1、1某科技大楼空调冰水系统节能改造空调系统的控制及运行管理2永安科技大楼n永安科技大楼为地下5层、地上22层的商业办公大楼，地下层每层面积约1,300坪，地上层每层面积约370坪(英制单位，1坪3.3平方米)。nB5B4为停车场，B3有800坪为停车场；500坪为办公室，B1、B2、B3为商场，1楼为大厅及银行，2楼以上全部为办公室使用。n楼地板的总面积共11,240坪，大厅、办公室(1楼以上)楼地板的总面积共8,140坪。n目前已经使用2F8F，其他楼层尚无使用。3既设空调系统n因原设计B34F为商场，5F以上为住宅，所以空调冰水机房有2处，分别在B2及B3。nB2机房的冰水主机为TRANE离
2、心式500 RT*2+TRANE往复式120RT*1，主要供应4F以下的空调负载。nB3机房的冰水主机为中兴螺旋式300 RT*2+TRANE往复式140RT*2，主要供应5F以上的空调负载。n冰水系统采一次侧/二次侧(Primary/Second)方式设计，一次侧主主机泵机泵随着主机的启停开关，二次侧区域区域泵泵随现场负载变化开启。n概估空调尖峰负载约1,200-1,500 RT。n冷吨（冷吨（RT）是制冷量单位，是制冷量单位，1RT=3024Kcal/h=3516W4 空调系统设备规格(1)冰水主机(chiller)5 空调系统设备规格(2)冷却水塔(cooling tower)1HP=0
3、.735KW。匹，是功率单位（一般是指输入功率）而非制冷量单位匹，是功率单位（一般是指输入功率）而非制冷量单位6 空调系统设备规格(3)冰水泵、区域泵、冷却水泵7500 RT120 RT500 RTTO 4FTO 3FTO 2FTO 1FTO B1FTO B2FTO B3FFM 3F-4FFM B2-2FFM B3FF/C&AHU改造前 B2机房冰水流程图8300 RT140 RT300 RTTO 5-22FTO 梯梯厅厅FM 5-22FFM 梯梯厅厅F/C&AHU改造前B3机房冰水流程图140 RT?9希望 n少开一些空调设备:目前已经使用2F8F，其他楼层尚未使用，但空调需同时开启B2、B
4、3机房2套系统，有些浪费。nB2、B3系统能相互支持:目前B2机房、B3机房、梯厅的冰水主机独立运转，系统效率差。n冰水区域泵能相互支持:原设计4F以下区域泵各自独立，无法相互支持。n系统操作简单化:原开机程序复杂，需专业人员配合，机动性差。n管路配置优化:原管路配置不甚理想。n改善冷却水塔使用效率。n增设监控系统:掌握空调运转状况，记录历史数据。n空调系统效率优化:降低运转电费。n各楼层加装空调计费系统:明确分担公共电费。10改造项目 冰水管路修改 冰水区域泵加装变频控制 提高冷却水塔使用效率 监控系统 加装空调计费系统 现场三通阀改为二通阀(住户自行修改)11 效益省能效益冰水管路修改20
5、万元/年冰水区域泵加装变频控制20万元/年提高冷却水塔使用效率5万元/年监控系统(系统优化)35万元/年合 计80万元/年12500 RT120 RT500 RTTO 4FTO 3FTO 2FTO 1FTO B1FTO B2FTO B3FFM 3F-4FFM B2-2FFM B3FF/C&AHU 冰水管路修改改造后B2机房冰水流程图TO 5-22 CHSTO 梯梯厅厅CHSFM 5-22 CHRFM 梯厅梯厅CHR(住戶自行修改)13300 RT140 RT300 RTTO 5-22FTO 梯梯厅厅FM 5-22FFM梯厅梯厅 冰水管路修改改造后B3机房冰水流程图140 RTTO B2FF/C
6、&AHU(住户自行修改)FM B2F14冰水管路修改改造后冰水管效益FM 3F-4FFM B2-2FFM B3FFM 3F-4FFM B2-2FFM B3FFM 5-22 CHR15冰水管路修改改造后冰水立管流程图B3F4F3F2F1FB1B2B3B22F3F,4F5F22F梯廳16冰水管路修改改造后冰水管效益改造前空调冰水系统操作模式：B2供应2F-4F冰水主机+冷却水塔+主机冰水泵+冷却水泵+冰水区域泵120 RT +5 HP +7.5 HP +20 HP +2F-4F120 RT +5 HP +7.5 HP +20 HP +2F-4F区域泵区域泵 B3供应5F-8F冰水主机+冷却水塔+主
7、机冰水泵+冷却水泵+冰水区域泵140 RT +5 HP +10 HP +25 HP +5F-8F140 RT +5 HP +10 HP +25 HP +5F-8F区域泵区域泵 B3供应梯厅冰水主机+冷却水塔+主机冰水泵+冷却水泵140 RT +5 HP +25 HP +25 HP140 RT +5 HP +25 HP +25 HP PUMP 5 HP +42.5 HP +70 HP =127.5 HPPUMP 5 HP +42.5 HP +70 HP =127.5 HP CHILLER 320.0 kW CHILLER 320.0 kW17 冰水管路修改 改造后冰水管效益 改造后空调冰水系统操
