基于实测数据的酒店空调系统用能问题诊断

李 刚李红扩周洪波邵明磊

1．同圆设计集团有限公司

2．鲁商健康产业发展股份有限公司

3．华东建筑设计研究院有限公司

0 引言

建筑行业是全球能源的主要消费者，其所占用能源比例已达40%[1]。由于我国节能科技相对落后，能源利用效率普遍低下，进入21世纪后中国建筑物能耗(采暖、制冷、办公设备等能耗)占全年总能耗的20%，而此比例每年都在持续上升[2]。随着经济发展和人们对环境舒适性要求的提高，建筑能耗问题日益严峻。而建筑所消耗的能源大量用于供暖、通风和空调系统（HVAC），HVAC系统所占建筑物总能耗的比例达到60%以上。其能耗高的主要原因是即使在设计时选取合适设备，在运行一段时间后也会由于老化而无法按预期运行，从而产生巨大的能耗。因此，及时对空调系统进行节能诊断是有效降低空调系统能耗，缓解建筑用能问题的有效途径。

1 空调系统用能诊断研究现状

专业人员已做过大量针对HVAC系统能耗的诊断性研究，Zhao和Wang[3]提出了一种简化的物理模型方法用于冷水机组故障检测与诊断方法，这种方法利用拟合、热力学分析等方法找到了用以诊断各个故障的PIs（利用拟合、热力学分析等方式），其故障诊断效果较好。但应用此方法同时对多栋建筑进行诊断时效率较低，需要逐一对建筑物进行拟合与热力学分析，工作量较大。Zhao[4]提出了一种系统级基于支持向量回归（support vector regression,SVR）的方法以实现对暖通空调系统（HVAC）潜在故障的检测，并在香港地区某商业大楼对模型效果进行实际验证。李锐[5]通过决策树和C4．5算法对某办公建筑空调运行数据进行分析诊断，利用数据分析得到的结果指导空调系统运行，提高系统能效。

通过对前人成果的学习，发现研究的重点大多集中在商业、办公类的建筑上。对酒店的研究较少，原因主要是酒店能耗使用情况更复杂。酒店具有复杂的功能区域，不同功能区域用能特点不同，而且酒店需要全天提供能源，客户要求的多样性同样导致了酒店用能复杂。本文针对酒店类建筑空调系统用能复杂的现状，选择某酒店对其空调系统运行状态参数进行现场实测，评价酒店空调系统运行状态。

2 酒店空调系统运行参数现场实测诊断

2.1 酒店概况

该酒店1999年开业，楼高30层，拥有客房143套，是集客房、餐饮、康乐、会议功能于一体的三星级宾馆。酒店建筑面积为2万m2，分为主楼和副楼。主楼地下为餐厅和机房。该酒店的用能设备主要包括供配电系统、空调系统、照明以及电梯。表1至表3对酒店的空调系统设备进行了简要的统计。

表1 制冷机组设备一览表

表2 供热设备一览表

表3 水泵设备一览表

2.2 测定内容

现场实测是获得真实能耗状况的根本途径，同时也是相关内容深入研究的依据和前提。因此，本文根据酒店主要用能设备具体条件确定如下测定内容及其基本测定参数：

1）冷水机组

主要测试内容：压缩机排出口温度、蒸发器出/回水压力、蒸发器出/回水温度、蒸发温度、蒸发压力、冷凝器出/回水压力、冷凝器出/回水温度、冷凝温度、冷凝压力、冷冻水流量、电流、电压等，以考察冷水机组制冷性能。

2）水泵

水泵水量、冷冻水泵电流电压等电参数，水泵功率、水量测量、系统供/回水温差经常是考察水系统特性的依据。

3）室外

室外温度、湿度，室外的环境情况对于冷水机组的影响至关重要，也是考察冷水机组制冷性能条件。

现场测试仪器见表4。．

2.3 基本参数测定方法

1）水温测量

如果管道上有测量孔，则在被测量管道上安装KIMO数字温度仪。将仪器的PT100传感器插入管道中进行水温测量，或将管道中原有的玻璃温度计、温度传感器替换为PT100传感器进行水温测量。如果以上两种条件都不具备，则读取机器内的温度显示值。

