北京某大型商场空调系统节能改造方案分析

针对商场建筑供暖空调系统运行能耗高的问题，本文以北京市某大型商场为例，调研与分析了现场用能情况， 依托智慧能源管理控制平台，对其空调冷热源机房与末端系统进行智能化节能升级改造， 以实现该商场空调系统的能效提升，达到自动运行、无人值守的运行状态，提高管理效率，并可为北京地区商场及同类建筑的空调系统运行管理提供参考。

北京某商场开业于2007年，总建筑面积约62000m2，属于大型商业建筑，该商场地下2层、地上6层，经营范围以购物、餐饮、娱乐为主；全年营业时间为10:00~22:00；地理位置优越，娱乐设施齐全，人流量大。

该商场冷源采用3台离心式冷水机组，单台机组额定制冷量7032kW、额定功率1213kW。循环水泵和冷却塔的配备情况如表1所示，其中，中央空调冷冻水系统采用二级泵系统，设备均配备变频器，但并未进行变频调节，目前处于工频运行。

冷站初期设计是为该商场建筑以及塔楼部分的办公建筑供冷，后因物业分割，现冷站只负责商场建筑的冷负荷。所以在实际运行中，整个制冷季仅开启其中一台冷水机组即可满足供冷需求。对于一级冷冻水泵，平时只开1台功率为93kW的设备即可满足供冷需求，二级水泵也只开启一台功率为93kW的设备即可满足供冷需求，如表2所示。

商场热源采用市政热力进行供暖，一次侧热水经过板式换热器与机组进行热交换，制取55℃的热水供给空调系统使用。换热机组共3台，配套3台换热二次水泵，额定功率为90kW，运行时由人工控制变频运行。

空调末端由全空气VAV系统和风机盘管系统组成，其中风机盘管系统主要服务周边走廊区域，冷源为冷站直接提供的冷冻水；VAV系统主要服务商场B1~F6层的商业区，冷站为系统的组合式空调机提供冷冻水，末端采用VAV box进行变风量调节。由于篇幅原因不将末端设备的参数详尽列出，经统计末端设备的运行功率总计为884.1kW。目前因自控系统问题，所有VAV box及组合式空调机组均无法进行调控，仅能进行启停控制，开启时末端设备均以工频运行。

根据商场冷站设备运行记录，2020年~2022年，冷源设备累计开启小时数分别为1724h、1728h和1606h，制冷季年平均开启小时数为1686h，末端设备与其开启时间一致。由于热源采用的是市政热力，故供暖时间为11月15日~3月15日，在营业时间10:00~22:00内均保证室内良好的热环境，则末端设备冬季累计供暖小时数为1452h。

冷站耗能设备为冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵与冷却塔，冷站的水泵与冷却塔均为定频运行， 其耗电量可由式（1）计算：

式中：ΣTi为设备在制冷季运行时间，h；Ni为设备的输入功率，kW；Ei为设备制冷季耗电量，kWh。

主机耗电量计算如公式（2）所示：

式中：Ec为设备制冷季耗电量，kWh；Pc为冷水机组额定功率，kW；αj为不同时刻冷水机组运行电流百分比，%。

根据1.2节知，整个制冷季仅开启其中一台冷水机组，一级冷冻水泵只开1台功率为93kW的设备，二级水泵也只开启一台功率为93kW的设备即可满足供冷需求。根据设备运行时长以及表1的设备参数，计算得到冷站用电情况如表3所示。2020年~2022年冷站总计用电量分别为192.74万kWh、213.27万kWh和199.03万kWh，年均用电量约为201.68万kWh。

图2显示了冷站分项用电情况，其中制冷主机能耗约占空调系统能耗的61%，是空调系统节能改造的重点； 冷却水泵和冷冻水泵能耗占空调系统能耗的15%和16%，冷却塔能耗占8%。

依据业主提供的市政用热数据，项目年均用热量约为12036.43GJ，各年用热数据如表4所示。

末端设备均为定频运行，且全空气系统box箱风阀均全部开到最大， 其耗电量可由式（3）计算：

式中：ΣTi为末端设备运行时间，h；Ni为设备的输入功率，kW；Ei为末端设备耗电量，kWh。

末端开启时间与冷水机组一致，2020年~2022年制冷季末端空调用电量分变为152.42万kWh、152.77万kWh以及141.99万kWh，年均用电量约为149.06万kWh。

冬季供暖时间为11月15日~3月15日，共计121天，每天平均开启时间约为12小时，冬季平均供暖小时数约为1452h。经计算，商场供暖季末端组空总计用电量约为128.36万kWh。

图3为2020年~2022年的冷水机组运行电流百分比分布情况，可以看出机组运行电流百分比RLA%在50%~90%之间波动，其中RLA%在60%~70%的小时数最多，其次为50%~60%区间，约60%的时间机组运行：RLA%在50%~70%，机组低部分负荷运行时间较长。

