夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的能效測定與評價

摘?要：在系統(tǒng)介紹空調(diào)系統(tǒng)測量方法和檢測要求后，以夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑為例，對空調(diào)系統(tǒng)各組成設備進行檢測。檢測結果表明制冷機組和水泵耗能嚴重，其他設備運行良好。針對這種情況，提出了增加冷凍供回水溫差的措施及對冷凍水泵進行變頻調(diào)節(jié)。該方法為提升空調(diào)運行能效和節(jié)約運行費用具有重要意義。

關鍵詞：空調(diào)系統(tǒng);溫差;冷水機組;能耗

伴隨著社會的快速發(fā)展和生活水平的逐年提高，人們對室內(nèi)舒適性環(huán)境的需求越來越高。空調(diào)系統(tǒng)作為空氣調(diào)節(jié)的裝置，運行使用過程中存在大量能量消耗。同時，它也具有較大的節(jié)能空間，尤其是制冷機組和水泵。通過對空調(diào)系統(tǒng)各個設備進行檢測，不僅可以準確判斷它們的運行情況，還能為后期設備的升級改造提供科學依據(jù)，有助于節(jié)省運行成本，降低系統(tǒng)能耗。

1?測量方法

工程上，空調(diào)系統(tǒng)能效的測定主要采用實測法，即通過直接測定空調(diào)系統(tǒng)各個部分的運行參數(shù)。一般情況下，對設計空調(diào)系數(shù)的各項參數(shù)可采用如下設備進行：溫度檢測可采用溫濕度記錄儀、風速采用風速儀、流量可以采用超聲波流量儀、壓差可采用微壓差計、壓力可采用壓力分析儀或直接讀取機組壓力表讀數(shù)、功率可采用鉗形數(shù)字功率表進行、制冷機組采用專用的測試設備等。

1.1?室內(nèi)平均溫度的檢測方法

如果建筑物采用集中供暖系統(tǒng)或者集中空調(diào)系統(tǒng)，則溫度的測試區(qū)域需要根據(jù)不同系統(tǒng)分區(qū)進行選取，形式相同系統(tǒng)按照20%的比例進行抽檢，且房間數(shù)量不得低于房間總數(shù)的10%。若建筑物分散供冷或供暖，則需要進行溫度檢測的房間數(shù)按總數(shù)10%比例進行抽取。特別是三層及以上建筑物需要設置三個以上檢測點，按照地面一層、二層和最頂層分散布置，且檢測溫度地點通常在人員經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域范圍內(nèi)，以距離地面高度為0.7～1.8m范圍內(nèi)為佳，同時避免在陽光直射區(qū)域和有輻射影響或出風風口等位置布置溫度記錄儀。監(jiān)測點位置數(shù)量需要按照相關的規(guī)范要求進行。一般空調(diào)制冷和供暖能力的測定，分別安排在夏季最熱月和冬季最冷月進行，檢測時間間隔要超過30分鐘，中間不能間斷，最短時間為6小時。

1.2?冷水機組的性能檢測方法

冷水機組檢測有COP系數(shù)檢測和輸入功率檢測，其中輸入功率檢測采用功率檢測工具按規(guī)程操作即可，COP系數(shù)檢測按照相關要求進行。抽取機組的數(shù)量按照如下規(guī)定：當同種型號機組數(shù)量在2臺以下（含2臺），檢測數(shù)量應為1臺機組以上;超過2臺同種型號機組應同時抽取2臺或2臺以上機組進行檢測。在持續(xù)測量60分鐘后，將時間間隔為5～10分鐘的讀數(shù)累加求平均值得出最終結果。檢測供回水溫度差時，可同步檢測供回水溫度，其中流體應充滿管道，應在離機組供回水進出口較近處設置檢測位置。在機組出口遠離局部阻力長直管段上或進口處設置流量傳感器時，管段應在無閥門的長直管段上預留后5D前10D的距離。進行水管路連接時，應根據(jù)被試機組水量選擇合適的水路，且不用將一側(cè)管路上的閥門關閉。當打開水泵，確保水管無漏水后，需對測試管路進行保溫，保溫厚度至少30mm。

1.3?水泵和風機的檢測方法

循環(huán)水泵進行效率檢測，利用超聲波流量計和電力分析儀多次測量的結果累加求出平均值作為最終檢測結果，每次讀數(shù)間隔是5～10分鐘，至少連續(xù)測量1個小時。

