高层大厦空调系统现状分析及节能改造方案

邓解忧

中国建筑科学研究院深圳分院广东深圳518087

摘要：本文从空调水系统和空调风系统两个方面来整合。从空调水系统的角度首先必须解决空调水系统旁通回路正常使用的问题。从空调风系统的角度首先必须解决系统风平衡的问题。如果说我们从整个空调系统来讲的话，就是要实现整个系统的群控的问题。空调系统节能改造工程分两步进行：首先，针对其空调系统现阶段存在的问题，采取一系列的改造措施，以期达到原有设计目标；然后，对空调系统各子系统进行优化调节和控制，使各部分达到最低耗能；最后，对整个空调系统进行整合，满足节能自控要求。

关键词：高层大厦；节能改造；水系统变频；智能群控；VAV；大厦；空调；系统；节能；方案

引言：

XX大厦地上建筑共37层、地下共5层，总建筑面积63875m，楼高170m。首先我们从原有设计图纸、系统现状、运行管理、小业主信息反馈等多方面，对大厦现有空调系统做了全面调研。然后提出相应的解决方案，并制定了其节能改造方案。我们的目标是使其大厦的智能化系统在满足城市甲级智能建筑的标准的基础上，降低大厦运行成本、提高大厦管理效率，成为节能型楼宇系统。

1．节能潜力分析

中央空调系统是主要耗能系统，其中空调系统包括夏季供冷和冬季供暖。根据对该大厦空调系统的能耗情况进行现场调研和估算，初步确定其空调系统消耗能量约占总能耗的50%～60%。通过仔细调研和认真分析，从以下几个方面可以得出其巨大节能潜力：

（1）从选型角度来看，在进行空调设计时，为了保证较大安全系数和冗余量，空调制冷3台离心机、1台螺杆机，机组总制冷量9141kW，单位面积冷量190W/m2。而从实际运行的情况来看，夏季最热时期，开启的冷机为2台离心机和1台螺杆机，这表明实际运行负荷未达到最大设计负荷，给节能预留较大的空间。此外，由于中央空调水系统未加自控和变频，中央空调系统运行于整机开启最大状态，从运行的历史数据来看，09年度的运行温差平均值在4℃左右，远小于设计温差（5℃），存在“大马拉小车”的问题；

（2）由于空调系统的施工、安装是由不同公司分包实施，存在着设备接口不匹配和未进行统一调试的问题，如变风量末端和变风量空调箱并未进行联动控制，导致两部分送风量不匹配。为了保证满足用户需求，整个系统实际上按最大需求进行送风，实际上极大地浪费了能源；

（3）在规划和设计阶段主要是以提供最大的舒适性为目标，并未采用大量的节能技术，如空调系统的水系统变频节能、VAV节能控制技术等；

（4）中央空调系统的风系统、水系统、空调主机和冷却塔之间的供能是相互关联、相互影响的。从调研情况来看，空调系统存在一个最普遍、也是最关键的问题——未进行整体的、全系统的调试，这直接导致系统无法运行于最优阶段，能量未按需求分配到各用户，为了满足所有用户的需求，系统运行于高能耗水平；

（5）从整个系统的运行角度来看，虽然保证了整个大厦的正常运行，但这是建立在优秀的管理和人工操作阶段，这必然存在不能及时、灵活响应负荷需求的变化，不能达到按需供冷。因此实现各系统的自动控制是其节能的重要方向和主要手段。

节能改造也是对原有系统的诊断、评估与完善的过程，使其能够按《智能建筑评估标准》构建以集中监视、控制和管理的综合平台，为用户提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。

2.空调冷、热源系统存在的问题及解决方案

2.1空调冷、热源现状

大厦地上部分建筑面积47973m，地下部分为车库和设备用房。机组总制冷量9141kW，单位面积冷量190W/m。目前该城市同类建筑单位面积冷量约为100～120W/m。由于建筑面积较设计之初减少约1/5，致使冷热主机、管路系统及泵系统选型偏大。

