工业建筑空调节能改造方案设计

李春龙，赵盟盟，束星北

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100000)

当前在国际上，节能是一个热点话题。同时节能问题也是我国现阶段重点探索的一项内容。我国经济发展速度相对较快，使我国能源消耗量增速极快，在此过程中，节能减排的作用日益凸显，我国走向节能减排成为必然[1]。实施节能减排需要在社会各方面都进行努力，由于建筑行业能耗量在社会全部行业能耗量中占比极大，建筑能耗成为节能减排中的重点节能项目[2]。在建筑行业中，工业建筑一直是用能大户，在节能减排中承担着十分重要的责任，其节能问题一直备受瞩目。

对于工业建筑而言，节能工作中最重要的环节就是建筑空调的节能，这是由于在工业建筑能耗中，空调能耗往往占到60%以上，特别是冷却水系统占据了大量能耗[3]。可以说工业建筑空调节能改造工作迫在眉睫[4]。

对于工业建筑空调节能改造问题，相关研究的开展越来越多，特别是在最近几年该问题受到了前所未有的重视。学者们根据实验数据对合理的仿真模拟方法和数学模型进行选择，分析工业建筑空调系统中各部件间的关联性及其对能耗的影响，从而设计出对应的节能改造方案。国外学者主要采用热回收、建筑智能化等技术设计工业建筑空调节能改造方案，其中基于热回收的工业建筑空调节能改造方案获得了比较广泛的应用，使用的热回收方式具体包括机房热回收、排风热回收等。国内学者则主要使用蓄能技术、设备变频技术等对工业建筑空调节能改造方案进行设计，其中设备变频技术获得了大面积的应用。借鉴以上研究成果，将模拟技术应用到工业建筑空调节能改造方案的设计中，设计一种基于模拟技术的工业建筑空调节能改造方案，并对设计方案进行测试与验证。

1 工业建筑空调节能改造方案设计

1.1 工业建筑空调模型构建

基于模拟技术构建工业建筑空调模型，首先获取工业建筑空调的特征，包括动态过程速度差异很大、多回路多变量、工作过程复杂、分布参数等，根据其特征决定构建一种模拟稳态模型[5]。构建的工业建筑空调模型具体包括冷水机组模型、表冷器模型、冷却塔模型以及输送流体设备模型等。

在构建工业建筑空调模型的过程中，首先需要获取各子模型参数，包括输送流体设备参数、冷却塔参数、表冷器参数、冷水机组参数[6]。通过实测数据对以上参数进行模拟，所需要的实测数据具体见表1。

表1 所需要的实测数据Tab.1 Required measured data

在对工业建筑空调进行模拟仿真时，利用表1实测数据对输送流体设备参数、冷却塔参数、表冷器参数、冷水机组参数等参数进行模拟，从而构建工业建筑空调模拟模型，模型构建中使用的编程软件为VC++6.0[7]。

1.2 设计冷机节能改造方案

离心式磁悬浮冷水机组与普通冷水机组的负荷能效对比如图1所示。

图1 离心式磁悬浮冷机与普通冷机的负荷能效对比Fig.1 Comparison of load energy efficiency between centrifugal magnetic levitation cooler and common cooler

通过构建的工业建筑空调模拟模型，可以发现当前工业建筑空调冷机存在换热器脏堵、负荷率低等问题。根据以上问题，设计冷机的节能改造方案。在设计的冷机的节能改造方案中，首先需要对冷水机组进行更换[8]。对于工业建筑空调来说，冷水机组是核心设备，也是节能问题中的关键设备。当冷水机组搭配不合理，存在效率低、负荷率低等问题，对其运行性能造成严重影响时，其能耗会很高，需要对其进行更换[9]。更换时选用离心式磁悬浮冷水机组。离心式磁悬浮冷水机组是一种冷水机组领域的新技术，其核心在于压缩机轴承处的磁悬浮技术，使用环保氟利昂R134a作为制冷剂[10]。离心式磁悬浮冷水机组采用的运行方式为无油运行，并且其部分负荷性能十分优异。

对于不存在比较严重的老化问题以及制冷量比较匹配的冷水机组来说，需要通过清洗冷凝器和蒸发器[11]。同时在原来的水系统上对自动清洗装置进行加装，以实现节能目的[12]。

