集中供冷系统的优化与节能分析

集中供冷系统的优化与节能分析

张立楠

中国石化胜利油田分公司物探研究院 山东 东营 257000

摘要：以物探研究院的集中供冷系统为研究对象，通过对设备参数、自然环境温度、运行模式、运行电量进行分析，提出了优化运行策略、合理分配冷冻水、提高换热器效率等节能方案，经过一个制冷季的实施，通过比较机组的主要经济性指标，确定了优化后的经济效益，并对同类型的建筑节能工作有着借鉴性的意义。

关键词：中央空调；运行策略；能量梯级利用；节能分析

0  引言

在全球资源日渐短缺的环境下,建筑节能已成为目前亟待解决的问题，我国目前许多建筑年限较长，存在着设备老化、能耗偏高、技术落后等问题，建筑的能源消耗情况比较复杂，节能减排的潜力很大。在一般的公共建筑中，中央空调作为重要的基础设施和主要耗能设备，如何提高能源利用率、降低制冷电耗成为建筑节能的重要环节。

物探研究院建筑楼宇夏季的供冷方式为集中供冷，通过中央空调主机将换热后7℃的冷冻水输送到院区内五栋楼宇，用户末端的散冷设施采用风机盘管，可以根据需求自主调节室内温度。

2021年电量显示，供冷高峰期间，制冷系统电量占全院用电量近26%，占比偏高。在“降能耗、减损耗、控物料、减排放”的绿色发展理念下，为深入践行用绿色思想、绿色文化引领绿色发展，推动绿色低碳融入勘探开发全过程，对制冷系统系统开展节能研究有着至关重要的意义。

1  设备概况

物探研究院的制冷系统是由三台制冷主机、冷冻泵组、冷却泵组、冷却塔及相应的配套管道和风机盘管构成，其中主机为螺杆式压缩机，冷冻水泵组采用的是工频离心式水泵，配置为三运一备（如图1所示）。 

图1  制冷系统简图

机组于2003年投产，已经运行了19年之久，设备老化严重，制冷衰减量逐年递增，其制冷量通过滑阀机构控制进入压缩机的制冷剂流量，来维持蒸发器冷冻水出口温度恒定，根据室外环境温度的不同，运行电流在250~450A区间，经实测，制冷主机制冷能效比COP值为3.7，制冷效率偏低。通过对制冷季运行电量分析，泵组耗电占比44.46%，是节能的关键。

2  现状调查

制冷系统常用的节能措施包括：用能的计量、输送流体设备合理采用流量调节措施、日常运行调整和提高能源的综合利用率等，本次研究就以上几个方面开展现场调查。

2.1 制冷系统的各设备耗电占比分析

为找到降低制冷系统运行电耗的有效路径，对2021年5月~2021年9月的电量报表（见表2）进行了分析：

表2  2021年度制冷电量报表

制冷系统各设备电耗分布情况为：冷冻水泵占比44.46%，冷却水泵占比22.27%，制冷主机占比32.16%，冷却塔占比1.12%。其中，冷冻水泵占比最高。

2021年6月2日制冷投运至9月30日停运，围绕冷冻水泵运行情况，结合2021年东营市逐月平均温度对2021年冷冻水泵运行天数进行了分析和统计（见表3）：

表3  2021年逐月平均温度和冷冻水泵运行情况统计表

分析发现：冷冻水泵的月运行时长与外界环境温度匹配不及时；冷冻水泵的单日运行时长与夜间、节假日的楼宇热负荷波动未能很好的耦合，考虑到冷冻水泵的电耗占比较高，如果对冷冻泵组进行运行优化，有着较大的节能空间。

2.2 制冷系统运行策略分析

6~10月份之间，制冷系统虽为全天运行，但制冷负荷随着室外空气温度和室内热负荷而改变，一日之内的每小时都在变化，作为办公楼宇，制冷负荷主要集中在室内热源，如照明、人员、办公设备，由于办公人员上、下班时间相对固定，室内热负荷主要集中在8:00~18:00区间，下班后的制冷负荷骤然减少，因物探研究院的制冷系统没有蓄冷设备，所以中央空调的运行需根据实际负荷进行及时调整。