檢測參數(shù)是效率，通常會進行多次測量，取累加的結果的平均值作為最終值。在多次測量時，相鄰兩次讀數(shù)的時間間隔是連續(xù)測量時間在1個小時以上。

檢測風機樣品數(shù)量按照20%的總量進行，對于風量不同的空調(diào)機組，每種不同風量風機應最少抽取1臺進行檢測它的單位風量耗功率。風量采用風管風量法檢測時，需要同步測量電機輸入端輸入功率，同時需保證風量壓出端風量值至少是吸入端風量值的20倍。

當動壓小于10Pa時，應該在風管直管段上選取合適截面利用數(shù)字式風速計檢測。檢測斷面位置距離上游局部阻力應該大于5倍管徑，距離下游局部阻力應該大于2倍管徑[1]。對于矩形風管截面而言：當短邊與長邊的比值大2/3時，在界面上最少布點為25個，若長邊長度超過2米，則需要在6條縱線上布置30個點以上即每條縱線上至少有5個點;若截面的長邊與短邊之比不小于15時，則在截面上至少應布置30個點（6條縱線，每個縱線上5個點）[2]。

1.4?供回水溫差及冷源的檢測方法

在進行供回水溫差及冷源檢測時，溫度記錄裝置應同步進行，時間保持一致。盡量保證溫度監(jiān)測點在進出口附近，確保數(shù)據(jù)準確，否則應采取保溫措施，以降低熱量損失造成的數(shù)據(jù)誤差最小。對于預留溫度計預留孔洞的，可在孔洞中重新注入導熱油來測量水溫，否則應將一定計量精度的熱電偶貼片貼在供回水管道外壁，并在測點周圍覆蓋保溫層，防止熱量疏散導致數(shù)據(jù)不準確。

需要不間斷測量1小時以上，每隔一段時間讀取讀數(shù)一次，需要測量6～12次，取所測結果平均值為最終值。通常采用巡檢儀同步檢測流量、供回水溫度和室內(nèi)環(huán)境溫度等數(shù)值，且可實時記錄并保存多組數(shù)據(jù)。該儀器具有儲存功能，可用于后期對節(jié)能狀況進行比對分析。

1.5?冷源系統(tǒng)能效系數(shù)檢測

節(jié)能檢測規(guī)范規(guī)定，按照節(jié)能檢測規(guī)范要求，對于冷源系統(tǒng)獨立的空調(diào)系統(tǒng)需要進行能效系數(shù)檢測，并以多次累加求平均值作為最終值，其中每次讀數(shù)間隔為5～10分鐘且需要連續(xù)測量1個小時以上。

2?檢測依據(jù)

檢測依據(jù)是判定空調(diào)設備是否節(jié)能的標準。按照先個體后系統(tǒng)整體的原則，對各組成設備進行逐一判定，有助于確定單體設備的耗能情況，從而為整個系統(tǒng)節(jié)能降耗的實施提供參考依據(jù)。

2.1?溫度檢測依據(jù)

溫度檢測結果必須符合在夏季以設計溫度為基準，在它附近-1℃～2℃之間波動。如果設計沒有該要求，應按照《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189的規(guī)定進行。

2.2?冷水機組檢測依據(jù)

當機組正常運行時，它本身的運行負荷最低限值應為額定負荷的80%，并需持續(xù)穩(wěn)定運行，同時系統(tǒng)負荷最低限值為系統(tǒng)運行最大負荷的60%。水冷機組冷水出口水溫應在6℃～9℃之間，水冷機組冷卻水進口水溫應在29℃～32℃之間[3]。當冷水出水溫度以7℃為基準時，冷水出水溫度在它附近以-1℃～2℃幅度波動;當冷卻水進水溫度以32℃為基準時，冷卻水進水溫度以-3℃～0℃幅度波動，現(xiàn)場檢測工況滿足或相對優(yōu)于機組額定工況。

2.3?水泵和風機檢測依據(jù)

水泵效率檢測值最低限值為該設備銘牌值的80%。風機單位風量耗功率應不大于單位風量耗功率限值。

2.4?供回水溫差及冷源檢測依據(jù)

