二级泵空调系统节能改造能耗分析

卢智慧王仰慧张超姜玲浩

1淄博共创暖通工程有限公司

2淄博市建筑设计研究院

0 引言

随着经济发展和国民生活水平的不断提高，节能减排日益受到人们的广泛关注。我国房屋总面积已超过400亿平方米，建筑的单位面积能耗相对较高，建筑使用能耗占全社会总能耗约28%，这一比重未来20年内有可能达到35%，发展绿色建筑产业对于我国应对气候变化、推动低碳经济发展具有重要意义。其中空调系统能耗约占整个建筑能耗的35%以上，空调冷水和冷却水系统能耗约占空调总能耗的30%[1]。而对于系统作用半径较大、设计水流阻力较高的大型工程，空调冷水宜采用变流量二级泵系统[2]。本文从原有设计的一级泵定流量系统运行后，发现存在一些使用不便和高能耗的特点分析，结合该大楼设计水流阻力高的特点，提出采用二级泵变流量系统，冷却水泵和冷却塔风机加变频的改造方案，从节能，运行合理以及投资回收期等方面进行比较计算，以供同行在类似工程设计中参考借鉴。

1 工程概况

该办公大楼位于淄博市张店区，上海路和联通路交叉口东北角，地上主楼共23层，其中1～4层为裙楼，层高均为5.1 m。主楼层高均为4.0 m。地下一层为双层机械式停车库，物资库房和设备用房等，层高5.8 m。建筑总高度为99.4 m，建筑总面积为48600 m2，主楼均为办公用房，裙房则设有会议室、活动室、餐厅等功能房间。

2 一级泵运行参数及现状分析

整栋大楼的供冷、供热均由位于地下一层的制冷机房负担，冷却塔设置在大楼西侧室外绿化带内，空调夏季总冷负荷为5100 kW，冬季总热负荷为3360 kW。配置离心式冷水机组2台（带变频驱动装置）：每台制冷量2813 kW，电功率510 kW，冷冻水进出口水温度为12/7℃，冷却水进出口水温度为32/37℃。方型逆流超低噪声冷却塔2台：每台流量600 m3/h，电功率5.5×3 kW。高区冷冻水循环泵2台（一用一备）：每台流量550 m3/h，扬程32 m，电功率75 kW。低区冷冻水循环泵2台（一用一备）：每台流量500 m3/h，扬程28 m，电功率55 kW。冷却水循环泵3台（二用一备），每台流量600 m3/h，扬程28 m，电功率55 kW。现状空调为一级泵定流量系统，循环水泵选用定频泵，空调末端装置设有三通调节阀，冷却水泵和冷却塔风机均为定频运行，大楼水系统共分为三部分：K1 低区：1～10 层空调系统、K1 高区：11～23 层和K2系统：6～23层新风系统，三个区冷负荷及总阻力详见表1，其中K1低区由一台离心机负担，K1高区和K2系统由另1台离心机通过分集水器分二路供给，空调系统原理图详见图1。

图1 一级泵变流量空调水系统原理图

从表1可以看出，K1系统低区热负荷2408 kW与K1系统高区和K2系统总和2692 kW相接近，原设计一级泵定流量系统2台离心机组从负荷分配上符合设计要求，是较为合理的设计方案，可是在实际运行过程中，存在以下几方面的问题：