通过空调组设备运行报表，整理出了2021年冷冻泵组运行统计表（见表6），冷冻水泵在8、9月两个月内全部为3台机运行，未按照楼宇实际逐日热负荷的变化进行调整。而2021年制冷主机运行统计表（见表7）显示8月份因环境温度较高，制冷机组一直开了两台，7、9月份也有19天时间为双机运行。

表6  2021年度冷冻泵组运行统计表       表7  2021年度制冷主机运行统计表

本次研究对2021年7月24日的制冷机组单日逐时电耗进行了分析（如表8）。

表8  制冷机组单日逐时运行电耗统计表

分析发现，运行状态为1、3#制冷机组24小时不间断运行，其中，1#制冷机组的小时电耗随气温从137~180 KW•h波动，3#制冷机组的小时电耗随气温从212~218KW•h波动。

由表8还可分析得到：两台机的滑阀控制随制冷负荷变化波动较小。若考虑夜间办公人员较少，能够单台制冷主机运行，按照冷冻水泵、制冷主机总耗电占比76.62%，优化两者的运行方式是大幅降低制冷电耗的关键。

根据历年运行日志分析，预期3台冷冻水泵运行天数为25天，夜间停运小时数按8h计算；制冷主机双机运行天数为20天，夜间停运小时数取8 h，按照设备的额定参数进行计算，一个制冷季可节约电量（55KW×6h×20d）+（400A×3×0.22KV×6h×15d）=53240 KW•h。

综合以上分析，通过分析、解决影响中央空调能效利用率低的因素，并对运行策略进行优化，进而降低物探院制冷电耗是可行的。

2.3 冷冻水的分配分析

对往年制冷运行进行调研发现，冷冻水冷冻水至机关楼、网络楼、综合楼、档案楼和软件楼的流量配比，采用的是平均分配原则，即各供水分门全开（如图7），对各楼宇的地理位置所产生的的管网水阻和热用户的实际负载没有做出相应的区分，，但这就造成了冷源损失，使得冷冻水回水温度偏高，由逆卡诺循环可知，制冷剂吸热温度的增加降低了制冷系数，使得压缩机电耗增加，因此研究如何将制冷系统的冷冻水合理分配，有着降低机组电耗的重要意义。

图7  冷冻水分配现状示意图

2.3 热交换设备的换热效率分析

蒸发器是低压、低温的两相制冷剂蒸汽进行气化吸热的设备，通过蒸发器最终可以得到所需的冷量，其换热效果的好坏直接影响制冷机组的运行效率。

在2022年5月供冷前检修时发现，蒸发器运行时饱和压力低于正常工作压力范围，最低到了384 KPa,初步判断为蒸发器的换热铜管结垢，造成了换热效果差。由蒸汽压缩式制冷理论循环示意图（如图8），蒸发器换热变差会造成相同的膨胀功情况下，放热温度T0会降低，制冷系数ε=T0/(TK - T0)随之降低，通过查阅设计规范，工程经验为每提高制冷温度1℃，将节约10~15%的供冷能耗。

图8  蒸汽压缩式制冷理论循环示意图

(a)工作流程   (b)理想循环T-s图

因此, 如何提高蒸发器的换热效果,从而降低制冷温度T0,是提高制冷系数、降低机组运行电耗的关键因素。

综上所述，将影响物探研究院制冷电耗的要因确定为：

（1） 冷冻水泵组、制冷主机运行管理不合理；

（2）冷冻水分配不合理；

（3） 蒸发器换热效果差。

3  对策实施

3.1 优化冷冻泵组的运行方式

在2022年制冷运行之前，对优化冷冻泵组运行的方案进行了讨论和实验，用户侧制冷效果主要取决于冷冻水管内的供水温度及流速，各冷冻水并联支管只有在设计水阻力接近相等时，才能按照设计的要求获得各自的基本设计水量，从而保证为末端装置提供设计冷量。