當檢測時應保持冷水量穩(wěn)定，檢測工況最小值應為冷水機組負荷的80%數(shù)值時，則冷水供回水溫差應為4℃以上且大于設計溫差的80%。

3?案例評價

3.1?項目概況

以夏熱冬冷地區(qū)某辦公大樓為例，該建筑由14層主樓和7層裙樓組成，其中在裙樓地下一層設置了兩臺螺桿式冷水機組，供回水溫度為7/12℃，在裙樓的7層屋頂與冷水機組對應設置兩臺逆流式冷卻塔，2臺冷凍水泵與2臺冷水機組一對一配置，且采用一次泵變流量系統(tǒng)。與冷水機組一一對應各設2臺冷卻水循環(huán)泵，冷卻水的供回水溫度32/37℃，冷卻水系統(tǒng)工作壓力為600KPa，空調(diào)末端采用風機盤管+新風機組形式，具體配置的主要設備見表1。

3.2?檢測結果

（1）按照室內(nèi)溫度檢測要求，分別抽檢了四種不同類型房間，其中抽檢的辦公室面積分別為17.5m2、25m2、28m2，抽檢的會議室面積分別為40m2、50m2、56m2，抽檢的兩個教室面積均為120m2，餐廳的面積為98.7m2。所有抽檢房間均達標。具體檢測數(shù)據(jù)如表2。

（2）按照螺桿式冷水機組的檢測要求規(guī)定：2臺同種型號機組，應至少抽取1臺機組進行檢測。經(jīng)抽檢其中一臺，所得性能參數(shù)的測試結果見表3。經(jīng)檢測：該型機組運行負荷占60%的額定負荷，檢測結果不達標。

（3）水泵性能檢測。通過實測冷凍水泵和冷卻水泵的流量、揚程和功率，通過計算其實測效率均接近或高于銘牌值的80%，符合相關規(guī)范要求。具體檢測數(shù)據(jù)見表4。

（4）風機性能檢測。在對風機的風量和輸入功率檢測后，確定風機性能達到規(guī)范設定要求，具體數(shù)值見表5。

3.3?測試結果分析及改造建議

3.3.1?空調(diào)末端裝置

對夏季室內(nèi)溫度檢測結果表明，室內(nèi)溫度基本能滿足設計要求，同時滿足室內(nèi)舒適要求，室內(nèi)空調(diào)機組運轉(zhuǎn)正常，未出現(xiàn)異常噪聲，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)開關設置溫度滿足節(jié)能要求。

3.3.2?冷水機組

冷水機組的運行能效偏低。在實際運行中，冷凍水平均供水溫度為8.07℃超過設計溫度7℃，回水溫度為1067℃低于設計溫度12℃，冷凍水平均供回水溫度均高于設計工況，這說明機組的蒸發(fā)溫度高于設計溫度，冷凝溫度低于設計溫度。從實測數(shù)據(jù)來看，冷凍水的最大溫差為3℃，最小溫差為1.7℃，且機組的供冷量在276.3～551.8kW之間。經(jīng)測算，正常情況下僅需一臺機組就能滿足運行制冷需要。但是，末端負荷降低導致其中一臺制冷機組關閉，存在一部分冷凍水由關閉的冷機旁通，冷機的出水溫度上升[4]，最高溫度達到12.1℃。同時，由于末端的水閥沒有調(diào)節(jié)功能，而且末端也沒有旁通，供回水溫差小也是由冷凍水和冷卻水的流量過大造成的。從實測數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，冷凍水的流量基本恒定，并沒有隨負荷變化而改變。進一步擬合冷凍供回水的溫差和冷水機組COP值可以發(fā)現(xiàn)，當溫差越大，對應的COP值就越大，具體見右圖。解決問題的關鍵就是提高冷凍水的供回水溫差和冷凍水量隨負荷改變而變化。因此，當備用制冷主機處于閑置狀態(tài)時，確保旁通閥處于關閉狀態(tài)。

冷水機組結垢嚴重。經(jīng)查閱該主機參數(shù)可知：蒸發(fā)器側(cè)水頭損失為54kPa，冷凝器側(cè)水頭損失為48kPa。通過實際檢測該機組蒸發(fā)器和冷凝器側(cè)水頭壓差均高于額定值，且經(jīng)目測發(fā)現(xiàn)機組長期未清洗，集聚了大量水垢、污泥等，嚴重影響了機組的COP值。解決辦法是機組應該按照操作規(guī)程，定期對系統(tǒng)進行清洗，確保機組運行狀態(tài)良好。

