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專業冷站群控系統在商業綜合體項目的試點應用效果分析

發布日期:2017-05-18 16:26:38       作者:秦鵬華 李華 王鑫 扶鑫       來源:機電所

摘要:  

本文介紹了專業冷站群控系統,并對比專業冷站群控系統與BA系統中自帶的冷站設備控制功能的區別。著重總結分析了專業冷站群控系統在6個商業綜合體項目中實際應用效果,應用兩種計算方法計算節能量來評估各建筑的節能效果。結合同地區同類型建筑電耗指標橫向對比,肯定了專業冷站群控的節能特性,并給出建設和運維專業冷站群控的建議。

關鍵詞:  專業冷站群控;商業綜合體;建筑電耗指標

Abstract

This paper introduced the professional chiller plant control system, compared the difference between the professional chiller plant control system and the control function in traditional BA system. On the other hand, this paper focused on the comprehensive analysis of the practical application effect of professional chiller plant control system in 6 complex commercial projects, by applying two methods to calculate the energy savings and evaluate the energy efficiency of each project. Moreover, compared with the power consumption indexes of same building type in the same region, the energy-saving characteristic of the professional chiller plant control was affirmed, suggestions on construction, operation and maintenance of the professional chiller plant control system were given in the end as well.

Key words

Professional chiller plant control system, Complex commercial, Building power consumption index

1. 專業冷站群控介紹

冷站群控是弱電系統中的重點,其主要原因是:從能耗角度,冷站設備(制冷主機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔)能耗較大,約占整個建筑電耗的25%-35%,如圖1.1示例。這意味著,冷站設備運行不當會造成巨大的電耗損失,而運行良好將帶來可觀的節能量。

圖1.1某典型商業綜合體項目電耗分項比例.png 

圖1.1某典型商業綜合體項目電耗分項比例(圖片來源:萬達商業規劃院)

同時,冷站群控也是難點,因為從設備管理角度,冷站中控制要求較高的冷水機組、水泵等設備單價及維修費用相對昂貴,一旦發生運行事故維修成本較高;從運行控制角度,冷站中的設備運行參數和能耗相互耦合,彼此影響,需要非常專業的技術理論支持,方能制定良好的控制策略。

1.1 什么是專業冷站群控

專業冷站群控是指對多臺中央空調冷水機組及配套設備(冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔及管路上各電動閥門)進行自動化控制,在保障安全運行、滿足建筑冷量需求的前提下,整體達到高效節能的運行狀態。即專業冷站群控的三大主要任務是:保證設備運行安全,滿足建筑熱濕環境控制對冷量的需求,降低系統運行能耗和人力成本。[1]

專業冷站群控有三種控制方式,分別為根據冷凍水回水溫度、供回水壓差和需冷量來控制冷站設備的開啟臺數及開啟狀態 [2]。

 圖1.2典型冷站群控水系統界面.png

圖 1.2典型冷站群控水系統界面(圖片來源:鄭州中原萬達廣場)

長久以來,過渡季的空調運行一直被一線工作人員所忽視,要么不開冷站設備,導致室內處于悶熱狀態;要么開啟制冷主機低負荷運行,造成電能浪費和冷機損耗。近年來,越來越多的研究者開始重視并研究過渡季的空調運行策略,并推出多種優化方案,如冷卻塔免費供冷在很多公共建筑中得到應用,楊美林在夏熱冬冷地區商業綜合體的研究得出,采用這一技術,在過渡季期間,能獲得50%的節能率[3]。專業的冷站群控至少提供三種模式:冬季模式、夏季模式、過渡季模式,以涵蓋整年的空調運行工況。

1.2 與傳統BA自帶冷站群控的區別

根據大量的工程實例調查發現,傳統的BA廠商缺乏空調理論知識的支撐,在控制流程中僅僅將制冷機組當做一臺“電機”進行簡單的監控【2】。例如在張朋的《基于Johnson Controls樓宇自動化系統的設計及其應用研究》【4】5.3節中提到,冷站設備群控控制邏輯僅涉及到各類設備啟停的先后時間,并沒有開啟臺數、開啟狀態的控制邏輯,不能結合冷負荷的需求而自行調節設備運行策略,造成設備能效的降低和能耗浪費;設備的開啟模式也僅有冬夏模式,并沒有給出過渡季的控制方案。這樣的群控系統,并不能獨立可靠的運行,仍需耗費專業技術人員的大量工時。另一方面,大多數空調廠家缺乏自動控制方面的技術人員,無法將機組控制的專業知識和經驗進行有效轉化,因此不能在冷水機組的群控上提出準確完美的控制策略。

2. 2015年專業冷站群控實施效果分析

2.1 項目簡介

為進一步挖掘冷站的節能潛力,實現對冷站能耗及能效的更優管控,2015年萬達集團選取了6個項目進行專業冷站群控試點,萬達商業規劃研究院全程參與試點工作,提供技術支持,進行技術管控。6個項目中青島CBD萬達廣場、鄭州中原萬達廣場、西安碑林萬達廣場、成都金牛萬達廣場為已開業項目,至2014年7月均已改造完畢并投入使用,具有改造前完整制冷季的冷站電耗數據;東莞東城萬達廣場、昆明西山萬達廣場為2015年新建項目,隨項目建設同步完成專業冷站群控系統的建設,并于2015年6月完成調試并投入使用。