①冷水机组目前无群控优化，单台冷机制冷量较大，长期处于部分负荷状态；

②冷水机组冷冻水回水及冷却水回水的电动阀门目前均已损坏，且处于常开状态；

③冷却塔运行状况良好，但尚未进行变频控制，在部分负荷时能耗高；

④冷冻水供水温度采用手动方式设定，一定程度上也影响了冷机能效；

⑤冷站缺少温度、压力、流量、能耗、能效等参数的监测，不能及时反映系统的运行工况、运行效率、机组状况等，运维管理工作效率低。

①换热机组的运行完全由人工操作，频繁进行巡查并校核用能状态，无法做到热站的自动运行和无人值守；

②热站系统的电动阀门及水泵变频器均通过本地控制柜控制，无远程控制；

③热站未设气候补偿器，仅凭人工经验进行系统质调节，不仅精准度较差，且会产生一定延迟。

目前空调末端所有VAV box及组合式空调机组均无法进行调控，仅能进行启停控制，且开启时两者均以工频运行，无法根据冷热需求进行温度调节。

空调末端每年运行时间较长，约占全年时间的2/3以上，全年耗电量约为277万kWh，故目前急需恢复空调末端系统的控制功能，在保证正常冷、热供应的基础上对末端系统进行智控调节，有效减少空调末端系统的能耗。

针对该商场空调系统运行过程中存在的问题， 采用多种节能技术对空调系统冷热源及末端设备进行改造，建立自动控制系统实现空调系统的科学管理。

增设冷站自动控制系统，对制冷系统进行智能化节能升级改造，并配合对应的下位机智能控制柜，从而实现对冷源主要设备的变频控制、连锁控制、节能控制；按需供冷，保障最佳输出工况和最节能运行。 主要改造内容如下：

①增设节能控制系统所需温度、压力传感器、冷量表等；

②增设1台冷站智能控制柜；

③增设冷冻水泵节能控制柜；

④增设冷却水泵节能控制柜；

⑤修复/更换故障电动阀，接入智能控制柜；

⑥冷水机组变频改造。

要实现中央空调系统的最佳运行和节能， 必须针对空调系统的各个环节统一考虑，全面控制，使整个系统协同运行，才能实现最佳综合节能。

实时监测室内外温湿度等参数，根据空调区域的负荷情况，调节优化冷水机组的冷冻水出水温度。部分负荷时，尽量提高供水温度，通过重设该温度值，在保证末端的供冷效果的同时有效提高机组能效。

冷冻水出水温度的确定，应该根据空气处理设备的处理能力，同时考虑室外气象条件和空调负荷变化等因素的影响。由于室外气象变化复杂，很难给定一个准确的变水温运行方案， 基于该商场的运行特性，给出了冷冻水推荐设定温度表进行参考。

温差控制适用于用户端不设调节阀，且用户负荷同步变化的情形，即适合于商场、展览馆等以全空气系统为主的空调系统。 当检测的供回水温差小于自控系统的设定温差时，降低冷冻水泵频率，即可减少冷冻水流量，从而减少多余的冷量传送；反之，则提高冷冻水泵频率，增大冷冻水流量，保证末端的冷量需要。

在一次泵变流量控制系统中，当系统流量减少时，控制系统要严格监控系统流量的变化，以防一次水进水流量无法维持机组的正常运行而导致离心机组的不正常停机，一旦系统流量不足时，系统旁通阀应立即开启，补充水量以满足系统最低水流量的需求。一次泵的要求是最小频率需要满足冷水机组的最低冷冻水流量需求，此冷冻水流量对应的水泵频率值就是一次泵组的最小频率。为保证冷水机组的正常运行，设定冷水的流量变化范围在80%~100%之间。

根据系统预测的实时负荷，对冷水机组、冷却泵、冷却塔的综合能效进行模拟，从而实现冷却泵、冷却塔运行频率的自动寻优。满足系统散热量的同时，保证冷却侧（冷水机组+冷却塔+冷却泵）的综合能效最高。

采用最低冷却塔供水温度来控制冷却塔风机变频，达到节能的目的。 群控系统根据室外温湿度计算湿球温度Twet，而通过冷却塔通风换热冷却水供水温度可以达到Twet+Δt℃（通常取3℃的温差为参考值），故以Twet+Δt℃作为冷却水温度的控制设定值，尽量使冷却水供水温度达到或接近该设定值，系统同时对冷水机组的冷却水进水温度进行监视，冷却水进水温度范围为20℃~35℃。通过调节冷却水泵的频率来调节冷却水流量，维持冷却水进回的温差不变（5℃），以实现冷却水泵的节能运行，为保证制冷主机的正常运行，设定冷却水的流量变化范围在80%~100%之间。

