(yè)建筑空調(diào)的特征，包括動態(tài)過程速度差異很大、多回路多變量、工作過程復(fù)雜、分布參數(shù)等，根據(jù)其特征決定構(gòu)建一種模擬穩(wěn)態(tài)模型[5]。構(gòu)建的工業(yè)建筑空調(diào)模型具體包括冷水機(jī)組模型、表冷器模型、冷卻塔模型以及輸送流體設(shè)備模型等。

在構(gòu)建工業(yè)建筑空調(diào)模型的過程中，首先需要獲取各子模型參數(shù)，包括輸送流體設(shè)備參數(shù)、冷卻塔參數(shù)、表冷器參數(shù)、冷水機(jī)組參數(shù)[6]。通過實測數(shù)據(jù)對以上參數(shù)進(jìn)行模擬，所需要的實測數(shù)據(jù)具體見表1。

表1 所需要的實測數(shù)據(jù)Tab.1 Required measured data

在對工業(yè)建筑空調(diào)進(jìn)行模擬仿真時，利用表1實測數(shù)據(jù)對輸送流體設(shè)備參數(shù)、冷卻塔參數(shù)、表冷器參數(shù)、冷水機(jī)組參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行模擬，從而構(gòu)建工業(yè)建筑空調(diào)模擬模型，模型構(gòu)建中使用的編程軟件為VC++6.0[7]。

1.2 設(shè)計冷機(jī)節(jié)能改造方案

離心式磁懸浮冷水機(jī)組與普通冷水機(jī)組的負(fù)荷能效對比如圖1所示。

圖1 離心式磁懸浮冷機(jī)與普通冷機(jī)的負(fù)荷能效對比Fig.1 Comparison of load energy efficiency between centrifugal magnetic levitation cooler and common cooler

通過構(gòu)建的工業(yè)建筑空調(diào)模擬模型，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前工業(yè)建筑空調(diào)冷機(jī)存在換熱器臟堵、負(fù)荷率低等問題。根據(jù)以上問題，設(shè)計冷機(jī)的節(jié)能改造方案。在設(shè)計的冷機(jī)的節(jié)能改造方案中，首先需要對冷水機(jī)組進(jìn)行更換[8]。對于工業(yè)建筑空調(diào)來說，冷水機(jī)組是核心設(shè)備，也是節(jié)能問題中的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)冷水機(jī)組搭配不合理，存在效率低、負(fù)荷率低等問題，對其運(yùn)行性能造成嚴(yán)重影響時，其能耗會很高，需要對其進(jìn)行更換[9]。更換時選用離心式磁懸浮冷水機(jī)組。離心式磁懸浮冷水機(jī)組是一種冷水機(jī)組領(lǐng)域的新技術(shù)，其核心在于壓縮機(jī)軸承處的磁懸浮技術(shù)，使用環(huán)保氟利昂R134a作為制冷劑[10]。離心式磁懸浮冷水機(jī)組采用的運(yùn)行方式為無油運(yùn)行，并且其部分負(fù)荷性能十分優(yōu)異。

對于不存在比較嚴(yán)重的老化問題以及制冷量比較匹配的冷水機(jī)組來說，需要通過清洗冷凝器和蒸發(fā)器[11]。同時在原來的水系統(tǒng)上對自動清洗裝置進(jìn)行加裝，以實現(xiàn)節(jié)能目的[12]。

1.3 設(shè)計水系統(tǒng)節(jié)能改造方案

為使能夠更加高效、安全地運(yùn)行，以及使其整體不平衡率更低，對水系統(tǒng)實施節(jié)能改造[13]。 首先由于水泵普遍存在效率低、選型揚(yáng)程大、能耗大等問題，需要對部分水泵進(jìn)行更換。將更換的水泵作為主要運(yùn)行的水泵，原有的水泵則作為備用水泵[14]。選擇2種節(jié)能水泵作為備選型號，在選型時以系統(tǒng)流量揚(yáng)程為依據(jù)對型號進(jìn)行選擇。備選水泵型號的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 備選水泵型號的技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of alternative pump models

還需要改造水系統(tǒng)的對應(yīng)流量控制，采用的節(jié)能改造方案為在冷凍水泵上對變頻器進(jìn)行加裝，使冷凍水系統(tǒng)變成一次泵變流量系統(tǒng)[15]。同時，還需要對冷卻塔和水泵實施運(yùn)行調(diào)試，并對水系統(tǒng)實施平衡調(diào)試。

