上海市某商业办公楼空调冷热源系统的节能改造

汪洪涛

上海东方延华节能技术服务股份有限公司

0 引言

建筑能耗占据社会能耗总量的30%，其中90年代投入的既有建筑占比颇大[1]。既有建筑能耗设备系统因投运年限的原因，系统运行存在能效下降、能耗指标上升等问题。其中空调系统设备超龄运行尤为显著，近10年来随着空调设备系统硬件、控制系统的优化升级，新一代的产品性能和节能指标明显提高。因此，结合这一背景现状，加快推进既有办公建筑节能改造工作，进一步落实国家、上海市建筑行业节能减排目标，确保能源安全和可持续发展，具有十分重要的意义。

1 项目概况

本项目为一栋集商业和办公于一体的综合性大楼，投运时间为1996年12月。大楼地面以上26层，地面以下2层，其中1～6层为商业功能的裙房区域，7～26层为开放式办公塔楼。总建筑面积40 000m2。

大楼空调冷源由3台螺杆式冷水机组全年供应，制冷机组配置3台冷却塔位于裙楼屋顶平台，并配有冷冻水泵及冷却水泵各3台；大楼采暖热源由2台电热水锅炉提供，每台锅炉配有8组电加热，总功率720kW，采暖系统配有2台热水循环泵。原系统设备参数见表1。机组位于地下2层空调机房内，所有设备系统运行时间已超过二十余年，老化较为严重，存在安全运行隐患。

大楼因为产权归属问题，业主对设备更换意见难以统一，设备系统以维护保养为主。因此，虽有强烈改造意愿，但均以资金问题难以实现项目落地。

表1 原空调系统主设备性能参数

2 能耗分析

结合逐月电耗账单数据对大楼2015年和2016年逐月能耗分析统计，见图1。

图1 大楼2016年逐月电耗统计

大楼安装有能耗监测系统，系统详细记录了主要用能支路的能耗数据。通过调取平台支路用能数据进一步拆分用能占比，如图2所示。

图2 大楼主要用能占比

由图1的能耗数据分析可见，1月和8月为大楼全年用电高峰月，空调系统用电占大楼总用电的48%，照明及插座用电占37%，该两项用能系统为主要能耗项，占全年用电的85%。由于采用电锅炉制热采暖，制热效率低，冬季供热能耗在全年空调能耗中占比较大。

3 改造方案

本次改造采用高效风冷热泵机组对原空调冷热源进行替换改造，较大地提高了系统运行效率，通过建立BA群控系统对系统运行自动管控，并通过更新优化原有机房输配系统实现新旧冷热源的切换运行。

3.1 冷热源系统改造

采用电锅炉制取空调热水，从能耗形式上属于直接将高品位的电能转化为低品位热能，经济性较差。由于设备投入运行时间较长，制热效率有较大程度衰减。电锅炉运行缺乏智能化的控制手段，难以保证高效率制热运行。上述因素的综合影响是导致冬季采暖能耗占全年空调运行能耗比例较大的主要原因。

采用模块式风冷热泵替换原热水锅炉，结合锅炉设备容量及历年运行能耗分析，选用12台风冷热泵模块机组（制热量135kW/台）可满足全年制热负荷需求，风冷热泵主机在夏季可以用于制冷，同时满足夏季制冷需求。本方案最终设计时选择22台风冷模块组，分两组配置（11台/组），可兼顾夏季制冷需求。所采用机组满足能效等级指标中规定的二级能效要求[2]。风冷模块机组参数见表2-1，冷热源改造系统原理图见图3。

表2 -1 风冷模块机组参数

图3 冷热源改造系统原理图

3.2 输配系统优化

图4 冷热源改造效果

针对水泵运行年限久、设备老化及效率下降的情况。水泵改造方案兼顾冬季供热及夏季制冷输配循环需要，对原有的三台冷冻水泵进行更新替换以满足风冷热泵循环流量要求及水力要求相关参数见表2-2，同时对水管流程进行调整效果图见图4，增设切换管路实现冬夏季水泵互切，最大程度保证水系统利用新泵运行，提高输送效率，节省能耗。

表2 -2 水泵性能参数

图5 输配系统改造效果

3.3 冷热源群控

对冷热源设备进行自动控制和实时监测，通过运行控制策略实现冷热源系统智能运行，可进一步提高系统运行的可靠性、节省运行及维护成本，经济效益十分显著[3]。本项目新增机房群控系统，将空调水系统关键运行参数监测、风冷热泵机组的运行控制等均集成至群控系统管理平台，可实现运行智能化管理及实时参数记录、运行性能分析，提高空调系统整体运行效率，见图6。本项目群控系统设计有以下功能：

(1)接入风冷热泵主机通讯接口，实现主机的远程启停和供水温度调节；

(2)根据末端负荷需求，自动调配控制模块机及水泵运行投入数量；

(3)运行模式编组切换功能：通过新旧系统管路安装电动阀门组，并通过群控软件预先编制不同运行模式下阀门间的切换关系，实现新旧热源系统制冷联合/独立运行、制热联合/独立运行的模式联动切换；(4)主机、阀门、水泵之间实现连锁启停控制；(5)异常故障报警、历史数据记录功能等。

4 改造效果及意义

4.1 改造效果

本项目针对业主资金难题，采用合同能源管理模式实施节能改造，改造投入由节能公司全额承担，并负责合同期内设备运行维护，彻底缓解业主资金压力。

改造主要由三部分组成：高效风冷热泵替换、水泵更换、冷热源群控。项目于2018年2月正式调试完成并投入运行，对完整采暖季（2018年12月～2019年3月）运行能耗数据进行实际效益分析，得出年节电55．6万kWh，折标煤160t，实际节能率为62%，节能效果见表3。

图6 群控系统改造效果

表3 实际运行效果分析

4.2 改造意义

本次合同能源管理模式的节能改造响应国家节能降耗政策号召，在减少各用能系统设备的直接运行能耗的同时，也降低了物业单位对空调系统运行的间接管理投入，降低了设备维护成本，经济效益显著，有助于推动节能与循环经济建设。本节能改造项目可进一步争创公共建筑节能改造示范项目，有利于宣传先进节能理念、树立节能办公形象。

5 结语

（1）既有建筑空调冷热源改造并不完全摒弃原有系统形式，方案设计应充分考虑新旧系统的兼容性，最大程度利用原有设备系统，实现新旧系统的融合。

（2）既有建筑改造面临设备定位、管路及系统对接等实施难题。结合建筑现状对实施方案进行充分调研论证，选择最合理、安全、可靠、经济的实施方式。

（3）采用热泵机组替换电热水锅炉进行节能改造，不仅提高了供热系统的安全性，且进一步提高了系统运行能效，取得较大的节能效果，本项目实测节能率达60%以上。

（4）本项目所有改造投入由节能单位承担，解决业主资金难题、保障后期节能效益。所采用的改造实施方案及合同能源管理模式，可为同类型改造项目提供参考。