冷水机组的启停是由控制系统根据预先编程来进行的。商场可根据工作日、节假日、促销日等不同运营模式按需求设定冷机设备的开关机时间，从而减少不必要的浪费。

启动： 首先开冷却塔风机→开冷却水碟阀→开冷却水泵→开冷冻水碟阀→开冷冻水泵→最后开冷水机组；

停止： 首先停止冷水机组（延时10分钟）→关冷冻水泵→关冷冻水碟阀→关冷却水泵→关冷却水碟阀→最后关冷却塔风机→关冷却塔碟阀。

系统将自动记录单台冷水机组的累计运行时间，根据机组的累计运行状况来采取超前和滞后控制，尽量使冷水机组达到平均使用，便于用户进行统一的维护和保养。

冷水机组在不同负荷情况下能效不同，根据AHRI（美国制冷协会（ARI）与美国燃器具制造商协会）规定的评估冷水机组耗电指标的标准（AHRI550/590(I-P)-2018），可用NPLV（非ARI标准工况下综合部分负荷效率）来衡量冷水机组的综合能效，可作为冷水机组实际运行能耗的评价指标， 其计算如式（4）所示。

式中：A为100%同冷水机组负荷下的冷水机组能效；B为75%同冷水机组负荷下的冷水机组能效；C为50%同冷水机组负荷下的冷水机组能效；D为25%同冷水机组负荷下的冷水机组能效。

为提高冷水机组NPLV值，使用原厂设备对单台冷水机组进行变频改造。变频离心式冷水机组的控制将导流叶片调节与变频控制有机结合起来，其控制逻辑为：70%～100%负荷范围内，机组保持导流叶片全开，通过变频控制装置降低压缩机电动机转速来使机组卸载；当负荷低于70%时，导流叶片开始关闭；当负荷低于50%时，为避免出现喘振适当增加压缩机转速。这样可加大机组运行范围，与定频机组相比较，冷水机组在制冷量相同下，变频压缩机相关效率更高，能耗更低。

目前热站的换热循环泵虽设有控制柜，但实际仍凭人工经验手动调节设备的运行。针对此问题， 本次改造对控制柜重新编程并增设节能控制逻辑，从而实现换热站的节能运行，主要功能包括：

①分时节能控制：在非运营时间段，根据室内温度调节换热循环泵的频率，主动减少供热量，避免热量浪费，实现热站的节能运行；

②气候补偿控制：增设室外气象参数传感器，当室外温度变化时，为保证室内温度的相对稳定，可对换热循环泵频率进行调节，进而实现供水温度的动态调整。依据天气条件按需供热，避免在供暖初期和末期的过度供热。

控制空调机组区域供能调节，将原有的末端组合式空调机组接入智慧能源管理平台，恢复其调控功能。通过在商场典型区域设置的温湿度传感器所反馈的室内环境温度情况，动态调节各空调机组的冷水流量和风机频率，控制空调机组的送风温度和送风量，保证各区域温度稳定在设定值范围内。管理人员可根据需求主动调整不同区域的送风温度及风量，降低空调系统的运行能耗，同时有效改善商场内冷热不均的状况。

通过回风管CO2浓度传感器反馈的参数，动态调节新风量，在保证室内空气质量的前提下降低冷负荷。

由室外温湿度传感器实时反馈的室外空气温湿度情况确定的新风焓值，调整新风系统运行工况。当室外空气的比焓低于商场内设计状态点的比焓时，自动开启新风机和新风阀，加大新风量或全新风运行，充分利用新风的自然冷却能力对商场进行降温，减少空调能耗。

在上述改造方案的基础上，综合考虑该商场业主的实际管理需求，建立一套能对商场内各种能源设备的运行状态、能耗等进行实时监测、控制以及智能化管理的平台系统。它是以互联网技术、信息技术、大数据分析等技术为依托，以“集中管理、分散控制”为原则而建立的综合智慧能源管理平台，由节能控制柜、水泵控制柜、传感器、执行器和上位机精准计量及节能控制软件等组成，其框架如图4所示。