表4 测试仪器一览表

2）空气温湿度测量

使用温湿度仪,将其放置在被测环境中，稳定三分钟，再测量空气温湿度。

3）大气环境参数测量

使用气象温湿度自动记录仪、大气压力表，将其放置在测量环境中，每隔三分钟读取数据，平均后得到环境参数。

4）管道流量测量

在被测管道上安装超声波流量计以测量管道内水流量。超声波流量计分为V法安装和Z法安装。具体安装方法见图1。

图1 超声波流量计安装方式示意图

考虑到超声波流量计的安装位置对于流量测量精度有一定的影响，因此本次测试参照图2所示的原则进行安装。

图2 超声波流量计安装位置示意图

5）电参数测量

采用钳型功率计直接测量电机功率，或者测量电机的电流和电压，用于计算电机功率。如果现场没有测试位置和条件可以测量制冷机组功率、电流、电压，则读取电柜电压表、电流表或变频器中显示的电流、电压。然后根据式（1）和式（2）进行计算。

式中：P—三相总功率，W；

Up—三相相电压，V；

UL—三相线电压，V；

Ip—三相相电流，A；

IL—三相线电流，A；

2.4 冷水机组性能测试

冷水机组测量原理如图3所示，在冷冻水进水或出水（视现场管道而定）安装超声波流量计，待流量稳定后读取冷水机组HMI显示的冷冻水流量、冷冻水进出水温度、冷却水进出水温度。

采用钳型功率计直接测量，或者测取电机的电流和电压数据，得到电机功率。利用上述方法测量制冷机组功率、电流、电压。

通过所测冷冻水进出水温及其水流量，采用式（3）计算机组供冷量，通过所测得的功率，利用式（4）获得机组能效比COP。

式中：cp水—水的定压比热，kJ/(kg·℃)；

G水—水流量，kg/s；

Δt—进出水温差，℃；

N—功率，kW。

在该酒店进行多日现场实测数据后，选取了其中具有代表性的四天的测试数据，冷水机组性能实测结果见表5。

图3 冷水机组测试原理图

从表5的实测数据分析可见，机组每天的实测COP值均小于机组额定COP，四天的平均COP为3．91，小于机组的额定平均 COP 值 4．62，偏低了15．5%。此外，测量日的室外环境温度几乎均小于30℃，低于上海市的空调设计室外环境温度34℃，由此可见，空调系统处于欠负荷状态运行，实测的供冷量也未达到额定值。

从主机实测COP低于额定COP可见，机组处于欠负荷运行，这与空调机组使用年限较长也有一定关系。因此建议主机加装变频器，根据实际室外温度或者室内空气温度变化调节主机频率，从而降低欠负荷运行的功率以达到节能目的，保持额定COP。

3 酒店空调系统节能评估

基于实测数据对酒店空调系统用能诊断的结果，结合酒店空调系统用能特点，对冷水机组和水泵等空调系统主要用能设备进行了节能改造，以达到降低空调能耗，节省能耗费用开支的目的。

3.1 空调机组

3.1.1 空调机组设备概况

酒店的空调系统由2台约克螺杆机制冷机组，2台蒸汽锅炉，4台冷冻、冷却水泵组成。夏季主要使用螺杆机制冷机组，全年制冷期约为5月下旬到10月上旬。冬季使用锅炉制热，全年制热期约为11月中旬到来年3月下旬，酒店拥有2台蒸汽锅炉，供热水温度维持在55℃左右。全年锅炉运行分两个阶段，用热高负荷期为11月至来年4月，用热低负荷期为5月-10月,锅炉产生的热水主要供暖、宾馆客人盥洗。

表5 冷水机组性能测试汇总表

3.1.2 改造方式

1）在原有水冷机组上改造，增加热回收装置，将回收的热量供于夏季的生活热水。

2）用空气源热泵机组替代蒸汽锅炉，利用电制热替代天然气采暖和生活热水。空气源热泵机组有很多优势：一是天然气费用高，增幅快，电费相对低，增幅慢，且有峰谷平电价相差300%；二是原有天然气系统设备老化，效率逐年下降而能耗上升，且制热时压力锅炉存在安全性隐患。新增电制热系统后制热效率较原系统可提高30%左右，且系统为常压，无安全隐患。

