欧二胜（上海建科节能技术有限公司，上海 200032）

在大型办公楼建筑中，中央空调系统在制冷时，冷冻水出水通过输配系统，将冷量输送至各个办公需求区域。控制好冷冻水进出水温度和输配流量情况，不仅会影响各个办公房间的舒适度，还会影响中央空调主机的能源消耗及系统效率。大型办公楼的中央空调系统一般由物业管理公司的专职专岗人员进行管理，不同的管理方法及操作步骤均会带来不同的运行效果及导致空调系统制冷效率的高低。立足项目实际案例，基于大型办公楼性质下，中央空调冷冻水旁通情况对系统制冷效率的影响，研究分析制冷效率的提升及节能潜力的经济性分析。

1 项目概况

本次研究的大型办公楼项目位于上海市徐汇区，该大型办公楼总建筑面积为 67 733 m2，其中，地上 22 F，建筑功能均为办公；地下 2 F，建筑功能为地下车库及设备机房。本项目中央空调制冷系统设备位于地下 1 F，系统主机由 2 台制冷量为 3 868 kW 的离心式冷水机组和 1 台制冷量为 1 448 kW 的螺杆式冷水机组并联组成；输配系统设备由 5 台冷冻水泵、5台冷却水泵、分水器以及集水器组成。冷水机组设备参数如表 1 所示，输配系统设备参数如表 2 所示。

表1 冷水机组设备参数

表2 输配系统设备参数

2 原始旁通工况

本研究项目测试日期为 2020 年 7 月 29 日，当天为晴天，室外干球温度 35 ℃，相对湿度 65.6% RH。中央空调制冷系统开启 1 台额定制冷量为 3 868 kW 的 1 号主机，2台功率均为 90 kW 的冷冻水泵及 2 台功率均为 90 kW 的冷却水泵。

制冷系统运行时，3 台冷水机组的冷冻水进水管及出水管的阀门均处于开启状态，整个中央空调制冷系统的冷冻水存在旁通情况。在此情况下，进行冷冻水进出水总管温度测试、冷冻水出水总管流量测试以及 1 号主机制冷功率测试，待中央空调制冷系统运行稳定后，每间隔 5 min 采集一次数据。测试结果如表 3 所示。

表3 原始旁通工况下测试数据

3 优化运行工况

保持 1 号主机开启、2 号主机和 3 号主机关闭的状态，对 3 台冷水机组的冷冻水输配管路情况进行优化。关闭 2号主机和 3 号主机的冷冻水进出水管阀门，保持 1 号主机的冷冻水进出水管阀门开度处于全开状态，使得整个系统冷冻水回水仅流回 1 号主机，同时也仅有 1 号机组的冷冻水出水在系统内循环。待中央空调制冷系统运行稳定后，每间隔 5 min 采集一次数据。测试结果如表 4 所示。

表4 优化运行工况下测试数据

4 制冷效率对比

测试得到的数据，通过公式（1）计算得到中央空调制冷系统的制冷效率 COP。

式中：COP—主机制冷性能；

C—冷冻水比热容，取 4.2×103 J/(kg·℃)；

Q—冷冻水流量，m3/h；

TI—冷冻水进水温度，℃；

TO—冷冻水出水温度，℃；

P—主机功率，kW。

原始旁通工况下主机制冷效率 COP 计算结果如表 5所示，优化运行工况下主机制冷效率 COP 计算结果如表 6所示。

表5 原始旁通工况下主机制冷效率 COP 计算结果

表6 优化运行工况下主机制冷效率 COP 计算结果

对比原始旁通工况和优化运行工况的主机制冷效率 COP计算结果可知，在原始旁通工况下，系统的制冷效率 COP范围为 3.29～3.77，众数为 3.51，平均值为 3.57。在关闭阀门避免各主机间冷冻水旁通的优化工况下，主机的制冷效率 COP 范围为 5.58～5.78，众数为 5.77，平均值为 5.69。相对原始旁通工况的平均值提高了 59.4%。

5 节能优化分析

在原始旁通情况下，2 号主机和 3 号主机未开启，集水器的冷冻水回水进入 2 号主机和 3 号主机后，直接从冷冻水出水口流出，与 1 号主机经过制冷得到的冷冻水共同汇入冷冻水总管进入分水器中。这相当于从空调末端返回的温度较高的冷冻水，直接与 1 号主机制取的温度较低的冷冻水混合，通过分水器再送往空调末端。经过之前 1 号主机、2 号主机及 3 号主机的冷冻水出水管混合后，分水器的冷冻水温度高于 1 号主机的冷冻水出水温度。

关闭 2 号主机和 3 号主机的冷冻水进出水管阀门后，集水器的冷冻水仅能流入 1 号主机，并且经过 1 号主机制冷换热后，1 号主机制取的冷冻水汇入冷冻水总管后，未发生原始旁通情况下的冷冻水混合情况，分水器的冷冻水温度等同于 1 号主机冷冻水出水温度。