①检测功能：实时监测并显示室外气象参数、能源站整体能效值、能效标尺、供冷/供热量、耗电/气量、机组能效值以及能源站热平衡率等参数；

②三维显示：能源站设备布置图及水路布置图，并标明每台设备及管路的详细参数与信息；

③热平衡校验：实时检测系统的热平衡，验证测量数据的有效性；

④报警功能：记录并管理主要设备的报警时间和解除时间及报警次数等，且在画面上显示相应报警点；

⑤能源管理：实时统计主要设备的用能量、供冷/供热量等，并自动计算标煤、碳排放量；自动计算能源站能耗指标、能效指标，并通多种算法帮助管理者准确定位能源站用能问题；

⑥能效诊断：提供“由指标到问题”的能源站能效诊断功能，将定位问题，并给相应解决方法；

⑦报表功能：支持逐日、逐周、逐月、逐年和自定义的自由查询空调系统运行日志、制冷主机、冷源能效比等数据。

基于第3节的节能改造方案，本节计算分析了该商场经节能改造后空调系统的耗电量与运行费用。

在水泵的变频调速应用中，对于同一台水泵以不同转数运行时，流体密度与结构尺寸均为一致，则水泵的流量、扬程、轴功率与转数的关系如下：

式中：下角标e是对额定工况而言；下角标s为实际工况而言；H为水泵的扬程，m；Q为泵与风机的流量，m3/s；N为泵与风机的功率，kW；n为转数，r/min。

依据Q=cm?t，在供回水温差不变的情况下，负荷率与流量1次方关系。为保证冷水机组的正常运行，设定冷冻水和冷却水的流量变化范围在80%~100%之间，则水泵的流量和负荷率的关系如图5所示。

依据2.1节中冷水机组负荷率分布情况，对水泵频率进行了加权平均，求得水泵的平均频率为40.3Hz。传统的空调系统水泵频率变化下限约在37～42Hz，极少数达到35Hz，有的空调系统在水泵频率低于45Hz时就由于压差保护而停机。依据工程经验，基于前述节能控制改造措施进行改造后，在方案阶段采用保守估算，冷冻水泵、冷却水泵降频运行，平均频率降至45Hz，水泵的转速与输入频率为1次方关系，其输入功率计算如式（6）所示，输入功率降低为原来的0.729，若运行时间一致，则水泵的运行能耗可降低约27.1%；冷却塔降频运行后平均频率同样可降至45Hz，能耗可降低约27.1%，具体节能量如表6所示。

式中：f为水泵的输入频率，Hz。

依据文献和工程经验，基于前述节能控制改造措施进行改造后，冷水机组运行能耗可降低约5%，每年可节约6.16万kWh。

根据冷水机组变频改造的测算，改造后NPLV值由0.506减小至0.375，根据冷站运行记录计算，冷水机组年平均耗电量为123.12万kWh，预计节能改造后年用电量为91.35万kWh，每年可节能31.77万kWh，节能率为25.8%。

本次改造换热站部分重点为提升换热站智能化水平，改造后自控系统将内置节能运行策略，实现远程监控、自动运行、无人值守的运行效果，提升能源的管理效率。在能源使用方面，智慧能源管理平台可提升原有运行策略的控制精度及调控频率，进一步减少运行能耗，依据文献和工程经验预计可实现供热量节能约5%。目前该商场平均每年用热12036.43GJ，预计节能改造后每年可节省热量601.82GJ。

本次对中央空调末端的改造首要目标为恢复其自控系统调节功能，在此基础上通过智慧能源管理平台动态调节空调机组的运行工况以实现节能。

根据1.3.3节末端能耗统计知，夏季用电量约为149.06万kWh，冬季用电量约为128.37万kWh。那恺指出，当空调系统中的风机降频工作时，由于风压变化幅度不大，变频器的工作频率通常大于40Hz。依据工程经验，经过前述改造措施改造后，空调机组平均运行频率预计为45Hz，风机节能量约为运行能耗的27.1%；同时采用整体节能策略，实现末端与冷源的联合调控，大约可实现冷机节能量5%。通过对末端系统的节能改造，预计总节能量约为81.34万kWh，节能率为29.32%。

综上所述，通过对冷站、热站及末端系统增设节能控策略并接入智慧能源管理平台，实现了商场空调系统的无人值守和节能运行。 节能改造后，每年可节省电量140.56万kWh，节省热量601.82GJ。

依据业主提供的《水电费清单》，项目平均电费约为1.14元/kWh，热价为98.9元/GJ，项目各项节能技改措施节省的运行费用如表6所示。

由表7可知，冷站改造年均节费31.29万元，热站改造年均节费5.95万元，末端改造年均节费92.73万元，主机变频年均节费36.22万元；综上所述，项目年均总节费166.19万元。

本文针对北京某商场供暖空调系统运行能耗高、管理控制水平不佳等问题，对其进行了冷站、热站及末端系统的节能改造。同时，依托智慧能源管理平台，实现了商场供暖空调系统的优化运行，不仅保证了商场供冷（热）区域环境舒适性，而且大幅降低了供暖空调系统的运行能耗，完善了用能的精细化管理，提高了能源利用率，降低了能耗成本。通过计算可知，节能改造后年节电量为140.56万kWh，每年节省电费160.24万元；节热量为601.82GJ，每年节省供热费用5.95万元，具有较好的节能效果及经济效益，可为北京地区类似公建节能改造提供借鉴和参考。 （文/牛笑晨，褚赛，刘启明，许抗吾，高朋）