磁懸浮技術(shù)在某公共機(jī)構(gòu)中央空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)改造中的應(yīng)用及節(jié)能效果分析

李慧娟，譚祥詩(shī)，王黎

（廣州匯錦能效科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第四十七條列明了公共機(jī)構(gòu)的定義及提出了對(duì)公共機(jī)構(gòu)節(jié)能的要求：公共機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)厲行節(jié)約，杜絕浪費(fèi)，帶頭使用節(jié)能產(chǎn)品、設(shè)備，提高能源利用效率。本法所稱公共機(jī)構(gòu)，是指全部或者部分使用財(cái)政性資金的國(guó)家機(jī)關(guān)、事業(yè)單位和團(tuán)體組織。加大既有建筑節(jié)能改造力度，推進(jìn)綠色高效制冷行動(dòng)，重點(diǎn)推進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造，加強(qiáng)智能管控和運(yùn)行優(yōu)化，是國(guó)家“十四五”期間對(duì)公共機(jī)構(gòu)開(kāi)展節(jié)能工作的要求［1］。

盡管公共機(jī)構(gòu)的能源資源消耗占全社會(huì)消耗的比例較小，但是公共機(jī)構(gòu)的社會(huì)屬性決定了其在社會(huì)中具有顯著的示范引領(lǐng)作用，因此公共機(jī)構(gòu)節(jié)能工作意義重大。公共機(jī)構(gòu)帶頭節(jié)約能源資源，可以在全社會(huì)中起到表率作用，對(duì)增強(qiáng)全社會(huì)的節(jié)能意識(shí)和形成良好的節(jié)能氛圍起到示范與引導(dǎo)作用［2］。對(duì)公共機(jī)構(gòu)自身而言，開(kāi)展節(jié)能工作能有效減少能源資源浪費(fèi)，提高能源資源利用率，節(jié)約財(cái)政支出，進(jìn)而降低行政運(yùn)行成本，提高行政效能［3］。

根據(jù)中國(guó)空調(diào)制冷網(wǎng)的調(diào)查結(jié)果［4］，公共機(jī)構(gòu)的能耗主要是由建筑物能耗構(gòu)成的，其占據(jù)公共機(jī)構(gòu)能耗總量的70%。在建筑物能耗中，以最常見(jiàn)的辦公建筑電耗結(jié)構(gòu)為例，空調(diào)、照明、辦公設(shè)備、電梯占據(jù)98%的能耗總量，其中空調(diào)系統(tǒng)電耗占辦公建筑能耗最多，為59.95%，照明電耗占21%，辦公設(shè)備電耗占13%，電梯電耗占4%?？梢?jiàn)空調(diào)系統(tǒng)在辦公建筑能耗中耗電量最多，其節(jié)能潛力巨大。而在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組能耗又占其能耗的50%～70%［5］，因此從改造高耗能舊設(shè)備入手，選用高效節(jié)能的冷水機(jī)組是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排的重要措施。

本文以某公共機(jī)構(gòu)既有辦公建筑為例，介紹了其中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造項(xiàng)目中所用到的節(jié)能技術(shù)，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，大大改善了辦公環(huán)境舒適度并達(dá)到了節(jié)能減排的效果，為公共機(jī)構(gòu)綠色高效制冷系統(tǒng)建設(shè)或中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造項(xiàng)目提供一定的借鑒。

1 項(xiàng)目概況

本案例實(shí)施中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的既有辦公建筑位于廣州市中心，是一棟26層高的一類高層公共建筑。

1.1 原系統(tǒng)設(shè)備狀況

該辦公建筑中央空調(diào)冷水機(jī)房位于負(fù)一層，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，原系統(tǒng)設(shè)備配置情況如下：2臺(tái)約克品牌定頻水冷螺桿式冷水機(jī)組，2007年12月投入使用，制冷量為1 122 kW，COP＝5.23；3臺(tái)冷凍水泵（2用1備），3臺(tái)冷卻水泵（2用1備）；2臺(tái)雙風(fēng)機(jī)側(cè)出風(fēng)橫流冷卻塔，安裝于四樓設(shè)備層，單臺(tái)循環(huán)水量為300 m3/h，總電機(jī)功率為5.5×2 kW。

1.2 原系統(tǒng)存在問(wèn)題

（1）原冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間將近15年，基本接近設(shè)備的使用壽命，制冷能效嚴(yán)重衰減，能耗逐年遞增，且多次發(fā)生故障，維保、維修成本高。另外該冷水機(jī)組使用的冷媒為已被國(guó)家列入淘汰的R22，此冷媒產(chǎn)量少且價(jià)格高。

