辛军哲 邹华 胡吉龙

广州大学土木工程学院

0 概况

广州某皮具商场位于广州白云区三元里大道，地下2 层，地上11 层，是一栋综合商业大厦。其功能划分为：地下二层为机房和车库，地下一层为商铺和机房以及工程部办公室，地上一层—地上三层为普通皮革商铺，四层—六层为皮革旗舰店及银行，七层—十一层为写字楼。总建筑面积46300 m2，空调面积为36940 m2，商场卖场的营业时间为9:00-17:30，但是为满足消费者的热舒适状况，商场的空调系统会在8:30开启进行预冷。

该商场位于白云区某商圈的主要地段，日常客流量较大，商场内部商铺反应每月所缴电费过高，为了了解整个商场的能耗系统的运行现状，提高运行能效，根据该皮具城物业人员测得的空调系统运行参数，结合大厦照明、动力等部分的历年电耗数据，找出了大厦能耗系统存在的问题，并提出切实可行的改进方案。

1 大楼能耗分析

根据物业人员提供的数据计量系统的记录结果，得到了该商场2009 年及2018 年两年共计24 个月的逐月总电耗，如图1 所示。

图1 商场总耗电量

从图1 可知，自2009 年1 月以来，该商场的总电耗量不断上升，从2009 年的3688 MWh 到2018 年的5746 MWh，增幅达56%。通过现场的实地调研可以发现该商场具有较大节能空间，商场类建筑能耗主要由三大部分组成，分别为空调系统能耗，照明系统能耗以及动力系统能耗，下面从这三方面分析找出商场电耗增加的主要原因所在。

1.1 空调系统的逐月耗电量

该商场空调系统仅用于夏季制冷用，冬季不用于供暖，且只有一套冷水系统，服务于整栋大楼。本建筑制冷机房设于地下二层，制冷机房内有3 台450RT 离心式制冷主机（两用一备），设4 台冷冻水泵（3 用1备），冷却水系统设4 台冷却水泵（3 用1 备），3 台超低噪声冷却塔。地下一层至四层为商场，除个别小房间外，均采用全空气系统，空气处理机组布置在各层的空调机房内。五层至十一层为写字楼，基本采用吊顶空调加新风机组的形式，部分楼层区域改造成风机盘管加新风系统，新风机组位于各层空调机房内。大厦空调系统2009 年和2018 年的逐月耗电量具体如图2所示。

图2 大厦空调系统逐月耗电量

2009 年的空调能耗为1862 MWh，2018 年的空调能耗为3099 MWh，空调能耗这一块的增幅达到了66.4%。从2018 年各能耗系统的占比情况来看，空调能耗占据该商场能耗的主要部分，其占比达到了53%，尤其是在夏季，空调能耗接近当月总能耗的七成，因此应将其作为解决能耗问题的重要环节。

1.2 公共区域照明系统的耗电量

照明系统方面由于商场类建筑外表较少采用玻璃幕墙，建筑采光大多被实心墙体和广告牌遮挡，因此建筑内部大多为需要人造光源的内区,而且商家为了商品展示能达到较好的效果，通常会采用照度较高的灯具，使得照明的能耗大大增加。但是随着LED 节能灯的兴起，以及一部分照明灯具经久失修，使得照明电耗逐年变化并不大。通过查看该商场物业人员的记录：2009 年公共区域的照明能耗为1396 MWh，2018 年公共区域的照明能耗为2159 MWh，增幅约为37%。

1.3 动力系统的耗电量

动力系统的耗电主要在电梯（货梯及手扶电梯），空气幕等设施。2009 年动力系统的能耗为428 MWh，2018 年动力系统的能耗为473 MWh，对比2009 及2018 年该系统的耗电量可以发现其基本保持平稳，增幅不大，因此在分析整个大楼的节能降耗方面可以忽略其影响。