8、作模式：B2供应2F-8F+梯厅 冰水主机+冷却水塔+主机冰水泵+冷却水泵+冰水区域泵 500 RT +7.5 HP500 RT +7.5 HP*3+20 HP +60 HP +2F-8F3+20 HP +60 HP +2F-8F区域泵区域泵 PUMP =102.5 HPPUMP =102.5 HP CHILLER =288 kW CHILLER =288 kW SAVING SAVING PUMP =25 HP(20%)PUMP =25 HP(20%)CHILLER =32 kW(10%)CHILLER =32 kW(10%)18冰水管路修改舒适而省能的工作环境假如在夏天关掉正运转的冷气空调
9、系统，办公室内人员会由于室内空气闷热及室内空气质量不佳而导致工作生产力急遽的降低，甚至根本无法工作！行为行为(Performance)(Performance)能力能力(Ability)(Ability)*行动行动(Motivation)(Motivation)环境环境(Environment)(Environment)分析生产力并不是一件容易的事，基本上生产力可以上式表示；”能力”与训练有关，”行动”与管理有关，”环境”与建筑、工程、设备操作有关。事实上，生产力和个人的速度、精确度、创造力、学习效率、教育、适应力、反应力、薪资、健康、环境等都有非常密切的关系。根据调查研究报告发现病态建筑物环
10、境在一般标准办公室工作下，可能会使工作减缓7.2%以上，错误增加30%以上，病假大约34%。室内的工作环境对工作人员是有非常大的影响的，当然，不同的工作有不同的影响；不同的人，影响的程度也不相同，因此，分析上是非常复杂而长期的。19Conceptual view of a chilled-water air-conditioning system:Indoor air loop.In the leftmost loop,indoor air is driven by the supply air fan through a cooling coil,where it transfers its
11、 heat to chilled water.The cool air then cools the building space.Chilled water loop.Driven by the chilled water pump,water returns from the cooling coil to the chillers evaporator to be re-cooled.Refrigerant loop.Using a phase-change refrigerant,the chillers compressor pumps heat from the chilled w
12、ater to the condenser water.Condenser water loop.Water absorbs heat from the chillers condenser,and the condenser water pump sends it to the cooling tower.Cooling tower loop.The cooling towers fan drives air across an open flow of the hot condenser water,transferring the heat to the outdoors.冰水区域泵加装
13、变频控制 中央空调系统流程及热负载关系图20冰水区域泵加装变频控制1.传统定水量三通阀控制冰水系统流程图CHILLERF/C&AHU21冰水区域泵加装变频控制2.传统变水量二通阀控制冰水系统流程图CHILLERF/C&AHUCHILLERP22500 RT500 RT 冰水区域泵加装变频控制3.传统定水量区域泵+三通阀控制冰水系统流程图F/C&AHU23BTUH=500 T GPMHIGH CAPACITY+LOW TLOW CAPACITY+HIGH T=冰水区域泵加装变频控制 4.负载、流量和温差负载变化=定流量变温差-三通阀负载变化=变流量定温差-二通阀BTU(British Therm
14、al Unit),英国热量单位1Btu就是将1磅水的温度升高1华氏 度所需要的热量Btu是英热单位（英制），Btu/h就是“英热单位每小时”，1(英热单位)=1055.056(焦)GPM:加仑/分钟,流量单位 gallons per minute每分钟加仑数(等于4.546升/分)24冰水区域泵加装变频控制 4.典型的三通阀和盘管三通阀的冰水系统，会造成流动力上的浪费，因三通阀系统并不是线性的，轻载时不但回水温度较设计值低，且流量增加，导致后端水量不足、泵耗电增加。25冰水区域泵加装变频控制 5.三通阀和盘管在全载的条件下送水温度 45回水温度 55盘管流量 100 GPM盘管压降 20 Ft