1.4 設(shè)計空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造方案

對于空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)，制定了一系列空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)量分配和氣流組織、末端與室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)的相關(guān)節(jié)能改造方案?？照{(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造方案如圖2所示[16]。對于空調(diào)系統(tǒng)，還需要安裝能源管理服務(wù)系統(tǒng)[17]。

2 方案實施與測評

2.1 方案實施前能效數(shù)據(jù)

利用設(shè)計的基于模擬技術(shù)的工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案對某工業(yè)建筑空調(diào)實施節(jié)能改造，對設(shè)計方案進(jìn)行驗證與測評。

由于冷卻水系統(tǒng)占據(jù)了大量工業(yè)建筑空調(diào)能耗，因此實驗主要針對冷卻狀態(tài)進(jìn)行，以獲得更加明顯、更具對比度的實驗效果。

在實施設(shè)計的節(jié)能改造方案之前，需要對實驗工業(yè)建筑空調(diào)實施1次能效測試，以獲得對比實驗數(shù)據(jù)。記錄冷卻水系統(tǒng)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行4.5 h后的能效數(shù)據(jù)。測試時，工業(yè)建筑室內(nèi)平均相對濕度以及空氣溫度情況如圖3所示。

測試時，實驗工業(yè)建筑空調(diào)的運(yùn)行工況：冷卻塔4臺+冷卻水泵2臺+冷凍水泵2臺+1號離心機(jī)組。測試的方案實施前。冷機(jī)制冷測試能效數(shù)據(jù)見表3、冷源系統(tǒng)測試能效數(shù)據(jù)見表4。

圖2 空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造方案Fig.2 Energy-saving renovation scheme of air conditioning and ventilation system

圖3 工業(yè)建筑室內(nèi)平均相對濕度以及空氣溫度情況Fig.3 Average indoor relative humidity and air temperature in industrial buildings

表3 方案實施前冷機(jī)制冷測試能效數(shù)據(jù)Tab.3 Energy efficiency data of the chiller refrigeration test before the implementation of the plan

表4 方案實施前冷源系統(tǒng)測試能效數(shù)據(jù)Tab.4 Energy efficiency data of cold source system test before the implementation of the plan

根據(jù)表3、表4的測試能效數(shù)據(jù)可知，實驗工業(yè)建筑空調(diào)熱舒適度不達(dá)標(biāo)，在連續(xù)運(yùn)行時，其能效比為2.55，說明其運(yùn)行能效較低，但耗能量卻較高。此時制冷設(shè)備的具體能耗占比如圖4所示。

圖4 節(jié)能改造前制冷設(shè)備的具體能耗占比Fig.4 Specific proportion of energy consumption of refrigeration equipment before the implementation of the energy-saving transformation plan

由圖4實施節(jié)能改造方案前制冷設(shè)備的具體能耗占比數(shù)據(jù)可知，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵能耗占比偏大，水系統(tǒng)的實際輸配能耗占比過大。

2.2 方案實施后能效數(shù)據(jù)

利用設(shè)計的基于模擬技術(shù)的工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案對實驗工業(yè)建筑空調(diào)實施節(jié)能改造，改造后在同樣的實驗條件下再進(jìn)行一次能效測試。測得的方案實施后的能效數(shù)據(jù)具體見表5、表6。

表5 方案實施后冷機(jī)制冷測試能效數(shù)據(jù)Tab.5 Energy efficiency data of the refrigeration test of the cooler after the implementation of the plan

根據(jù)表5、表6的測試能效數(shù)據(jù)可知，實驗工業(yè)建筑空調(diào)的能效比獲得了明顯提升，也就是其運(yùn)行能效明顯升高。同時，其耗能量也大幅降低。此時制冷設(shè)備的具體能耗占比如圖5所示。

表6 方案實施后冷源系統(tǒng)測試能效數(shù)據(jù)Tab.6 Test energy efficiency data of cold source system after the implementation of the plan

圖5 實施節(jié)能改造方案后制冷設(shè)備的具體能耗占比Fig.5 Specific proportion of energy consumption of refrigeration equipment after the implementation of the energy-saving transformation plan

由圖5實施節(jié)能改造方案后制冷設(shè)備的具體能耗占比數(shù)據(jù)可知，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵能耗占比明顯降低，并且水系統(tǒng)的實際輸配能耗占比也得到了降低。

3 結(jié)語

在工業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造方案的設(shè)計中應(yīng)用了模擬技術(shù)，構(gòu)建了工業(yè)建筑空調(diào)模型，并根據(jù)該模型對冷機(jī)、水系統(tǒng)以及空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造，取得了良好的改造效果。由于研究時間與成本的限制，沒能進(jìn)行更加深入地研究，將會在日后的研究中進(jìn)行深入探究。

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