1.4 各系统的耗电量对比

从2009 年和2018 年的数据对比可以看出，整个商场在十年间，其耗能增加了2058 MWh，其中空调系统耗能增加了1236 MWh，占总增加量的60%。照明系统耗能增加了739 MWh，占总增加量的37%。动力系统耗能增加了40 MWh，占总增加量的3%。因此解决该大楼的能耗增长问题需要深入到空调系统的各个部分。

2 商场空调系统的现状检测

2.1 空调系统各设备年运行电耗占比

通过该商场物业管理人员给出的空调系统各部件的能耗情况来看，制冷主机，水泵以及末端设备的电耗占比分别达到了49%，25%和21%（图3），因此应将制冷主机和冷冻水泵，末端设备作为节能降耗的重点。

图3 冷水机组各部件电耗占比

2.2 冷水机组的性能测试

根据商场物业管理部门委托专业检测单位对商场空调系统的制冷主机的调查报告来看，三台主机运行时间已达23 年，全部进入老化期，笔者和该商场物业管理人员合作于2019 年1 月对商场空调系统主机进行了测试，得了包括不同制冷工况下机组的冷冻水和冷却水进出口温度，流量等数据[1]。由测得的数据可以分别计算这三台机组在测试日的实际制冷量，制冷量的计算公式如下：

式中：Q-制冷机的制冷量，kW；c-冷冻水的比热容，取4.19 J/ (kg℃)；m-冷冻水的流量，m3；tin-制冷机冷冻水进口温度，℃；tout-制冷机冷冻水出口温度，℃。

由此可分别得到三台制冷机的实际制冷量：

冷水机组电耗可由下式计算得到

式中：P-制冷机的电耗，W；U-制冷机的输入电压，V；I-制冷机的输入电流，A。

由此可得三台机组的实际电耗：

从而进一步得出三台主机的实测能效比：

额定能效比是主机在额定工况下的效率，即主机运行时，冷冻水的供水温度为7 ℃，冷却水出水温度为32 ℃，根据主机运行特性的经验数据有：冷冻水供水温度每升高1 ℃，制冷机效率提高1%-2%（计算取1.5%），冷却水回水温度每升高1 ℃，制冷机效率下降2%～3%（计算取（2.5%）。因此可以推断出制冷机额定工况下的实际能效比为：

测试结果及计算结果汇总如表1 所示。

表1 改造前的空调主机数据

从以上表1 数据及计算得出的结果可以看出三台主机的实测COP 仅为2.7～3.4，约为额定COP 的50%，远低于现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 中夏热冬暖地区离心式机组COP 最小限值5.7 的要求。一方面，由于蒸发器的供回水温差过小，仅为3.1-3.8 ℃，蒸发器的实测流量偏小，造成实际制冷量远小于其额定制冷量。另一方面，由于泠凝器的实测流量偏小，造成实际功率远大于其额定功率。同时，经过查询主机样本，发现其蒸发器、冷凝器前后压差应在71 kPa 左右，而本次检测主机蒸发器前后压差在216～223 kPa，冷凝器前后压差在80～149 kPa，根据压差的偏离情况初步推断制冷量偏小和功率偏大的主要原因应该是蒸发器和冷凝器换热板及冷冻水，冷却水管道有结垢的现象。后经物业人员的拆机检测发现蒸发器和冷凝器换热板确实结垢严重。

2.3 水泵的性能测试

对冷却水泵及冷冻水泵运行时间，进出口压力等进行检测并记录数据，如表2 所示。

表2 水泵测试数据

由表2 中的数据可以得出水泵的实测效率：

式中：η-水泵效率；N-水泵输入的轴功率，kW；Ne-水泵的有效功率，kW；ρ-流体密度，kg/m3；G-取9.8N/kg；Q-流量，m3/s；H-水泵扬程，m。