2.2机组群控

大厦制冷有3台制冷量为2637kW（750RT）的离心式冷水机组和1台制冷量为1230kW（350RT）的螺杆式冷水机组；制热有3台产热量为1307kW采暖用电热热水锅炉。制冷机房和制热机房机组未做群控。目前在大型建筑物中，空调系统的能耗约占整个建筑物能耗的50%左右，而在空调系统中冷水机组的能耗又是最大的，占了将近三分之二。因此，提高冷水机组制冷效率并降低总体能耗是建筑节能的重要工作。冷水机组在额定工况下的性能系数COP已经确定，目前对冷水机组的节能潜力主要集中在冷水机组群控及其优化控制策略上。合理控制冷水机组运行台数的加卸载可以降低冷水机组的能耗。

2.3空调泵与冷却塔

大厦冷冻水系统中的冷冻水泵，与冷却水系统中的冷却水泵均为定频水泵。冷却塔采用双速电机而非变频控制。对于冷却塔目前采用双速电机的状况，改造成为变频控制进一步挖掘其节能潜力。

2.4空调水系统

在原设计中，空调冷冻水系统设有压差旁通阀回路，空调冷却水系统中设有旁通阀回路，实际情况是二者均已安装，但未调试运行。整个空调冷冻水系统和空调冷却水系统失去调节功能。冷冻水系统——最佳输出能量控制。调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在最优值，使系统输出能量与末端负荷需求相匹配。冷却水系统——系统效率最佳控制。调节冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵转速，动态调节冷却水的流量，以及冷却塔风机转速，使冷却水温度趋近于最优值，从而保证整个空调系统始终处于最佳效率状态下运行，系统整体能耗最低。

2.5空调机房

大厦标准层高、低区各分两个空调机房，总共四个空调机房。空调机房本身就是一个大的回风静压箱。空调机房四周或为玻璃幕墙，或为没有保温的镀锌铁皮，保温隔热效果差。这无形之中增加了空调负荷，造成能量损失。对于这个问题我们要求对空调机房的维护结构做保温处理。

3.VAV变风量空调系统存在的问题及解决方案

虽然变风量空调系统种类分很多，但是其基本单元由四部分组成：变风量末端装置、风道系统、变风量空调箱（回风机、排风机）及调速装置和自动控制系统。下面我们就从这四个方面分析该大厦现有VAV变风量空调系统存在的问题，并对此提出相应的解决方案。

3.1变风量末端装置

本工程标准层采用ETI变风量末端。其中外区采用CFR型单风道串联风机增压式变风量末端。变风量末端为压力无关型，一次送风量变化由房间恒温器控制，末端二次回风量按一次送风量变化而增加或减少，导致总末端送风量不变。风机配有三速电机，但目前接在低速档；内区采用SDR型单风道变风量末端（不带风机和电加热装置）。标准层外区16台，内区9台（1台在电梯厅）。在目前制冷工况下，BA监控显示内区变风量末端在风阀全开时，有不少变风量末端风量为0，或接近于0。表明风平衡已被打破。我们知道变风量空调系统是全空气系统的延伸，它通过改变房间的送风量来满足房间空调负荷的需求。这一情况使得此类变风量末端装置形同虚设，完全无法达到舒适性要求。同时也使得物业在面对小业主反映冷热不均时，失去了调节手段。对于这个问题我们要求对所有风系统重新调平衡，并进行相关测试。以达到变风量空调系统设计、使用要求。保证变风量空调系统的正常使用。

3.2风道系统

本工程标准层高、低区各分四个风道系统，各有一个送风竖井和一个回风竖井。本工程在机电安装结束交付弱电安装时，风系统已经调节平衡，并满足VAV-BOX出口风压的要求。但由于本工程变风量末端装置三速调节功能未能实现，而小业主反映冷热不均，在缺乏必要的调节手段的情况下，可能物业公司调节了相应手动阀门。故造成目前风平衡已经打破。另，目前只有高区上半段定静压点设置了压力传感器，而且部分压力传感器已经损坏。造成部分反馈数据不准确。对于这两个问题，关于风平衡的我们上面已经提出了相应整改要求。有关定静压点设置了压力传感器的问题，虽然小业主已经入驻并使用，但是我们认为必须在所有高、低区风道系统中的正确位置设置正确的压力传感器。以达到变风量空调系统设计、使用要求，保证系统的正常使用。