经分别比较相同条件下3台、2台、1台冷冻水泵的运行效果，发现：3台泵运行一段时间后比2台泵运行，室内温度可下降约2℃，制冷效果更好；但当1台泵运行时，系统内冷冻水流量已小于制冷机组的最小允许流量，冷冻泵所提供的压头无法克服系统管道内水阻，造成了部分较高楼层上不动水、管道内积空气等现象，制冷效果急剧下降。

因此在3台冷冻水泵运行的工况时，制定措施如下：

（1）工作日的周一至周四，夜间22:00~早晨7:00停运#4冷冻水泵，#2、3冷冻水泵维持运行；

（2）周五至周日、节假日期间，只保留#2、3冷冻水泵运行。

图10    冷冻水泵运行示意图

实施效果：

对2022年8月3全天的冷冻泵组的电耗情况进行了统计（如表10），通过蓝色的实际电耗曲线和黄色的优化前曲线对比，节能效果明显。

表10  2022年8月3日冷冻泵组电耗统计表

截止2022年9月6日，冷冻泵组用电统计（如表11）供冷期间冷冻泵组3台机运行日期为7月23日~ 8月20日，此优化方案执行合计29天，累计节约用电约14355 KW•h.

表11  2022年冷冻泵组电量统计表

3.2 优化制冷主机的运行方式

为使制冷机尽可能在高效率下运行，需根据动态负荷来确定制冷机的运行台数，通过查阅历年运行记录结合冷冻水来、回水温度、负载率等运行指标，制定了运行方案：双机运行工况下，当冷冻水出水温度≤11℃，回水温度≤15℃时，停运#3制冷主机，并选取2022年8月3、4日两天冷冻泵组的运行电量作为样本，进行了统计（如表12）。

表12  2022年8月3日冷冻泵组电量统计表

截止2022年9月6日，制冷主机用电统计（如表13）供冷期间制冷主机双机运行日期为7月23日（#1、2机组运行，后因变压器检修，切换为#1、3机组运行）、7月29日至8月9日（#1、3机组运行）、8月30日至9月6日（#1、3机组运行），此优化方案执行合计21天，累计节约用电约49896 KW•h.

表13  2022年制冷主机电量统计表

综上所述，通过采取优化后的冷冻泵组和制冷主机的运行方案，细化设备管理的同时，也带来了不小的经济效益，截止9月6日，制冷系统综合节电约64251 KW•h，超过了实施前制定的节电53240 KW•h目标，达到预期目标。

3.2 优化冷冻水的分配

3.2.1 供冷管网水力分析

小组在解决冷冻水分配优化这一问题的过程中，首先对系统管网的水力特性进行了研究，并绘制了物探院供冷管网水压图（如图9）。为保证最高用户系统不汽化、不倒空，冷冻水供水阀门的调整应在一定范围内进行，通过对图中供水管动压线分析，最小允许流量应在额定流量的50%~70%，因此得出结论：冷冻水各回水分门调整时，开度不应小于2/5。
                 

图9  物探院供冷管网水压图

3.2.2 各楼宇热负荷计算

建筑的热负荷计算包括：通过围护结构传入的热量、太阳辐射热量、设备、照明及其他内部热源的散热。计算采用冷负荷系数法，这种方法是在传递函数法的基础上建立的一种简化计算方法。实际扰量以逐时的离散值给出，输出亦用逐时值表示，并用冷负荷温度直接从外扰来计算负荷。

通过围护结构进入的非稳定传热形成的逐时冷负荷，用下列简化公式进行计算：

                            (3-1)

                           (3-2)

                            (3-3)

式中：

CLw——外墙、屋面、外窗传热形成的逐时冷负荷；

K——传热系数，W/（m2·℃）；

F——传热面积，m2 ；

twl——计算温度，℃；

tn——设计温度，℃

计算中twlq、twlm、twlc按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736中的附录H和 《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50019中的8.2.5的规定分别选用20℃、20℃、15℃，传热系数K1查表为1.43