从表2 数据可以看出备用水泵已损坏无法正常使用，计算得出三台冷冻水泵的实测效率分别为36%，34%，35%，三台冷却水泵的实测效率分别为62%，54%，61%，根据目前国家标准《离心泵效率标准》GBT13007-2011 中的要求，对应流量的离心水泵效率不应低于73%，而目前实测效率只有规定限值得56%～76%。通过分析六台水泵的额定参数，其中三台冷冻水泵的额定流量分别为267 m3/h，260 m3/h，251 m3/h，三台冷却水泵的额定流量分别为370 m3/h，353 m3/h，354 m3/h。而根据理论计算，制冷主机对应的冷冻水泵额定流量为320 m3/h，冷却水泵的额定流量为400 m3/h，可以看出各台主机的冷冻水流量偏小了19%左右，冷却水流量偏小了10%左右，说明冷水机组及管道的结垢导致了管道流通界面变小，管道阻力增大，流量偏小，因此水泵实际并非在最佳工况下运行。由此看出冷水机组及冷冻水，冷却水管道的结垢也影响到了水泵的正常运行。

2.4 空调末端的性能测试

从表3 可以看出只有KT-FGJ-1、KT-FGJ-19 两台风机达到额定风量，且KT-FGJ-2 只达到了额定风量的65%。现场对通风管道检测发现，风道出口的过滤网被灰尘堵塞，因此导致风压大大增加，风量减少，其运行工况偏离了额定工况，就此看来风机也具有较大的节能空间。

表3 改造前的末端装置风量

3 改造措施

3.1 空调系统蒸发器、冷凝器的改造

经过商场物业管理人员的拆机检测，发现制冷主机由于运行年限过长引发的蒸发器、冷凝器内结垢严重，导致传热效率大幅下降，且冷冻水、冷凝水水管流通截面变小使得水流阻力增大，机组出水温度升高继而使得能耗大幅提高，运行成本增加，并且存在较大的安全隐患[2]。鉴于更换制冷主机成本较高，且目前该建筑变压器无法进行扩容改造，因此决定对原制冷主机采取修复措施。

目前，对于制冷机的阻垢和除垢的常用方法主要有两种：物理阻垢法和化学阻垢法。物理阻垢法一般是对结垢表面，水质或水质成分的物理作用，使得污垢失去粘附在表面的能力，在一定冲刷作用下就能脱附被水冲走，包括机械除垢，磁场电场阻垢以及涂料法等等。化学阻垢法是通过用化学的方法来去除水垢，主要有添加阻垢剂，加酸法，离子交换法及CO2法等[3]。

经过现场对机组水垢的结垢情况进行实地调研后确定了除垢方案：在商场营业时间结束以后停运主机，拆开主机的机壳，先用高压水枪冲洗换热通关把大部分的污垢冲洗掉，然后用毛刷刷掉部分水垢。最后将配置好的酸洗液加入到循环水系统中，开启水系统独立运行，使加入药剂的水自动清洗换热管道环路，直至清洗掉余下的水垢后，打开排水装置，排掉污水及清洗掉的水垢。加入新水并用碱进行中和，并用钝化剂进行钝化。再次排掉废水后，加入2～3 次新水进行漂洗。至此，机组即可进入正常运行状态。

在物业管理人员按除垢方案进行除垢后，物业管理人员再次对冷水机组的各项参数进行了现场测试，测试结果如表4 所示，通过检测数据计算得出三台冷水机组的平均COP 达到了3.79 W/W。

表4 改造后的空调主机数据

3.2 空调风系统的改造

根据前面的分析检测发现，风道出口的过滤网被灰尘堵塞，导致风压大大增加，风量减少，运行工况偏离额定工况。据此，对风机盘管及各楼层的风管进行疏通处理并拆卸过滤器进行清洗。通过以上措施，物业管理人员再次检测末端装置风量发现，末端风柜平均风量达到了额定风量的91%。