（2）原冷水機(jī)組為定頻控制，通過(guò)滑閥調(diào)整負(fù)荷，其COP隨負(fù)荷率的升高而增大，滿負(fù)荷情況下機(jī)組能效最高。而該辦公建筑內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷受季節(jié)影響較大，全年有較多的時(shí)間冷水機(jī)組運(yùn)行在部分負(fù)荷的狀態(tài)。且辦公樓晚上有部分人員加班，為保證加班人員工作環(huán)境舒適性，晚上中央空調(diào)持續(xù)供冷，冷水機(jī)組此時(shí)供冷負(fù)荷較?。ú蛔?5%），導(dǎo)致設(shè)備的整體運(yùn)行效率較低。

（3）原冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)都采用了定流量一級(jí)泵系統(tǒng)，在絕大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，空調(diào)水系統(tǒng)處于大流量、小溫差的狀態(tài)，不利于節(jié)約水泵的能耗［6］。另外，原冷凍水泵和冷卻水泵額定流量偏小，且管網(wǎng)的水阻力較大，導(dǎo)致運(yùn)行1臺(tái)冷水機(jī)組需同時(shí)運(yùn)行2臺(tái)冷凍水泵和2臺(tái)冷卻水泵，運(yùn)行能耗偏高；原水泵配套的電機(jī)均采用了已被列入國(guó)家明令淘汰目錄的Y2系列電機(jī)，能效低下。

（4）2臺(tái)冷卻塔的電機(jī)外表已銹蝕嚴(yán)重，且換熱填料老化及結(jié)垢嚴(yán)重，部分補(bǔ)水管也已銹蝕開(kāi)裂。

（5）原中央空調(diào)系統(tǒng)無(wú)智能管控功能，設(shè)備都是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工啟停，整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)加減載設(shè)備或控制水泵變頻，運(yùn)行能耗高。尤其每次冷卻塔的啟停都要前往安裝在四樓設(shè)備層的啟動(dòng)柜人工現(xiàn)場(chǎng)操作，給運(yùn)維人員帶來(lái)極大不便。

（6）中央空調(diào)機(jī)房位于負(fù)一層，在供冷季節(jié)，機(jī)房設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生噪聲引起地面的振動(dòng)，嚴(yán)重影響一樓辦公舒適性以及一樓會(huì)議室的使用。

2 改造內(nèi)容

針對(duì)以上存在的問(wèn)題及綜合考慮該辦公建筑功能情況，對(duì)原中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施了以下改造內(nèi)容。

2.1 更換高能效的磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組

名義工況性能系數(shù)COP和綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV是評(píng)價(jià)冷水機(jī)組能效特性的重要指標(biāo)［7］，但辦公建筑所使用的冷水機(jī)組絕大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，采用冷水機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的COP值評(píng)價(jià)冷水機(jī)組性能指標(biāo)存在一定的片面性，所以冷水機(jī)組在整個(gè)空調(diào)運(yùn)行期間的綜合部分負(fù)荷效率IPLV值才能真實(shí)體現(xiàn)冷水機(jī)組的節(jié)能性。更換2臺(tái)1級(jí)能效的磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組，制冷量為1 150 kW，COP值為6.42，IPLV值為9.85，制冷劑為R134 a。

目前在用的定頻螺桿式冷水機(jī)組，運(yùn)行效率低，能源消耗大，而高能效的磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組采用磁懸浮技術(shù)——磁軸承和定位傳感器利用由永久磁鐵和電磁鐵組成的徑向軸承和軸向軸承組成數(shù)控磁軸承系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件懸浮在磁襯上無(wú)摩擦地運(yùn)動(dòng)［8］。

磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組除了壓縮機(jī)采用永磁高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還集成了變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)控制制冷劑流量、調(diào)整轉(zhuǎn)速，保證壓縮機(jī)在部分負(fù)荷下始終處于高效壓縮狀態(tài)［9］，使機(jī)組具有極高的綜合部分負(fù)荷效率IPLV，部分負(fù)荷運(yùn)行下磁懸浮機(jī)組較普通離心機(jī)、螺桿機(jī)有明顯節(jié)能。除此之外，磁懸浮冷水機(jī)組還有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無(wú)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，無(wú)需定期更換潤(rùn)滑油、油過(guò)濾器，無(wú)需定期維護(hù)油路系統(tǒng)，比傳統(tǒng)冷水機(jī)組維護(hù)費(fèi)用減少50%；解決傳統(tǒng)冷水機(jī)組回油問(wèn)題，極大改善冷量衰減，機(jī)組的效率大大提升；由于無(wú)齒輪摩擦，磁懸浮軸承無(wú)磨損，機(jī)組可靠性提高，使用壽命可長(zhǎng)達(dá)30年。

