大型公共建筑冷源系统能耗调查

和主要问题分析

中国建筑科学研究院 牛利敏 宋业辉 曹勇 路宾

摘要：本文对四个典型城市多个项目的冷源系统进行测试、调查，给出了部分测试调查结果，并对结果进行分析讨论，指出了现有公共建筑冷源系统在系统配置、运行管理、自动控制方面存在的普遍问题和节能潜力，为空调系统的设计、运行提出了建议。 关键词：公共建筑 建筑节能 冷源系统

1 引言

目前，建筑节能已成为全社会普遍关注的问题。在所有民用建筑中，大型公共建筑能耗水平最高，而在大型公建的能耗构成中，空调能耗约占建筑能耗的50%。因此公共建筑中央空调系统能耗问题越来越受到人们的重视。冷源系统能耗一般占空调系统总能耗的40-60%。因此如何提高冷源系统运行效率、降低冷源系统的能耗，对于建筑节能非常重要。冷源系统的实际运行能耗除与冷水机组本身性能有关外，还受系统设计、运行管理和维护保养等诸多因素的影响。近年来的调查结果显示，目前我国现有建筑，特别是大型公共建筑中由于空调系统设计的不合理、设备安装的不规范、运行管理水平低、维护保养不到位和运行策略不科学等原因，导致冷源系统长期在低效率下运行，能源浪费严重。为了能够掌握现有大型公共建筑中冷源系统的实际能耗水平、系统性能、存在的问题，我们对广州、上海、北京和沈阳四个典型城市，共20个公共建筑的冷源系统进行测试和调查。本文将重点对次测试调查的结果及主要问题进行分析。

2 测试项目概况及调查方法

2.1 测试项目概况

测试20个项目中，建筑面积最小的为10000平方米，最大为100000平方米。使用功能包括酒店、商场、办公和医院。从空调冷源形式分，有8个项目用的是溴化锂吸收式冷水机组，其余12个项目采用电制冷机组，其中包括3个多联式空调系统，4个水源热泵空调系统和5个常规的水冷冷水空调系统。每个项目冷源系统的配置情况在这里不做介绍。 2.2 方法

首先在开展测试之前，通过现场勘查、查阅系统设计图纸等了解项目的概况和冷源系统的配置情况，查阅制冷系统的运行记录，了解系统的运行模式；然后根据系统的配置情况和运行模式，确定检测内容和方法，对制冷系统的实际运行参数进行现场测试；最后根据测试结果对运行记录进行整理、必要的修正计算，根据计算机过对系统的运行情况进行评价。

3 调查结果

这里不再对每个项目的调查结果逐一介绍，针对冷源系统的几个主要参数对测试调查结果进行分析讨论。 3.1 能耗水平

调查四个典型城市公共建筑冷源系统的平均能耗水平由南向北依次减少，分别为： 北京地区典型项目单位空调面积累计每年消耗一次能源量最小为77 MJ/m2•年（和97 MJ/m2•年，最大值为547MJ/m2•年，除去两个能耗较小的使用不正常的项目，其余项目平均单位面积年累计消耗一次能源为364MJ/m2•年；

上海地区典型项目单位空调面积累计每年消耗一次能源量最小为245MJ/m2•年，最大值为921MJ/m2•年，各个项目平均单位面积年累计消耗一次能源为455MJ/m2•年；

广州地区两个典型项目平均单位空调面积年累计消耗一次能源量为618MJ/m2•年； 沈阳地区两个典型项目平均单位空调面积年累计消耗一次能源量为231MJ/m2•年。 具体每个项目的能耗情况见表1。

表1 调查项目的能耗情况能耗水平 项目 编号 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 B1 B2 B3 B4 B5 D1 D2 D3 E1 E2 单位面积一次能源消建筑功能 商场 办公 商场 商场 医院 商场 综合 办公 办公 办公 办公 办公 商场 办公 综合 酒店 酒店 办公 办公 医院 建筑面积 60000 66606 40000 49000 94000 100000 80000 15600 62115 14000 70000 23700 30000 9500 10000 80000 78000 30453 78000 85000 耗量（MJ/m2•年） 406 / 547 251 487 240 77 97 252 / 245 298 921 357 / 471 756 / 155 306 单位面积耗电量 （kW.h/m2•年） 34.5 / 46.4 21.3 41.3 20.4 6.5 8.2 21.4 / 20.8 25.3 78.2 30.3 / 40.0 64.2 / 13.2 26.0 备注：1.表中A、B、D、E依次代表北京、上海、广州、沈阳四个城市； 2．表中划“/”的项目没有完整可靠的运行记录。 10009008007006005004003002001000A1A3A4A5A6A7A8A9B1B2B3B4D1D2E1E2（mJ/m2.年）