表5 改造后的末端装置风量表

4 改进意见

4.1 空调水系统的改进建议

对于该建筑用途而言，该商场月用电高峰主要集中在7、8 月，日用电高峰主要在11:00 到15:00，空调系统大部分时间其实都处于部分负荷的运行状态下，因此一直处于定转速运转状态的水泵造成了大量的能源浪费。该商场原空调系统的水系统采用的是主机定流量、末端变流量的一级泵系统，这种系统虽然对于主机来说有一定的节能效果，但水泵的能耗并未减少[4]。因此有必要对6 台水泵加装水泵变频器，并结合温度传感器、温度变送器等构成自动调速系统，对冷冻水、冷却水泵进行改造。当系统的负荷发生变化时，变频器调节水泵流量发生变化，冷水机组改变制冷量，达到主机和水泵均节能的目的。控制策略如图4所示：

图4 水泵变频控制原理图

图4 水泵控制策略通过比较压差设定值与实际压差，将结果输入至通用的PID 控制器，PID 控制器输出相应的水泵频率。采用水泵变频，虽然水泵效率较最高效率点略有下降，但是水泵流量和扬程均下降，水泵功耗会显著下降。考虑到主机最低流量要求，变频器变频范围设置为35～50 Hz。当水泵频率为35 Hz 时，系统压力仍过大且未到减机条件时，此时压差旁通阀开启，旁通部分流量。

查看表2 中数据可以知道该冷水机组冷冻水泵额定功率为PN=55 kW，全速时供水量QN=320 m3，每天的平均流量为80%QN，泵的空载损耗约为15%PN[5]。则：消耗功率P1=(55-55×15%)×0.8×0.8×0.8+55×15%=32.19 kW。节电率N1=(55-32.19)/55=41.47%。

同样的，冷却水泵每天的平均流量为90%QN，则：消耗功率P2=(45-45×15%)×0.9×0.9×0.9+45×15%=34.63 kW。节电率N2=(45-34.63)/45=23.04%。

经过计算证明，改造后水系统节电率一般可达到20%～40%以上，预计节省电费约（3098071×14%×41.47%+3098071×11%×23.04%）×0.6=15.5 万元。

4.2 空调风系统的改进建议

建议对空调末端风机进行检查并维修，根据室外温湿度监测点实时反馈的室外空气温湿度情况调节新风机和新风阀。当室外空气的比焓低于商场内设计状态点的比焓时，自动开启新风机和新风阀，加大新风量或全新风运行，充分利用新风的自然冷却能力对商场进行降温，并扩大室外新风百叶口面积加大新风的引入，提高新风量，尽量充分利用新风来自然冷却，以减少制冷主机的开启时间达到节能的目的。在过渡季节大量引入新风的方法减少了制冷主机6%的运行时间，大约年节省电费约了1518055 kWh×6%×0.6=5.5万元。

5 结语

经过前面对蒸发器和冷凝器进行除垢改造后，冷水机组的COP 恢复为3.9 W/W。根据物业管理部门提供的2018 年空调能耗记录表，2018 年空调主机的耗电量约为1518055 kWh。由三台制冷主机的COP 基本在2.9 W/W 左右，则全年负荷为4402360 kWh。按除垢后的冷水机组COP 计算，预计年耗电量为4402360 kWh/3.79=1161573 kWh，年节省电量约为1518055-1161573=356482 kWh，每年节省电费约为356482×0.6=21.4 万元。经过前面对风机盘管及各楼层的风管进行疏通处理并拆卸过滤器进行清洗改造后，各末端风柜平均风量达到额定风量的91%。根据物业管理部门提供的2018 年空调能耗记录表，2018 年各末端风柜的耗电量约为650790 kWh，风量提高后，预计年耗电量为618250 kWh，年节省电量约为32540 kWh，每年节省电费约为2 万元。上述两者合计，年节省电费高达23.4 万元，该节能改造案例的成功实践，可为广州地区其它类似大型公共建筑的节能改造起到借鉴与指导作用。