（2）無(wú)級(jí)變頻，可實(shí)現(xiàn)10%～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，溫度控制精準(zhǔn)，且低負(fù)荷時(shí)機(jī)組能夠自動(dòng)避開(kāi)喘振運(yùn)行，不存在傳統(tǒng)機(jī)組的喘振問(wèn)題。

（3）啟動(dòng)電流小，只有2 A，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊且大大降低了啟動(dòng)能耗。

（4）采用R134a環(huán)保冷媒，對(duì)臭氧層零傷害。

（5）機(jī)組振動(dòng)噪聲低，運(yùn)行時(shí)聲壓級(jí)噪聲低至70 dB。

由此可見(jiàn)更換的機(jī)組節(jié)能性更佳且噪聲更小。為進(jìn)一步降低冷水機(jī)組的噪聲以及振動(dòng)的傳導(dǎo)對(duì)一樓大堂及會(huì)議室的影響，為機(jī)組及管道支架加裝了彈簧減震器，并在機(jī)房四周安裝了隔音材料。

2.2 更換輸配系統(tǒng)的水泵及電機(jī)并加裝變頻裝置

原有冷凍水泵及冷卻水泵的流量及揚(yáng)程選型偏小，導(dǎo)致在開(kāi)啟1臺(tái)主機(jī)的情況下需同時(shí)開(kāi)啟2套水泵，開(kāi)啟2臺(tái)主機(jī)需同時(shí)開(kāi)啟3套水泵，極大增加了能耗。更換的水泵按兩用一備且冷水主機(jī)與水泵的1對(duì)1配套運(yùn)行重新配置流量與揚(yáng)程，改造前后水泵參數(shù)如表1所示。

表1 水泵改造前后設(shè)備參數(shù)

原配套的Y2系列電機(jī)屬于國(guó)家淘汰的型號(hào)，已不符合國(guó)家對(duì)水泵的效率要求［10］。因此同步更換配套新水泵的2級(jí)能效節(jié)能高效電機(jī)，并增加彈簧減震器。

原冷凍水泵和冷卻水泵均為工頻運(yùn)行，更換的水泵可在25～50 Hz范圍內(nèi)變頻，本次改造額外為水泵加裝變頻控制裝置，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵頻率，節(jié)約水泵的運(yùn)行能耗。

2.3 更換節(jié)能高效冷卻塔并改造啟動(dòng)柜

原有冷卻塔已使用近15年，老化較嚴(yán)重，更新2臺(tái)節(jié)能高效環(huán)保的冷卻塔，并對(duì)原有冷卻塔啟動(dòng)柜進(jìn)行自動(dòng)化改造，將冷卻塔控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等相關(guān)輸入輸出信號(hào)接入冷源管理控制柜，使之與群控系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)所有冷卻塔的自動(dòng)增減投入和切換現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)/遠(yuǎn)程啟停控制。

2.4 增加機(jī)房群控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能管控

原中央空調(diào)系統(tǒng)所有設(shè)備的配合運(yùn)行只能通過(guò)管理人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)，其冷水機(jī)組和變頻水泵的節(jié)能運(yùn)行離不開(kāi)合理的運(yùn)行控制方案［11］，使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮最大的節(jié)能性。本次改造增加機(jī)房群控系統(tǒng)，加裝冷源管理控制柜及各類傳感裝置及檢測(cè)儀表，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水主機(jī)、水泵、冷卻塔進(jìn)出水溫度、冷凍水流量、主機(jī)制冷量以及電氣參數(shù)的持續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，在智能控制＋設(shè)備改造協(xié)同機(jī)制下，使中央空調(diào)系統(tǒng)得以始終運(yùn)行在高能效狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。其具有以下功能：（1）可實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組、水泵及冷卻塔遠(yuǎn)程/自動(dòng)啟動(dòng)；（2）可根據(jù)冷負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)、輸配系統(tǒng)的水泵變頻；（3）可對(duì)設(shè)備的重要參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可導(dǎo)出報(bào)表數(shù)據(jù)；（4）實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，并且對(duì)發(fā)生故障的設(shè)備觸發(fā)報(bào)警提醒。

機(jī)房群控系統(tǒng)控制界面如圖1所示。

圖1 機(jī)房群控系統(tǒng)控制界面

2.5 增加1臺(tái)風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組保證加班供冷

對(duì)于辦公樓晚上有部分人員加班的情況，經(jīng)測(cè)算需要提供約130 kW制冷量以保證局部辦公的供冷條件。為進(jìn)一步節(jié)約能耗，為晚上加班供冷選用1臺(tái)制冷量為130 kW風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組以及2臺(tái)冷凍水泵（1用1備），安裝在四樓設(shè)備層冷卻塔附近，通過(guò)安裝冷凍水泵管接入位于同層的中央空調(diào)供回水總管立管。增加風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 安裝在四樓設(shè)備層的風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組示意圖