图1 调查项目单位面积年能耗水平

3.2 冷源系统的性能系数

空调冷源系统的能耗系数既空调系统产生单位制冷量所消耗的能源数量，冷源系统的能耗系数指制冷季冷源系统消耗的能源与制冷季累计冷负荷的比值，具体计算结果见表2。

表2 典型项目CEC计算结果 所在城市 项目编号 A1 A3 A4 北京 A5 A6 A7 A8 备注： 1. 表中未列项目均没有运行记录，其余项目的CEC值是根据整个制冷季数据计算结果。 2.项目A9办公大楼空调系统运行管理人员技术水平低，运行方式不科学是造成其能耗系数偏大的主要原因。

系统CEC 1.18 1.05 1.05 1.00 0.99 1.46 1.64 广州 沈阳 / 上海 所在城市 北京 项目编号 A9 B1 B3 B4 D2 E2 / 系统CEC 2.47 0.88 1.31 1.10 1.46 1.23 /

从表中可以看出典型项目的能耗系数差别较大，最大的为2.47，最小的值为0.88，一般都在1～1.5之间。

2.521.5CEC10.50A1A3A4A5A6A7A8A9B1B3B4D2E2

图2 调查项目冷源系统CEC

3.3 主机性能系数

测试不同形式的主机性能系数分别为：水冷冷水机组的COP在3.3～6.1之间，差别比较大，造成性能系数差别的原因很多，包括测试当天的负荷情况、机组使用年限、热源的温度等。直燃式冷水机组实际性能系数在0.97～1.37之间，多联式空调系统测试期间平均性能系数在2.77～3.34之间，具体测试结果不再详述。

3.4 输送性能

输送系数是指输送系统输送冷量（热量）的能力，是输送冷量（热量）与消耗能量的比值，调查项目冷源系统输送系数具体见表3。

从测试结果可以看出，调查20个项目中有17个为水冷冷水系统，每个项目水系统输送系数差别很大，冷冻水系统输送系数最小的为4.3，输送系数最大的为63.9，调查项目空调系统冷冻侧平均数送系数为22；冷却水系统输送系数最小的只有3.0，最大值为64.6，调查项目冷源系统冷却侧平均输送系数为28。水系统输送系数越小说明水系统的输送能力差，能耗相对来说较多。影响水利输送系数最主要的就是其系统配置和运行模式，水利输送系数很小的冷源系统说明其输送设备的配置或运行模式极不合理。

表3 典型项目冷冻侧和冷却侧输送系数 典型城市 项目编号 A1 A2 A3 A4 北京 A5 A6 A7 A8 A9 A10 B1 上海 B2 B3 B4 B5 广州 D1 D2 D3 E1 E2 冷冻侧输送系数 15.6 / 9.9 34.9 24.5 19.5 11.7 14.2 4.3 / 30.6 / 27.7 23.2 / 12.8 63.9 9.9 15.7 40.5 冷却侧输送系数 37.9 / 11.3 11.6 22.6 32.3 12.3 7.2 3.0 / 24.2 / 40.2 48.8 / 9.8 64.6 9.2 72.8 24.0 沈阳 备注： 1.冷冻水系统能耗计算包括冷冻水一次泵和二次泵（二次泵系统），不包括末端设备能耗； 2.冷却水系统能耗计算包括冷却泵和冷却塔，深井泵（水源热泵系统）。 4 主要问题及分析

4.1 系统配置不合理

通过对多个空调系统的测试和调查，发现大多公共建筑冷源系统配置存在如下问题。

4.1.1容量过大

一方面冷源容量配置过大，公共建筑单位空调面积设计冷负荷大都在100～300W/m2之间。冷源选择时没有充分考虑负荷的特征和设备的特性，测试调查项目中有较多项目空调

系统都达不到满负荷运行，即使在最热的月份，仍有制冷机组闲置，甚至多台冷水机组闲置，图4和表4是调查13个项目冷源系统配置负荷与实际运行负荷的对比情况，从表中明显看出，大部分系统实际运行最大负荷都远小于冷源配置负荷，系统最大负荷率最小的只有21％，只有少数最大负荷率在70％以上。