此外,6個項目均建設有專業的能源管理平臺,對建筑電耗進行了統一規范的分項計量,能夠查看任意時間段冷站整體及各類設備分項的電耗數據,并可進行單個建筑多個時間段的縱向對比或單個時間段多個建筑的橫向對比。

2.2 專業冷站群控節能量

冷站群控改造的節能量計算方法有以下兩種:

(1)典型工況測試法:根據空調負荷情況,將制冷季分為高負荷、中等負荷、低負荷三種工況,每種工況選擇兩天進行使用群控和不使用群控的對比實驗,在保持室內參數一致的前提下得到兩天的冷站電耗,計算出節能率,用改造前每種工況的耗電量乘以其對應典型工況節能率,再求和就得到了整個制冷季的節能量。

以鄭州群控試點為例,選取15年8月31日和9月1日作為典型負荷工況日,兩天的室外溫度情況見圖2.1。8月31日、9月1日兩日室外平均干球溫度分別為25.61度、25.48度,相差0.5%;平均濕球溫度分別為21.07度、19.96度,相差5.5%。8月31日室外氣象條件相對不利,開啟專業冷站群控系統,9月1日則改為手動控制。經查相關信息,所選典型日8月31日和9月1日兩天的廣場客流量相近且室內溫度均滿足集團對環境品質的要求,兩天的逐時冷站電耗數據分別見圖2.2。 

圖2.1外溫對比.png

圖2.1外溫對比(圖片來源:萬達商業規劃院)

圖2.2 逐時電耗對比.png 

圖2.2 逐時電耗對比(圖片來源:萬達商業規劃院)

最后結果為:8月31日、9月1日兩日能效比分別為0.75kW/RT、0.84kW/RT,相差10.7%。8月31日、9月1日兩日總用電量分別為7192kWh、9807kWh,節能量2615kWh,節能率為26.7%。即鄭州群控試點典型負荷下專業冷站群控的節能量為26.7%。

高負荷跟低負荷節能率的計算方法相同,最后基于13年數據折算出鄭州項目全年的節能率為27%,節省電費為60萬元。

此種方法計算出的節能量可以作為估算全年節能量的參考,6個項目最終結果見圖2.3,6個群控試點項目平均節費43萬元,節省電費最高達60萬元,最低為25萬元。

圖2.3典型工況測試法節費量.png

 2.3典型工況測試法節費量(圖片來源:萬達商業規劃院)

(2)實際計量核算法:對比專業冷站群控改造前后的運行數據,計算年節費量。結果見圖2.4,6個群控改造廣場平均節費45萬元,節省費用最高達到61萬元,最低為24萬元。各項目2013-2015制冷季各月電耗見圖2.5。

圖2.4 實際運行節費量.png 

2.4 實際運行節費量(圖片來源:萬達商業規劃院)

圖2.5 各項目2013-2015制冷季各月電耗對比.png

圖2.5 各項目2013-2015制冷季各月電耗對比(圖片來源:萬達商業規劃院)

對比預測節能量和實際節能量,發現采用專業冷站群控的六個萬達廣場均實現了一定程度的費用節省。其中,青島、昆明、西安、東莞四個項目的實際節省費用較預測值高,而鄭州、成都兩個項目只實現了部分費用節省,未達到預期效果。經調查研究發現,這兩個廣場存在設備損壞未及時維修的維保問題或停用群控系統的運行管理不當問題。比如鄭州項目2015年8月電耗明顯回升,原因是一臺小冷機不能正常運行,在低負荷時不得不啟動大冷機低效運行,造成電能浪費,如圖2.6中2015年小冷機使用比例遠遠低于2014年。

圖2.6 鄭州中原2014和2015年小冷機使用比例.jpg 

圖2.6 鄭州中原2014和2015年小冷機使用比例(圖片來源:萬達商業規劃院)

2.3 同地區橫向對比

圖2.7為同氣候區商業綜合體能耗指標對比圖。通過與全國以及同氣候區同類型建筑單位面積指標橫向對比發現,除鄭州項目情況特殊外,其余5家擁有專業冷站群控系統的廣場單位面積冷站年電耗明顯低于同氣候區對標廣場。

圖2.7與同氣候區廣場能耗指標對比圖.png

圖2.7與同氣候區廣場能耗指標對比圖(圖片來源:萬達商業規劃院)

圖2.8 同氣候區冷站能耗均值對比推算年節費量.png  

圖2.8 同氣候區冷站能耗均值對比推算年節費量(圖片來源:萬達商業規劃院)

圖2.8是專業冷站群控廣場冷站能耗費用與同地區廣場能耗均值相比的年單平米節費量,單平米節省能源費用最高達14.0元,最低為3.8元,平均值為7.6元,折算一個7萬m2的項目能節省約53萬元的費用。

