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1、大型公共建筑冷源系统能耗调查和主要问题分析中国建筑科学研究院 牛利敏 宋业辉 曹勇 路宾 摘要：本文对四个典型城市多个项目的冷源系统进行测试、调查，给出了部分测试调查结果，并对结果进行分析讨论，指出了现有公共建筑冷源系统在系统配置、运行管理、自动控制方面存在的普遍问题和节能潜力，为空调系统的设计、运行提出了建议。关键词：公共建筑 建筑节能 冷源系统 1 引言 目前，建筑节能已成为全社会普遍关注的问题。在所有民用建筑中，大型公共建筑能耗水平最高，而在大型公建的能耗构成中，空调能耗约占建筑能耗的50%。因此公共建筑中央空调系统能耗问题越来越受到人们的重视。冷源系统能耗一般占空调系统总能耗的40-6
2、0%。因此如何提高冷源系统运行效率、降低冷源系统的能耗，对于建筑节能非常重要。冷源系统的实际运行能耗除与冷水机组本身性能有关外，还受系统设计、运行管理和维护保养等诸多因素的影响。近年来的调查结果显示，目前我国现有建筑，特别是大型公共建筑中由于空调系统设计的不合理、设备安装的不规范、运行管理水平低、维护保养不到位和运行策略不科学等原因，导致冷源系统长期在低效率下运行，能源浪费严重。为了能够掌握现有大型公共建筑中冷源系统的实际能耗水平、系统性能、存在的问题，我们对广州、上海、北京和沈阳四个典型城市，共20个公共建筑的冷源系统进行测试和调查。本文将重点对次测试调查的结果及主要问题进行分析。2 测试项
3、目概况及调查方法2.1 测试项目概况 测试20个项目中，建筑面积最小的为10000平方米，最大为100000平方米。使用功能包括酒店、商场、办公和医院。从空调冷源形式分，有8个项目用的是溴化锂吸收式冷水机组，其余12个项目采用电制冷机组，其中包括3个多联式空调系统，4个水源热泵空调系统和5个常规的水冷冷水空调系统。每个项目冷源系统的配置情况在这里不做介绍。2.2 方法 首先在开展测试之前，通过现场勘查、查阅系统设计图纸等了解项目的概况和冷源系统的配置情况，查阅制冷系统的运行记录，了解系统的运行模式；然后根据系统的配置情况和运行模式，确定检测内容和方法，对制冷系统的实际运行参数进行现场测试；最后
4、根据测试结果对运行记录进行整理、必要的修正计算，根据计算机过对系统的运行情况进行评价。3 调查结果这里不再对每个项目的调查结果逐一介绍，针对冷源系统的几个主要参数对测试调查结果进行分析讨论。3.1 能耗水平调查四个典型城市公共建筑冷源系统的平均能耗水平由南向北依次减少，分别为：北京地区典型项目单位空调面积累计每年消耗一次能源量最小为77 MJ/m2年（和97 MJ/m2年，最大值为547MJ/m2年，除去两个能耗较小的使用不正常的项目，其余项目平均单位面积年累计消耗一次能源为364MJ/m2年；上海地区典型项目单位空调面积累计每年消耗一次能源量最小为245MJ/m2年，最大值为921MJ/m2
5、年，各个项目平均单位面积年累计消耗一次能源为455MJ/m2年；广州地区两个典型项目平均单位空调面积年累计消耗一次能源量为618MJ/m2年；沈阳地区两个典型项目平均单位空调面积年累计消耗一次能源量为231MJ/m2年。具体每个项目的能耗情况见表1。表1 调查项目的能耗情况能耗水平 项目编号建筑功能建筑面积单位面积一次能源消耗量（MJ/m2年）单位面积耗电量（kW.h/m2年）A1商场6000040634.5A2办公66606/A3商场4000054746.4A4商场4900025121.3A5医院9400048741.3A6商场10000024020.4A7综合80000776.5A8办公1
6、5600978.2A9办公6211525221.4A10办公14000/B1办公7000024520.8B2办公2370029825.3B3商场3000092178.2B4办公950035730.3B5综合10000/D1酒店8000047140.0D2酒店7800075664.2D3办公30453/E1办公7800015513.2E2医院8500030626.0备注：1.表中A、B、D、E依次代表北京、上海、广州、沈阳四个城市； 2表中划“/”的项目没有完整可靠的运行记录。图1 调查项目单位面积年能耗水平3.2 冷源系统的性能系数空调冷源系统的能耗系数既空调系统产生单位制冷量所消耗的能源数量
7、，冷源系统的能耗系数指制冷季冷源系统消耗的能源与制冷季累计冷负荷的比值，具体计算结果见表2。 表2 典型项目CEC计算结果所在城市项目编号系统CEC所在城市项目编号系统CEC北京A11.18北京A92.47A31.05上海B10.88A41.05B31.31A51.00B41.10A60.99广州D21.46A71.46沈阳E21.23A81.64/备注：1. 表中未列项目均没有运行记录，其余项目的CEC值是根据整个制冷季数据计算结果。 2.项目A9办公大楼空调系统运行管理人员技术水平低，运行方式不科学是造成其能耗系数偏大的主要原因。从表中可以看出典型项目的能耗系数差别较大，最大的为2.47，