3 節(jié)能效果

3.1 冷水機(jī)組更換前后節(jié)能效果對(duì)比

該項(xiàng)目8月1日更換了第1臺(tái)磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組并投入運(yùn)行，對(duì)單臺(tái)冷水機(jī)組更換前后運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行手工記錄，此時(shí)水泵尚未更換，水泵變頻柜尚未安裝，機(jī)房群控系統(tǒng)尚未搭建，通過(guò)記錄主機(jī)控制柜顯示屏上的冷凍水、冷卻水供回水溫度，記錄機(jī)房控制室斷路器LCD顯示屏上顯示的機(jī)房設(shè)備總電流讀數(shù)，數(shù)據(jù)整理如表2所示。

表2 單臺(tái)冷水機(jī)組更換前后運(yùn)行數(shù)據(jù)

對(duì)比室外溫度同為31℃的7月7日和8月11日抄表記錄，改造前系統(tǒng)總電流598 A，改造后為359 A，節(jié)電率為39.97%。

3.2 磁懸浮冷水機(jī)組運(yùn)行實(shí)測(cè)能效分析

機(jī)房群控系統(tǒng)搭建后，可對(duì)改造完成后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控記錄，系統(tǒng)定期采集輸配系統(tǒng)冷凍水、冷卻水的供回水溫度、冷凍水流量，以及各耗能設(shè)備（冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔）的耗電量［12］。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，群控系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)制冷量及冷水機(jī)組耗電量等，可分析改造后冷水機(jī)組的運(yùn)行能效情況?，F(xiàn)根據(jù)9月下旬的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析本項(xiàng)目磁懸浮冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，如圖3所示。由圖可知，9月下旬機(jī)組負(fù)荷率基本集中在45%～75%之間，隨著負(fù)荷率的升高，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組COP逐漸減小。總體來(lái)看，系統(tǒng)大部分時(shí)間都運(yùn)行在磁懸浮機(jī)組的高效區(qū)間范圍內(nèi)。

圖3 磁懸浮冷水機(jī)組COP與負(fù)荷率關(guān)系

3.3 機(jī)房整體能效實(shí)測(cè)評(píng)價(jià)

機(jī)房整體能效EER（Energy Efficiency Ratio）是評(píng)價(jià)高效機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)，EER即空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組全年累計(jì)制冷量與空調(diào)系統(tǒng)制冷設(shè)備（冷機(jī)、水泵、冷卻塔等）全年累計(jì)耗電量比值，其不僅與機(jī)組能效有關(guān)，同時(shí)受水泵和冷卻塔的影響［13］。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，群控系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算出實(shí)時(shí)EER值，9月下旬系統(tǒng)運(yùn)行的EER數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖可知，這段時(shí)間的EER平均值為3.84，依據(jù)DBJ/T 15-129-2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》［14］對(duì)制冷機(jī)房系統(tǒng)運(yùn)行能效進(jìn)行分級(jí)，達(dá)到二級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行EER值

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目原有的冷水機(jī)組使用年限已久，噪聲大，舒適度下降，故障率增加且能耗逐年上升。磁懸浮機(jī)組的無(wú)油運(yùn)行和變頻技術(shù)帶來(lái)的高效、穩(wěn)定、低維保成本、無(wú)喘振、低噪聲等優(yōu)勢(shì)［15］，與原定頻水冷螺桿式冷水機(jī)組相比，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組具備更高的部分負(fù)荷能效比，擁有更高的COP和IPLV，節(jié)能性更佳。

開(kāi)展公共機(jī)構(gòu)建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造建設(shè)工作，要以提高空調(diào)系統(tǒng)能源資源利用效率、降低能源資源消耗、改善室內(nèi)環(huán)境為核心，以建設(shè)綠色高效空調(diào)系統(tǒng)、促進(jìn)公共機(jī)構(gòu)建筑節(jié)能減碳為目標(biāo)，堅(jiān)持“因地制宜，以點(diǎn)帶面，穩(wěn)步推進(jìn)，注重實(shí)效”的原則，重點(diǎn)依靠管理和技術(shù)進(jìn)步，著力推進(jìn)體制和機(jī)制創(chuàng)新，充分發(fā)揮公共機(jī)構(gòu)在推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)中的表率示范作用。