3.3.3?水泵的選型不當

雖然冷凍泵與系統(tǒng)管道的阻力比較匹配，但是冷凍泵和冷卻泵的選型不當，與冷機并不匹配，導致了供回水的溫差較小，流量過大。以全年最熱的七月為例，冷水機組的最大供冷量為551.8kW，若選定介質(zhì)溫度變化的幅度為5℃，根據(jù)水泵流量公式[5]計算得冷凍水泵流量為9478m3/h，僅為單臺冷凍水泵額定流量的67.7%。由于水泵在改變轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速與流量成正比，且轉(zhuǎn)速的平方與立方分別與養(yǎng)成和軸功率成正比，故通過降低水泵轉(zhuǎn)速同步降低其流量和軸功率，避免電動機過載并節(jié)約能耗。解決辦法是水泵系統(tǒng)加裝變頻調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)速度。

3.3.4?冷卻塔

冷卻塔的記錄數(shù)據(jù)比較少，以其中一次記錄數(shù)據(jù)為例，當室外空氣的濕球溫度為30.73℃，冷卻塔的進水溫度為36.1℃，出水溫度為32℃。根據(jù)冷卻塔效率的計算公式[6]可知效率為76.4%。冷卻塔的效率較高，建議對冷卻塔填料進行更換，冷卻塔進出水上增設電動水閥[7]，進一步提升其效率。

3.3.5?其他改造建議

建議對空調(diào)系統(tǒng)增設自動控制裝置，能隨終端負荷變化自主調(diào)節(jié)，避免人為操作不當引起能量耗損，比如設置電動二通調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進入風機盤管的進水量。同時應做好技術資料的記載整理工作，及時對空調(diào)運行季節(jié)能耗情況進行統(tǒng)計，作為運行調(diào)整的依據(jù)，挖掘節(jié)能潛力。在此基礎上，還可以進行運行異常情況分析判斷，查找異常點并及時解決，保證系統(tǒng)處于良好運行態(tài)勢。

空調(diào)系統(tǒng)進行能效測定與評價一方面可以檢測系統(tǒng)在設計階段的初始選型設備的能耗水平，另一方面可以對實際運行的設備進行評估，掌握它的整體運行狀況?？照{(diào)系統(tǒng)經(jīng)過長期的運行，均存在設備老化、運行能效低下等問題，尤其是“大流量小溫差”現(xiàn)象比較普遍。這除了與空調(diào)系統(tǒng)設備設計選型不當有關外，還存在運行使用過程中自控閥門失靈、結垢嚴重等問題。定期對空調(diào)系統(tǒng)進行檢測評估，不僅可以準確發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行存在的問題，指導系統(tǒng)進一步優(yōu)化，還可以進一步提升空調(diào)系統(tǒng)運行能效，提升節(jié)能水平，避免不必要的能源浪費，促進資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]資曉琦.深圳市高層綜合辦公建筑空調(diào)節(jié)能診斷與對策研究[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2007.

[2]胡曉俊.中央空調(diào)系統(tǒng)“大流量小溫差”現(xiàn)象的原因分析及改進措施[J].上海節(jié)能，2013（2）：4448.

[3]楊文.淺談建筑節(jié)能檢測的規(guī)范要求[J].建材與裝飾，2013（5）：341342.

[4]陳魁.通風與空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性能現(xiàn)場檢測方法及節(jié)能性能分析[J].福建建設科技，2017（2）：6971.

[5]魏冉.基于實測的公共建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及能耗分析[D].沈陽：沈陽建筑大學，2018.

[6]康俊儒.某公共建筑空調(diào)系統(tǒng)能效實測與分析[D].北京：北京建筑大學碩士學位論文，2017.

[7]郭林文，郭勇，屈永強.廣州某商場中央空調(diào)系統(tǒng)運行情況分析與建議[J].制冷，2021（40）：7478.

基金項目：湖北省教育廳科學技術研究項目“暖通空調(diào)系統(tǒng)運行能效優(yōu)化研究”（B2018490）階段性成果

作者簡介：劉成（1981—?），男，漢族，湖北荊州人，碩士，講師，研究方向：決策分析和暖通空調(diào)教學研究。