8、最小的值为0.88，一般都在11.5之间。图2 调查项目冷源系统CEC3.3 主机性能系数测试不同形式的主机性能系数分别为：水冷冷水机组的COP在3.36.1之间，差别比较大，造成性能系数差别的原因很多，包括测试当天的负荷情况、机组使用年限、热源的温度等。直燃式冷水机组实际性能系数在0.971.37之间，多联式空调系统测试期间平均性能系数在2.773.34之间，具体测试结果不再详述。3.4 输送性能 输送系数是指输送系统输送冷量（热量）的能力，是输送冷量（热量）与消耗能量的比值，调查项目冷源系统输送系数具体见表3。从测试结果可以看出，调查20个项目中有17个为水冷冷水系统，每个项目水系统输送系
9、数差别很大，冷冻水系统输送系数最小的为4.3，输送系数最大的为63.9，调查项目空调系统冷冻侧平均数送系数为22；冷却水系统输送系数最小的只有3.0，最大值为64.6，调查项目冷源系统冷却侧平均输送系数为28。水系统输送系数越小说明水系统的输送能力差，能耗相对来说较多。影响水利输送系数最主要的就是其系统配置和运行模式，水利输送系数很小的冷源系统说明其输送设备的配置或运行模式极不合理。表3 典型项目冷冻侧和冷却侧输送系数典型城市项目编号冷冻侧输送系数冷却侧输送系数北京A115.637.9A2/A39.911.3A434.911.6A524.522.6A619.532.3A711.712.3A81
10、4.27.2A94.33.0A10/上海B130.624.2B2/B327.740.2B423.248.8B5/广州D112.89.8D263.964.6D39.99.2沈阳E115.772.8E240.524.0备注：1.冷冻水系统能耗计算包括冷冻水一次泵和二次泵（二次泵系统），不包括末端设备能耗；2.冷却水系统能耗计算包括冷却泵和冷却塔，深井泵（水源热泵系统）。4 主要问题及分析4.1 系统配置不合理 通过对多个空调系统的测试和调查，发现大多公共建筑冷源系统配置存在如下问题。4.1.1容量过大 一方面冷源容量配置过大，公共建筑单位空调面积设计冷负荷大都在100300W/m2之间。冷源选择时
11、没有充分考虑负荷的特征和设备的特性，测试调查项目中有较多项目空调系统都达不到满负荷运行，即使在最热的月份，仍有制冷机组闲置，甚至多台冷水机组闲置，图4和表4是调查13个项目冷源系统配置负荷与实际运行负荷的对比情况，从表中明显看出，大部分系统实际运行最大负荷都远小于冷源配置负荷，系统最大负荷率最小的只有21，只有少数最大负荷率在70以上。 图4 典型项目单位空调面积装机容量和运行负荷比较表4 测试调查冷源配置情况及实际运行情况对比项目编号装机容量(kW)运行最大负荷(kW)平均冷负荷(kW)系统最大负荷率A169785313340176%A367954390214965%A43516317616
12、2590%A551443545194569%A674403654226949%A7202560459230%A8171045130426%A95700117862421%B187904727250254%B361053119178851%B41745114887166%D16978229688733%E2 93045562359360%备注：表中负荷率指系统最大负荷与配置负荷的比值。测试调查项目中，只有25%的项目在最大负荷工况运行时没有闲置机组，75%的项目都存在机组备用的情况，甚至存在多台机组常年闲置的情况。配置容量过大一方面造成冷源系统初投资的增加，另外也浪费了机房的使用空间，而且造成管
13、理维护费用的增加。另一方面辅助设备配置过大，主要指冷冻水泵和冷却水泵配置过大，典型项目中很多项目由于输送设备选型过大，又缺乏相应的调节手段，造成系统“小温差、大流量”运行，使输送设备能耗增加。由能耗构成比例可以看出，有些项目输送设备的能耗占系统总能耗比例高达60，这样就大大降低了系统的能效比。4.1.2 配置不灵活主要指系统冷源设备和输送设备配置没有充分考虑部分负荷运行工况的调节能力，比如，空调系统设计负荷为1000冷吨，可以选择一台1000冷吨的冷水机组，也可以选择两台500冷吨的冷水机组，从控制的灵活性上来说，后者要比前者更合理一些。因为，实际上空调系统大部分时间都是在部分负荷下运行，而一般主机在较低的负荷率下性能衰减严重，对于空调负荷较低的情况下后者可以保持机组较高的运行性能。另外对于输送设备也一样，如果系统水量不能随负荷的变化进行调节，同样造成输送设备的能耗增加。4.2 自动控制水平低冷源系统的自动控制，包括监测和控制。一般制冷主机本身带有自动控制系统，可以根据循环水温的变化自动加减载，也可以监测流量、压差等信号，在系统运行出现异常时实施自我保护措施。冷源系统的自动控制系统，是对冷源系统所有设备运行参数进行监测和控制，实施自动控制可以达到以下目的：1.可以根据负荷的变化及时调整