3. 部分群控效果不佳現象原因討論

通過對擁有專業冷站群控系統的各廣場自身歷史數據對比及同地區其他未設專業群控系統廣場的橫向對比分析,可以看出:采用專業冷站群控系統能夠帶來約30%的節能率。在分析過程中同時發現部分群控效果沒有達到最優的現象,主要原因是運行策略設定和運行管理上未達到最優。

運行人員通常僅把冷站群控系統當做設備啟停控制操作的工具,沒有從控制效果及系統能效方面去考慮,使得冷站群控系統在實際運行中常存在以下問題從而導致群控系統達不到理想效果。

(1)設定值不合理

冷站群控系統的控制策略中各判斷條件里的設定值(如冷機加減機判斷條件中的回水溫度設定值、冷機電流百分比等)十分關鍵,移交時廠家初設值往往不能滿足項目要求,需要在項目運營過程中經不斷調試后才能得到符合建筑的實際使用需求及負荷特點的值。而實際項目中,往往因為設定值不合理,導致控制策略失效。圖3.1中為某項目冷凍水泵最低運行頻率設置過高(45Hz)從而導致冷凍水泵長期運行在高頻率,造成水泵輸配能耗浪費的情況。

圖3.1某項目冷凍水供回水溫差及冷凍泵運行頻率.png 

圖3.1某項目冷凍水供回水溫差及冷凍泵運行頻率(圖片來源:萬達商業規劃院)

 注:圖中左側條形圖表示冷凍總管供回水溫差分布,右側表示冷凍泵運行頻率分布。

(2)未及時發現并解決問題

為實現良好的控制效果,需要冷站群控系統、冷站設備及系統無故障點且運行狀況良好。但在實際運行中,往往因為故障點未被及時發現,或運行人員無法獨立完成排查及修復工作(如傳感器故障需聯合廠家進行排查及檢修),從而導致群控系統控制效果差甚至失效。

如圖3.2所示為某項目因水系統水力平衡失調問題未被解決,從而導致冷凍總管的溫差設定值(3.8K)偏低,水泵長期運行在最高頻率50Hz。

圖3.3所示為某項目室外溫濕度傳感器不準導致濕球溫度監測值高于實際值,進而導致冷卻塔出水溫度設定值偏高,影響冷卻塔出力,進而影響冷機效率。

圖3.2某項目冷凍供回水溫差及冷凍泵運行頻率.png 

圖 3.2某項目冷凍供回水溫差及冷凍泵運行頻率(圖片來源:萬達商業規劃院)

圖3.3某項目典型日冷卻塔性能參數.png 

圖 3.3某項目典型日冷卻塔性能參數(圖片來源:萬達商業規劃院)

4. 專業群控系統優化運行綜合建議

雖然專業群控的試點項目整體能效水平優于傳統BA控制項目,但通過能耗數據分析也可以發現有的項目專業冷站群控并沒有取得最理想的節能效果,通過分析研究和調研,總結出對專業群控系統優化運行的相關建議:

(1)運維人員方面:為避免因運維人員水平或認知與群控技術要求的偏差而導致冷站群控系統失效,應對運行人員進行培訓,使其了解暖通設備相關的專業基礎知識,理解機組參數與控制策略,熟悉界面操作,并熟練掌握控制技能(相關參數設定、工況切換等)。

(2)軟硬件方面:成熟的軟硬件產品是運行良好的基礎,通過標準化的實施與維護,保證系統設備的效率并延長使用壽命。通過對現有項目數據的分析,也可以對供應商的技術水平做出評價,有依據的篩選。

例如,可以根據ASHRAE冷站綜合能效COP(=冷站總供冷量/冷站總耗電量)評估標準評估各供應商負責項目的冷站實際性能指標,實時追蹤能效指標數據指導運行。

圖4.1 ASHRAE冷站綜合能效標準.png 

圖4.1 ASHRAE冷站綜合能效標準(圖片來源:ASHRAE)

對6個裝有冷站群控系統的項目進行冷站綜合能效COP的計算,可以得出圖4.2所示結果,可看出廠家A、B優于廠家C,對選擇供應商給出了參考。

圖4.2 6個冷站群控項目冷站綜合能效對比.png 

圖4.2 6個冷站群控項目冷站綜合能效對比(圖片來源:萬達商業規劃院)

(3)維護維保方面:應在制冷季前完成水系統清洗、預膜和機組檢修大保養;制冷季期間建立快速維保機制。

(4)管理方面:結合樓宇自控系統,地方弱電工程師/總部管理負責人實時監管運行效果,在各個季度建立報告、督察制度,避免系統控制退化、能耗回升。

5. 小結

冷站是商業綜合體機電設備的耗電大戶,對冷站的控制是機電系統智能化控制的重要內容。本文通過對項目實際運行數據的統計分析,論證了專業冷站群控具有明顯的節能效果,試點廣場在典型工況平均節費43萬元/年,實際計量改造前后對比平均節費45萬元/年,同地區橫向對比可節約53萬元/年。同時也發現如果管理人員運行不當也會削弱節能效果,因此本文針對專業冷站群控建成后的運行管理也提出了相關建議措施,在采取以上相關措施以后,專業冷站群控將會達到更加理想的節能效果。

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