3.1.3 改造结果

1)改造前的能耗情况

冬季采暖能耗天然气约为11．91万m3，折合能耗154．79 tce，按照上海商用天然气单价4．17元计算，共计49．66万元。

2)改造后的能耗情况

在使用空气源热泵后（取冬季采暖效率为320%，锅炉效率为95%），制取相同的热量能耗约为38．24万kWh，折合标煤消耗量为114．71 t，按照上海商用电单价1元/kWh计算，需要38．24万元。

节省能耗：154．79-114．71=40．08 tce

节省费用为:49．66-38．24=11．42万元。

3.2 水泵变频节能改造

3.2.1 设备概况

酒店现使用的水泵铭牌为无锡河埒，冷却水泵功率为30 kW，共3台，2用1备；冷冻水泵功率为22 kW，共3台，2用1备。

3.2.2 改造方式

水泵改为变频。空调系统最大负载能力是按照日最大冷负荷设计，存在着很大的富余量。通常夏季空调运行大多数时间并不在设计工况下，根据有关资料统计，空调设备95%的时间运行在70%的负荷以下[6]，并时刻都在波动，因此，实际负荷无法达到设计的满负荷状态。尤其是冷气需求量少的情况下，主机负荷量低。为了提高运行效率，冷水机组采用多机头或变频调速，主机能根据负载的变化自动加载或卸载，而与之相配套的冷冻水泵和冷却水泵如果没有变频装置，仍在高负荷状态下运行，出现大流量小温差的现象。另外，一般泵功率是按峰值的1．1～1．2倍选配，因此水泵经常处于“大马拉小车”欠负荷运行，存在着很大的能量损耗。为此采用变频技术通过调节泵频率达到调节流量减少功耗节能的手段是极为有效的。

水泵在改变转速时，由于流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，因此可通过调节水泵机组的转速来实时调节需水量的变化，一方面可避免水泵机组在低效率区域运转造成的电动机过载，另一方面也可以避免供水压力偏高所造成的浪费。

水泵变频调速应用中需注意三个问题：首先超范围调速难以实现节能目的，因此工作流量在额定流量90%以上变化时一般不采用变速调节；其次供水系统往往是多台水泵并联供水，此时应注意确保调速泵与定速泵都能高效运行，实现系统最优；最后若电机输出功率过度偏移额定功率或者工作频率过度偏移工频，都将使电机效率下降过快，最终影响到整个水泵机组的效率。而且在电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，影响电机安全运行。

3.2.3 改造结果

变频幅度越大，年节电量越高。应用电机变频调速控制技术，虽然增加了调速机组以及相应的配电设备、配电柜等设施，导致一次性投资增大，但经验表明，通常在改造后一年半内即可收回调速控制增大的投资。调速控制技术具有长远的经济和社会效益，是一项很好的节能措施。通过对空调水泵变频节能量进行计算与测试分析，并根据实际变频改造工程的节能量进行测评计算，水泵变频后的节能率一般在30%左右[7]。按夏季年运行时间180天计算，日运行12 h/d，水泵系统年总能耗为22．46万kWh，折合节约67．38 tce。

酒店水泵变频后年耗电量可节省能耗为20．21 tce，节省费用为6．74万元。

4 结论

我国建筑能耗长期居高不下，暖通空调系统能耗较高是主要原因。因此若能获取建筑中暖通空调系统实际运行数据，对其进行深入分析，是降低空调系统能耗乃至建筑能耗的有效途径。针对现有建筑用能诊断大多集中在办公、商业类建筑，以及缺乏现场实测数据的现状，提出了对酒店建筑进行现场实测，利用实测数据对建筑进行节能分析诊断的方法。

选取上海市区内一家酒店进行现场实测诊断。利用流量计、温湿度记录仪、微压差计等仪器测取4天冷水机组中进出水温差、压力差等数据，发现4天内机组COP值均小于额定COP，且偏差大于10%。经过现场调查后发现该空调机组长期处于欠负荷运行状态，且机组使用年限较长。在原有冷水机组上增加了热回收装置，同时对水泵进行变频节能改造，改造后可使酒店能耗费用降低18．16万元。

利用建筑物本身的运行数据进行分析，可以直接定位问题所在，提高研究效率，为物业管理人员提供更有效的节能建议。对酒店进行实测性分析以及节能评估并提供建议来节省能源，降低能耗，减少温室气体排放，响应国家节能减排政策要求，加快实现国家能源规划目标；为建筑业的可持续发展提供更先进的技术指导，为建筑物达到绿色建筑标准提供参考。