15、负载 500,000 Btuh (flow*T*500)盘管P CLOSE旁通流量 0 GPM三通阀的压降 10 Ft设计流量和扬程 100 GPM 30 Ft5(-32)=9()1英尺(ft)=12英寸(in)1英尺(ft)=0.3048m26冰水区域泵加装变频控制 6.三通阀和盘管在卸除的条件下送水温度 45回水温度 45盘管流量 0 GPM盘管压降 CLOSE负载0 Btuh(flow*T*500)盘管P 20 Ft旁通流量 100 GPM三通阀的压降 10 Ft设计流量和扬程 100 GPM 30 Ft5(-32)=9()27冰水区域泵加装变频控制三通阀和盘管在部份负载的条件下送水温度
16、 45回水温度 49盘管流量 62.5 GPM盘管压降 7.8 Ft负载 250,000 Btuh (flow*T*500)盘管P 7.8 Ft旁通流量 62.5 GPM三通阀的压降10 Ft设计流量和扬程 100 GPM 30 Ft28冰水区域泵加装变频控制 三通阀的特性和缺点三通阀系统的缺点：n低的回水温度。n部份负载下，会使下游盘管冰水量不足。n总流量增加，泵耗电增加。n可能增加冰水主机运转台数。n可能使冰水主机的耗电量增加。Typical CHW Flow vs Load Curve for AHU with 3-Way Valve29冰水区域泵加装变频控制 离心式泵特性图30冰水区域
17、泵加装变频控制 一次侧/二次侧 变流量系统+=31冰水区域泵加装变频控制一次侧/二次侧 变流量系统：一次侧泵Primary-secondary pumping provides the means for the constant volume pumping of the low horsepower primary pumps through the chiller.These pumps are lower horsepower than the secondary pumps because they only have to overcome the friction loss as
18、sociated with the chiller,pipes,and valves in the primary loop.The chiller pumps are balanced to the design flow rate.Pump impellers should be trimmed to minimize the pressure drop across the valve on the discharge of the pump.This is an important energy saving measure.32The secondary pumps are high
19、er horsepower because they must overcome the friction loss associated with the secondary loop-the distribution piping,fittings,valves,coils,etc.These pumps operate in the energy saving variable volume mode.Depending on the return on investment,the secondary pumps either remain constant speed and rid
20、e their characteristic head-capacity curve,or the designer can incorporate adjustable frequency drives to save additional pumping energy.冰水区域泵加装变频控制一次侧/二次侧 变流量系统：二次侧泵33The common pipe冰水区域泵加装变频控制一次侧/二次侧 变流量系统：共通管 Distribution(secondary)flow equals production(primary)flow.Distribution flow is greater
21、than production flow.Production flow is greater than distribution flow.34冰水区域泵加装变频控制 泵的耗能特性35冰水区域泵加装变频控制 不同流量控制方式的耗能Flow Control with BypassFlow Reduction with Throttling36在正常的状况下，空调系统大部份的时间都是部份负载(part load)，尖峰负载时数低于20%以下，因此有80%的时间是有节能的空间。依照风扇定律(fan affinity laws)流量率Q、揚程H，以及制动马力BHP之间的关系如下：Q1/Q2=N1/N