W/（m2·℃），外窗投入传热系数K2取值为0.36 W/（m2·℃），通过计算得到综合楼、网络楼、软件楼、机关楼、档案楼的额定热负荷分别为：897.7KW、667.4KW、445.3KW、463.1KW、224.7KW。

3.2.2 按各楼宇实际热负荷调整冷冻水分门开度

通过对综合楼、网络楼、软件楼、机关楼、档案楼的热负荷进行了估算，计算中，假设五栋独立建筑的围护结构传热热阻相同、太阳辐射热对建筑物的热作用相同，因体形系数、窗墙面积比相差不大，在计算中进行了忽略，并根据冷冻水耗量公式 得到了各楼宇冷冻水耗量饼分图（如图10）。

图10  物探院各楼宇冷冻水耗量饼分图

通过管网水力特性及调节阀的通流能力相结合，得到各冷冻水分门最佳理论运行开度，对综合楼、网络楼、软件楼、机关楼、档案楼按照4:3:2:2:1的配额指导运行，为便于监控各楼宇冷冻水回水温度，在回水管道各加设一块温度表（如图11），阀门的调节根据实际运行工况和室外环境温度对冷负荷的影响，按照每周一次的频率进行调整,并进行记录。

图11  加装冷冻水分门回水温度表

3.2.3 实施效果

经过一个月的运行，在对冷冻水进行优化分配后，冷冻水回水平均温度降低约1℃，考虑2022年7月平均气温较常年偏高，制冷量偏大，故对优化前后的能效比（COP）进行了对比，经计算COP由3.7提高到了3.9，机组运行得到了优化。达到预期目标。

3.3 对蒸发器内铜管进行清洗

于2022年8月10日对#1制冷机组蒸发器内的换热铜管进行了清洗。对相同工况下清洗前后的#1制冷主机电耗进行了电量分析（见表13）。

表13  清洗前后#1制冷主机电耗

表13中，7月24~7月29日为清洗前单机运行工况，8月10日~8月30日为清洗前单机运行工况，由表可见清洗前后的日平均电耗由4739 KW•h降至3561 KW•h ，且蒸发器饱和压力也由350 KPa升至529 KPa（见图13），对应放热温度T0升高7.9℃，达到预期目标。

图13  清洗后#1蒸发器饱和压力

4  节能效果分析

通过本次研究，有效降低了物探研究院制冷机组的运行电耗，对制冷效率进行数据分析时见到明显效果，在当前节能环保的严峻形势下，为绿色低碳发展做出了贡献。

（1）自2022年6月4日制冷运行，实施优化冷冻水泵、制冷主机措施以来，截止9月6日，制冷系统综合节电约64251 KW•h，按照商业用电0.87元/度，折合电费5.59万元。

（2）自2022年6月6日，实施优化冷冻水分配措施以来，已累计运行93天，冷冻机组平均电流为122.96A，据测算冷冻水回水降低0.5 ℃，降低平均电流12.3A，共计节约电量20459 KW•h，折合电费1.78万元；

（3）自2022年8月10日，#1制冷机组蒸发器清洗后，#1制冷机组已运行28天，累计节约电量22984 KW•h，折合电费1.99万元；

综上所述，通过采取以上三种降耗措施，降低制冷电耗107694KW•h，降耗百分比达到15.3%，共计节约电费9.36万元。

5  结论与认识

通过本课题的研究，形成了以下三点认识与结论：

（1）经过综合论证、现场实施，明确了实现降低制冷电耗的途径，并得到了适应物探研究院运行的方案，也为同类型建筑的节能改造及新建楼宇集中供冷的运行模式，提供了参考及推广价值。

（2）本次研究的内容，同样也适用于集中供热的建筑楼宇，可通过优化供热水泵的运行模式，减少非工作时段的运行台数、合理分配供热流量、及时关注并清理换热器的换热部件，来达到降低供热系统能耗的目的。

（3）在冷冻泵组优化的实施过程中，需要对制冷机组的最小允许流量进行计算和实验，若优化后剩余台数的冷冻泵所提供的压头无法克服系统管道内水阻，会造成较高楼层上不动水、管道内积空气等现象，大大影响制冷效果。

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