3.3变风量空调箱（回风机、排风机）及调速装置本工程标准层高、低区各分两个空调机房。其中高区上半段机房位设有PAU1台（带变频控制）、AHU5台（其中2台带有新风接入和变频控制）；高区下半段机房设有PAU1台（带变频控制）、AHU7台（其中3台带有新风接入和变频控制）。低区上半段机房设有PAU1台（带变频控制）、AHU6台（其中3台带有新风接入和变频控制）；低区下半段机房设有PAU1台（带变频控制）、AHU6台（其中3台带有新风接入和变频控制）。目前只有高区上半段PAU、AHU和RAF实现了联动控制，其它三个区段没有实现联动控制。而高区上半段PAU、AHU、RAF与EAF也没有实现了联动控制。通过进一步的调研，我们还得知当小业主房间温度设定改变时，只有相关的VAV-BOX与之发生联动（即实现小闭环），但相应区段空调机房的PAU、AHU、RAF与EAF没有实现了联动控制（即没有实现大闭环）。对于这个问题我们要求所有区段都应该实现完整的联动控制。已达到变风量空调系统设计、使用要求，保证系统的正常使用。另，AHU（带有新风接入和变频控制）没有全热热交换段，不能实现能量回收。受限于安装空间等一系列客观问题，我们建议现阶段可以暂不考虑。

3.4自动控制系统

（1）VAV-BOX与现有霍尼韦尔C型面板不匹配。造成VAV-BOX无法实现风机就地启停功能和三速风机的调速控制功能。目前只能依靠C型面板中的热敏电阻实现室温控制。显然，这是依据当时的客观情况而做出的一个不可更改的选择。

（2）VAV-BOX的安装区域与控制面板设置位置不一致。造成现场的冷热问题与BA中心温度反映不一致。这个问题对于原先的大空间设计是合理的，因为面板的排管放线大都是沿立柱敷设的，错位在所难免。但对于现在小业主入驻重新分割的小空间局面，显然对控制管理带来矛盾。对于这个问题只能在二次装修时予以调整。

（3）VAV-BOX的温度设定并非与VAV-BOX本身一一对应关系。目前创兴大厦标准层共25台VAV-BOX机组，设定了11组的室温控制点。造成对个别小业主冷热不均现象调节难度增加。对于这个问题我们增加室温控制点，实现一一对应关系。

（4）空调机房PAU、AHU、RAF与EAF没有实现了联动控制。对于这个问题，在3.3节中我们已经给予解决。

4.二次装修存在的问题

二次装修设计与一次设计的矛盾，主要体现在在二次装修中改变了原先大空间的格局，根据需要增加了隔断以及送、回风口。在隔断增加的过程中，无形之中使得带有热敏电阻的控制面板的设置位置，由合理变为不合理。送、回风口的不合理设置也造成了下述影响：

1）、VAV-BOX出口至空调送风口较多的管线（金属保温软管）以及VAV-BOX风机目前接在低速档，造成部分空调送风口风速过低，气流组织较差。

2）、目前由原先集中回风转变为先从各个房间吊顶回风，再回至楼层集中回风口的现状。而原有回风机选型时并未考虑此段压头损失，回风不利使得送风效果较差。

3）、同时吊顶回风也客观上造成了回风时的冷量损失。

关于二次装修设计与一次设计矛盾问题，我们也给予业主、物业公司相关建议和要求。

5.经济性分析及节能减排效益

根据对其中央空调系统数据的收集、统计、分析，根据估算，实施节能改造后可比不实施节能改造的中央空调系统可实现综合节约用电19%左右。中央空调系统主机和水循环系统（不含空调末端设备）的年能源消耗及节能量的估算如下：

表1中央空调系统主机与水循环系统节能对比表

6.结语

中央空调节能改造不仅可以节约大量的能源，还可以减少大量的废气排放和温室气体排放，保护人类的生存环境，可为其创造了可观的社会价值。

参考文献：

[1]刘佳畅.中央空调系统变频节能改造方案[J].城市建筑.2013（11）

[2]张承维，唐军，吴丹，王永会.中央空调系统中的节能分析[J].建筑科技.2012（36）

[3]李玉街、蔡小兵、郭林.中央空调系统模糊控制节能技术及应用（中国建筑工业出版社）.