在单台主机高负荷运行状态下，通过优化前后两种工况的对比可得知关闭未开启机组的冷冻水阀门、避免系统中冷冻水旁通后，运行状态的系统制冷效率提升了 59.4%。

在中央空调制冷系统中，冷水机组主机在不同负荷状态下，机组制冷性能 COP 的值并不相同。根据上海市工程建设规范 DG/TJ 08－2078－2014 《建筑能效标识技术标准》中参照建筑单台机组部分负荷性能系数表可知，离心机组在 75% 负荷状态下 COP 最高，螺杆机组在 50% 负荷状态下 COP 最高。建筑单台机组部分负荷性能系数如表 7所示。

表7 参照建筑单台机组部分负荷性能系数表

本项目开启的主机为离心式冷水机组，额定制冷量为 3 868 kW，额定制冷功率为 626 kW，额定 COP 为6.18。经测试，经过优化后 100% 负荷状态下，实际 COP为 5.69，但离心式冷水机组的 COP 应在 75% 的状态下制冷性能最佳。按照 DG/TJ 08－2078－2014 中式（2）和式（3）对不同负荷下对应 COP 进行计算，具体如式（2）、式（3）所示。

本项目中，由于离心式冷水机组的使用时间较长，主机制冷存在性能上的衰退，因此额定 COP 取值为 5.69。通过计算得到离心式冷水机组在 75% 负荷的状态下，COP为 6.30。

本项目的离心式冷水机组在 75% 负荷状态下，运行 COP 应为 6.30，比优化后的 100% 负荷状态 COP 提高10.7%，比优化前冷冻水旁通且 100% 负荷状态下 COP 提高 76.5%。

本项目此时单独开启 1 台额定制冷量为 3 868 kW 的离心式冷水机组，由于 100% 负荷下的 COP 并非最高，因此建议增加开启 1 台额定制冷量为 1 448 kW 的螺杆式冷水机组，使得螺杆式冷水机组的负荷率为 50%，离心式冷水机组负荷率为 75%。制冷量不仅可满足需求，同时也使得螺杆式冷水机组和离心式冷水机组处于 COP 最高值状态，制冷性能达到最高效。

相应运行负荷对应的功率为制冷量与制冷性能 COP 的比值，离心式冷水主机在 75% 的负荷率下，对应的制冷量为 2 901 kW，COP 为 6.30，制冷功率为 460 kW；螺杆式冷水主机在 50% 的负荷率下，对应的制冷量为 724 kW，COP 为 6.63，制冷功率为 109 kW；系统内主机制冷功率为569 kW。相较未优化前的单台离心式主机制冷功率平均值637 kW，降低了 68 kW，幅度为 10.68%，即开启相同时间下，能耗和费用均降低 10.68%。

未优化前，单台离心式冷水机组的运行时间为8:00～16:00，制冷季单开 1 台离心式冷水机组的天数为90 d。通过计算得到未优化情况下单台离心式主机的耗电量为 458 640 kWh。通过加开 1 台螺杆式冷水机组且进行优化后，降低 10.68% 的能耗，共降低 48 983 kWh，如商业用电取值每千瓦时 0.8 元，则系统制冷主机年运行费用可降低约 39 186 元。

6 结 语

在大型办公楼建筑中，中央空调系统制冷模式下，系统设备管理措施方面存在着节能效益和空间。科学合理的操作不仅可发挥主机的制冷最佳性能，同时还可降低主机的运行能耗，减少设备的运行成本。通过制定设备操作制度，依据制冷主机的类型，科学开启主机数量和控制主机运行负荷，规范避免已开主机和未开主机间冷冻水的旁通，发挥主机的制冷最佳性能，达到节能降耗减少运行费用的效果。同时对设备管理人员进行定期培训，结合相关的激励措施办法，将节省的运行费用用于激励设备管理人员，将获得更好的实际效果。

在北京市、上海市、广州市和深圳市此类一线城市中，不仅存在大量的大型办公楼应用中央空调系统，还有其他一些规模较大的包括商场、宾馆酒店、体育场馆、医疗建筑及机关建筑等其他公共建筑。据《2019 年上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测及分析报告》，2019 年上海市公共建筑主要用能分项在制冷季的用电量约为 11.5 亿度，数量级达到了 10 亿级别，基数较大。据《深圳市大型公共建筑能耗监测情况报告(2019 年度)》，2019 年深圳市全市监测公共建筑的空调用电量占总用电量比例的 26.5%，用能占比接近 30% 且不包括分体空调设备。就节约能耗方面而言，大型公共建筑的中央空调系统的节能规模和效益定会对城市的总能耗产生积极影响，也会对城市的绿色生态文明建设进程有着深远的意义。