1）2台离心机分别为不同的空调区域提供冷水，当1台机组出现故障需要维修时，所负担空调区域系统停止运行，影响正常使用，并且这2台之间为独立系统，不能互为备用。

2）在夜间加班，房间空调使用率较低时，离心机总是停机保护，空调不能正常使用，不能够满足实际工作需求。

3）本次设计的一级泵变流量系统耗电量大，详见本文一级泵与二级泵系统能耗详细计算和对比图表。

3 二级泵系统改造方案

对于中央空调冷却水系统而言，有文献认为冷却塔风机、冷却水泵的变频控制，将影响到中央空调主机的能效，使得中央空调主机的能耗增加。虽然达到了水泵和冷却塔节能的目的，但会导致中央空调冷源设备整体能耗的增加，不利于中央空调系统的节能[3]，而另一些文献则认为中央空调在部分负荷运行的情况下，当室外气象条件满足要求时，合理调节冷水泵流量能够很好的达到冷源系统整体节能的目的[4-5]。故根据现有空调系统设计和实际运行状况，从绿色节能，使用便利和系统稳定等方面综合考虑，将原有系统改为二级泵变流量系统，空调水系统原理图详见图2，同时将冷却水泵和冷却塔风机加变频器，系统设备具体参数选型如下：原有配置离心式冷水机组2台（带变频驱动装置）：制冷量2813 kW，电功率510 kW，冷冻水进出口水温度为12/7℃，冷却水进出口水温度为32/37℃；新增螺杆式冷水机组1台：制冷量840 kW，电功率180 kW，冷冻水进出口水温度为12/7℃，冷却水进出口水温度为32/37℃。方型逆流超低噪声冷却塔2台：每台流量600 m3/h，电功率5.5×3 kW（风机变频）。初级冷冻水定频循环泵2台（二用一备）：每台流量500 m3/h，扬程20 m，电功率37 kW；次级冷冻水变频循环泵K1系统高区和K2系统各2台（一用一备）：每台流量250 m3/h，扬程32 m，电功率37 kW。冷却水变频循环泵3台（二用一备），每台流量600 m3/h，扬程28 m，电功率55 kW。冷却水变频循环泵1台（与新增螺杆式冷水机配套），每台流量145 m3/h，扬程28 m，电功率18.5 kW。这样K1系统低区直接从分水器分一路供给，K1系统高区和K2系统均由各自的二级循环泵单独供水，配合末端电动两通阀变频使用，冷却水泵和冷却塔风机均变频运行，夜间和节假日有部分房间加班时，开启螺杆式冷水机组，与新增小流量水泵配套使用，避免原设计低负荷时空调不能启动不利情况。

图2 二级泵变流量空调水系统原理图

4 一、二级泵系统能耗对比计算分析

现将原设计一级泵定流量空调泵系统（方案1）和改造方案二级泵变流量系统（方案2）从以下几个方面计算对比分析。

1）冷水机组改造前后年运行耗电量、性冷系数和IPLV比较如下，详见表2和表3。

从表3中可以看出，当负荷率为25%，方案1单台离心式冷水机组低负荷运行时，COP降低至3.5，而方案2采用单台螺杆式冷水机组运行，COP高达5.27。IPLV由方案1离心式冷水机运行时的5.62提高到方案2的单台螺杆式冷水机运行时的5.95，制冷性能系数（COP）提高33.6%，方案2中单台螺杆机式冷水机组单独运行满足了节假日或夜间加班的实际工作需求。

2）冷却塔风机年运行耗电量比较如下，详见表4。

3）冷水泵和冷却水泵年运行耗电量比较如下，详见表5。

4）一级泵和二级泵系统年运行总耗电量比较如下，详见图3和表6。

图3 一/二次泵变流量空调水系统年运行耗电量对比图

可见，经过方案改造，二级泵变流量系统的总耗电量比一级泵定流量系统节约了20.44%，符合《绿色建筑评价标准》制冷性能系数（COP）提高6%，空调系统能耗降低幅度＞15%的绿色建筑节能的规范要求，属于绿色节能的改造方案。

5 投资回收期理论计算

本次改造方案中新增的主要设备，材料和安装费用如下表所示，详见表7。

根据以上所列材料表中费用，现对本方案进行投资回收期计算如下：

1）该项目每年节约电量961696-765110=196586 kWh，电价按照1元/kWh，则每年可节约196586元。2）静态投资回收期T1：574680/196586=2.923年。3）动态投资回收期T2：资金年收益率按照8%计算，投资回收现金流量表详见表8。

在第四年现金流量为正，另68117.19/144490.71=0.47，则动态投资回收期为3+0.47=3.47年，节能效果显著，属于经济合理的改造方案。

6 结论

本文结合办公大楼空调系统在实际使用中的不利因素，认为原设计空调一级泵系统不合理，接着对一级泵定流量和二级泵变流量空调系统各自特点分析对比，按年耗电量对冷水机组，冷水泵，冷却水泵和冷却塔风机耗电量的详细计算，得出以下结论：

1）二级泵变流量系统的总耗电量比一级泵定流量系统节约了20.44%，其中，冷水机组节电16.42%、冷水泵和冷却水泵节电44.32%和冷却塔风机变频节电25%，由此可以看出在阻力高的大型工程中，二级泵变流量水系统的节电量非常可观，系统改造势在必行。

2）冷却水泵、冷却塔风机变频配上合理的自控系统，节省能源，降低运行费用，节能效果显著。

3）动态投资回收期为3.47年，改造带来的经济利益非常可观，在类似工程中采用二级泵变流量系统为最佳选择。