300250（W/m2）200150100500A1A3A4A5A6A7A8A9B1B3B4D1E2配置冷负荷指标运行峰值负荷运行平均负荷

图4 典型项目单位空调面积装机容量和运行负荷比较

表4 测试调查冷源配置情况及实际运行情况对比 项目编号 A1 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 B1 B3 B4 D1 E2 装机容量(kW) 6978 6795 3516 5144 7440 2025 1710 5700 8790 6105 1745 6978 9304 运行最大负荷(kW) 5313 4390 3176 3545 3654 604 451 1178 4727 3119 1148 2296 5562 平均冷负荷(kW) 3401 2149 1625 1945 2269 592 304 624 2502 1788 871 887 3593 系统最大负荷率 76% 65% 90% 69% 49% 30% 26% 21% 54% 51% 66% 33% 60% 备注：表中负荷率指系统最大负荷与配置负荷的比值。 测试调查项目中，只有25%的项目在最大负荷工况运行时没有闲置机组，75%的项目都存在机组备用的情况，甚至存在多台机组常年闲置的情况。配置容量过大一方面造成冷源系统初投资的增加，另外也浪费了机房的使用空间，而且造成管理维护费用的增加。

另一方面辅助设备配置过大，主要指冷冻水泵和冷却水泵配置过大，典型项目中很多项目由于输送设备选型过大，又缺乏相应的调节手段，造成系统“小温差、大流量”运行，使输送设备能耗增加。由能耗构成比例可以看出，有些项目输送设备的能耗占系统总能耗比例高达60％，这样就大大降低了系统的能效比。 4.1.2 配置不灵活

主要指系统冷源设备和输送设备配置没有充分考虑部分负荷运行工况的调节能力，比如，空调系统设计负荷为1000冷吨，可以选择一台1000冷吨的冷水机组，也可以选择两台500冷吨的冷水机组，从控制的灵活性上来说，后者要比前者更合理一些。因为，实际上空调系统大部分时间都是在部分负荷下运行，而一般主机在较低的负荷率下性能衰减严重，对于空调负荷较低的情况下后者可以保持机组较高的运行性能。另外对于输送设备也一样，如果系统水量不能随负荷的变化进行调节，同样造成输送设备的能耗增加。 4.2 自动控制水平低

冷源系统的自动控制，包括监测和控制。一般制冷主机本身带有自动控制系统，可以根据循环水温的变化自动加减载，也可以监测流量、压差等信号，在系统运行出现异常时实施自我保护措施。冷源系统的自动控制系统，是对冷源系统所有设备运行参数进行监测和控制，实施自动控制可以达到以下目的：1.可以根据负荷的变化及时调整冷热源系统的供回水温度和流量，保持室内舒适性。2.自动开启、调整或停止系统各个设备，简化了操作管理，减少人为操作，同时可以提高设备的运行效率，节约能耗；3.确保设备的安全运行，防止设备事故，降低系统设备的维修费用。

目前公共建筑空调冷源系统的自动控制系统水平差别较大，调查项目没有一个能够实现冷源系统完全的自动控制。有些系统年代较为久远，所有设备的启停都需要人为操作，有些基本可以实现主机和辅助设备的连锁启动，但对各个设备运行参数没有相应的监测措施，变工况运行时没有相应的调节手段。有些项目空调系统即使安装了较为完善的自动控制装置，也是形同虚设，没有达到灵活调节、优化运行的目的。 4.3 运行管理水平低

冷源系统运行管理主要涉及两个因素一个是运行管理人员，另一个是管理制度。

4.3.1 运行管理人员

机房运行管理员岗位是有一定的技术含量的，而不只是简单的开关电源，记录数据等，管理人员应该懂得空调系统基本的工作原理，系统的流程，简单故障的处理及通过对系统运行数据的监测总结出合理的运行方案，另外要求管理人员有较强的责任心。

通过对多个项目冷源系统测试调查，发现目前各工程的运行管理水平参差不齐。有些项目的机房管理人员对制冷系统了解透彻，且对系统的运行数据具有一定的分析能力，主动总结逐年的运行数据及能耗，研究节能运行策略，并把意见反馈给相关负责人，以便做出合理的调整。

有些项目的值班人员工作就是开关电源，从不查看机组运行情况；有的只知道根据气候的不同开关机组和水泵，却不切换相应的水路阀门，从而降低了其它机组的运行效率，严重时影响机组的正常运行；有的值班室离机房很远，而且对系统的运行没有任何监控措施，根本无法及时发现问题。北京某政府办公大楼制冷机房配置运行管理人员技术水平较低，不懂得运行节能，系统在长期小负荷运行的情况下，输送设备却一直处于满负荷运行，因此造