1.3 设计水系统节能改造方案

为使能够更加高效、安全地运行，以及使其整体不平衡率更低，对水系统实施节能改造[13]。 首先由于水泵普遍存在效率低、选型扬程大、能耗大等问题，需要对部分水泵进行更换。将更换的水泵作为主要运行的水泵，原有的水泵则作为备用水泵[14]。选择2种节能水泵作为备选型号，在选型时以系统流量扬程为依据对型号进行选择。备选水泵型号的技术参数见表2。

表2 备选水泵型号的技术参数Tab.2 Technical parameters of alternative pump models

还需要改造水系统的对应流量控制，采用的节能改造方案为在冷冻水泵上对变频器进行加装，使冷冻水系统变成一次泵变流量系统[15]。同时，还需要对冷却塔和水泵实施运行调试，并对水系统实施平衡调试。

1.4 设计空调与通风系统节能改造方案

对于空调与通风系统，制定了一系列空调机组、通风系统、风量分配和气流组织、末端与室内温湿度调节的相关节能改造方案。空调与通风系统节能改造方案如图2所示[16]。对于空调系统，还需要安装能源管理服务系统[17]。

2 方案实施与测评

2.1 方案实施前能效数据

利用设计的基于模拟技术的工业建筑空调节能改造方案对某工业建筑空调实施节能改造，对设计方案进行验证与测评。

由于冷却水系统占据了大量工业建筑空调能耗，因此实验主要针对冷却状态进行，以获得更加明显、更具对比度的实验效果。

在实施设计的节能改造方案之前，需要对实验工业建筑空调实施1次能效测试，以获得对比实验数据。记录冷却水系统连续平稳运行4.5 h后的能效数据。测试时，工业建筑室内平均相对湿度以及空气温度情况如图3所示。

测试时，实验工业建筑空调的运行工况：冷却塔4台+冷却水泵2台+冷冻水泵2台+1号离心机组。测试的方案实施前。冷机制冷测试能效数据见表3、冷源系统测试能效数据见表4。

图2 空调与通风系统节能改造方案Fig.2 Energy-saving renovation scheme of air conditioning and ventilation system

图3 工业建筑室内平均相对湿度以及空气温度情况Fig.3 Average indoor relative humidity and air temperature in industrial buildings

表3 方案实施前冷机制冷测试能效数据Tab.3 Energy efficiency data of the chiller refrigeration test before the implementation of the plan

表4 方案实施前冷源系统测试能效数据Tab.4 Energy efficiency data of cold source system test before the implementation of the plan

根据表3、表4的测试能效数据可知，实验工业建筑空调热舒适度不达标，在连续运行时，其能效比为2.55，说明其运行能效较低，但耗能量却较高。此时制冷设备的具体能耗占比如图4所示。

图4 节能改造前制冷设备的具体能耗占比Fig.4 Specific proportion of energy consumption of refrigeration equipment before the implementation of the energy-saving transformation plan

由图4实施节能改造方案前制冷设备的具体能耗占比数据可知，冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵能耗占比偏大，水系统的实际输配能耗占比过大。

2.2 方案实施后能效数据

利用设计的基于模拟技术的工业建筑空调节能改造方案对实验工业建筑空调实施节能改造，改造后在同样的实验条件下再进行一次能效测试。测得的方案实施后的能效数据具体见表5、表6。

表5 方案实施后冷机制冷测试能效数据Tab.5 Energy efficiency data of the refrigeration test of the cooler after the implementation of the plan

根据表5、表6的测试能效数据可知，实验工业建筑空调的能效比获得了明显提升，也就是其运行能效明显升高。同时，其耗能量也大幅降低。此时制冷设备的具体能耗占比如图5所示。

表6 方案实施后冷源系统测试能效数据Tab.6 Test energy efficiency data of cold source system after the implementation of the plan

图5 实施节能改造方案后制冷设备的具体能耗占比Fig.5 Specific proportion of energy consumption of refrigeration equipment after the implementation of the energy-saving transformation plan

由图5实施节能改造方案后制冷设备的具体能耗占比数据可知，冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵能耗占比明显降低，并且水系统的实际输配能耗占比也得到了降低。

3 结语

在工业建筑空调节能改造方案的设计中应用了模拟技术，构建了工业建筑空调模型，并根据该模型对冷机、水系统以及空调与通风系统进行了节能改造，取得了良好的改造效果。由于研究时间与成本的限制，没能进行更加深入地研究，将会在日后的研究中进行深入探究。

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