成该冷源系统运行性能极低，各项指标也较差。 4.3.2 管理制度

完善的机房管理制度，是制冷系统安全、可靠、节能运行的基本保障。管理包括人员管理和技术资料管理，一般包括下面内容：1）对人员技术能力的要求及操作范围的限制；2）制冷系统基本操作规程；3）操作中主要问题的规定；4）突发问题的处理。另外，一般要求运行管理人员对制冷系统的运行状态和运行参数做详细的记录，运行参数的记录，一方面可以积累系统运行的数据，以便对数据进行分析，了解系统的性能。

有些公共建筑没有冷源系统的运行记录，或者记录数据过于简单，信息量太少，也有个别项目虽然对运行参数做了记录，却没有按要求记录，造成记录信息不可靠、没有参考意义。 4.4 其他

另外从技术层面上看，一些项目的运行方式不够科学合理。 4.4.1 运行模式

图5是调查共建能耗冷源系统能耗构成比例，由此可以看出有些建筑冷源系统的能耗构成比例极不合理，输送设备能耗比例达到60％以上，其主要原因就是系统运行方式不合理。该项目采用地下水源热泵系统，水源侧采用二次泵系统，即冷却水系统包括深井泵和二次泵，该系统共设10台相同冷量的热泵机组，而从整个制冷季的运行记录看，06年制冷季都是只开2台机组，而冷冻水泵全部开启，冷却水泵开启2/3，深井泵开启1/2，这种运行方式必然造成输送设备能耗的浪费。 100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%A1A3A4A5A6A7A8A9B1B3B4D1D2D3E1E2机组（%）冷冻侧（%）

冷却侧（%）图5 调查公建冷源系统能耗构成比例

4.4.2 小负荷运行

从能耗构成比例来看，输送设备所占能耗比例较大的冷源系统，冷源配置都缺乏对输送设备的调节，一方面输送设备配置过大，另一方面没有变频装置。尤其是冷源系统设计冷负

荷远远高于实际冷负荷时，系统长期处于小负荷运行状态，造成“大马拉小车”的现象，不利于空调系统的节能运行。 5 节能潜力

中央空调系统的节能运行，涉及到各个环节，包括设计的合理性、施工质量、运行管理的可靠性等，在此着重从设计和运行两个方面来说。 5.1 设计

系统容量配置过大，已经成为冷源系统存在的普遍问题，问题的主要原因是系统的冷负荷估算过大。一些暖通空调工程在设计的过程中，盲目地用单位冷负荷指标对制冷系统的冷负荷估算，再加上一定比例的保险系数，使设计冷负荷总是偏大，从而导致设备主机容量过大、输送设备和输送管路偏大、末端设备也偏大，形成了系统消耗能量大大增加。另外，在设备选型的过程中也会产生把空调负荷再次加大的情况，还会因为冷源设备、输送设备配置不灵活而造成系统在部分负荷运行时性能较低。因此在冷负荷计算、设备的选型等许多环节中都存在节能空间。

因此要求在中央空调系统设计阶段要控制冷负荷，进行逐项冷负荷计算，应采用动态负荷计算方法，以及实际负荷情况选择合适的冷热源系统和辅助设备。要充分考虑空调系统部分负荷运行对系统性能的影响。 5.2 运行

中央空调系统具有一定复杂性、系统性，采用的运行方式、运行策略及控制方式的不同都会对系统的运行性能产生很大的影响。通过对典型项目的调查，发现系统运行过程中在以下几个方面存在着节能空间。 5.2.1提高系统运行的自控程度

实施冷源系统运行的群控，达到主机与各个辅助设备的开启及相互切换自动进行，并优化系统的运行模式，使冷源系统在最佳状态运行。最大限度地实现空调系统的节能运行，提高系统运行的经济性。

5.2.2采用大温差运行，降低输送系统的能耗

要优化冷源水系统运行模式，通过管路改造、增加变频装置等措施实现“大温差、小流量”运行，使水系统的运行适应负荷变化。从而节约输送设备能耗，降低系统的运行费用。 6 结语

节约资源和保护环境已成为我国基本国策之一，节能减排工作已渗透到各个领域，建筑节能也越来越受到各级领导的重视。在此形势下，从事建筑节能领域的工作人员更应该勇于负担起此重任。综上分析，目前，我国大型公建冷源系统存在较大的节能空间，我们应将节能思想贯穿于设计、设备的选型配置、运行管理等各个环节，这样就可以实现空调系统的节能运行，同时带来巨大的经济效益和社会效益。