22、2,水量与转速成正比。H1/H2=(N1/N2)2,扬程与转速平方成正比。BHP1/BHP2=(N1/N2)3,制动马力与转速三次方成正比。故降低泵的转速既可降低扬程及流量，更可大量的降低耗电量，依照风扇定律，流量与耗电成3次方正比的关系，因此省能的效益是非常可观的。冰水区域泵加装变频控制 离心式泵的定律37冰水区域泵加装变频控制 泵及系统扬程的特性曲线38一次侧/二次侧冰水系统压力传感器的位置冰水機冰水機冰水盤管冰水盤管冰水盤管冰水機VFDDPST123冰水区域泵加装变频控制一次侧/二次侧冰水系统压力传感器的位置39泵浦与系统特性曲线图P3P1P2冰水区域泵加装变频控制 变频泵浦于水路系统之
23、耗能特性40泵浦理论消耗功（又称为水动力）Pw（W）eepQP/电力输入功PepQpmPw/设备效率（或称电力至水效率）e vmpe冰水区域泵加装变频控制 变频泵浦于水路系统之耗能特性 泵浦泵浦(pump)，即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态（人们用（人们用“泵浦泵浦”一词形容这一一词形容这一过程过程(如同把水从低处抽往高处)。41变频泵之马达效率及变频器效率图冰水区域泵加装变频控制 马达的效率42变频器效率比较图冰水区域泵加装变频控制 变频器的效率43冰水
24、区域泵加装变频控制 在甚么条件下适合装变频器?效益如何计算?44冰水区域泵加装变频控制 省能效益计算a.ChillersKWH=KW/TONxTONSxHRSb.FanKWH=KW/CFMxCFMxHRSc.PumpingKWH=KW/USGPMxUSGPMxHRSIngeneral,EnergyUsed=EfficiencyxUsagexHRSEnergySaved=EfficiencyxUsagexHRS45冰水区域泵加装变频控制 省能效益计算系統負載統計31760597411031245143814541026522380200400600800100012001400160010203
25、0405060708090100系統設計負載百分比每年運轉時數Bin12345678910Hi/Lo Temp,12.5-15.015.0-17.517.5-20.020.0-22.522.5-25.025.0-27.527.5-30.030.0-32.532.5-35.010.0-12.5TotalOper Hrs/Yr130248400452510590610430214163600%Oper Hrs/Yr3.616.8911.11 12.56 14.17 16.39 16.94 11.945.940.44100System Load,RT4080120160200240280320360
26、400%System Load10203040506070809010046冰水区域泵加装变频控制 二次侧冰水泵效益分析泵规格 780GPM,120Ft,40 HP泵性能曲线负载变化Constant Speed运转费用$472,256 元/年47冰水区域泵加装变频控制 二次侧冰水泵效益分析压差控制:110 Ft压差控制:70 Ft压差控制:40 Ft压差控制运转费用 元/年节省费用(%)110 Ft422,07510.670 Ft336,06928.840 Ft278,14141.1Constant Speed 运转费用$472,256 元/年48提高冷却水塔使用效率 冷却水塔特性冰水主机的负
27、载随着外气和现场的需求有不同的变化，冷却水塔的散热量也随之变化，加上四季与日夜外气条件也不同，一般冷却水塔风车维持固定的温度并非最佳运转点，实际上设计点的外气湿球温度一年中平均发生的时间不到2.5%。49SystemEfficiencykW/RTCoolingTowerkW/RTChillerkW/RTCombinedkW/RTOptimumoperationCWSTemperatureCWSCOptimized Combined Operation On Chiller and Cooling Towers 提高冷却水塔使用效率冰水主机与冷却水塔的优化操作50提高冷却水塔使用效率 冷却水塔水
28、温最佳设定51y=-2.12790217801739E-06x6+2.04505266302021E-04x5-7.94665257816695E-03x4+1.56247394566760E-01x3-1.52268658899181E+00 x2+3.74634799342300E+00 x+4.50061840179266E+010.0002.0004.0006.0008.00010.00012.00014.00016.0000.0005.00010.00015.00020.00025.000 温度Sensor误差 0.5 误差率=0.5/5=10%温度Sensor误差 0.05 误差率
29、=0.05/5=1%传感器的精确度 温度SENSOR测试图52 KW/TON-5%Nominal+5%ExistingChiller0.80750.850.8925NewChiller0.570.600.63Savings0.23750.250.262595%100%105%WorstCase=0.8075-0.63=0.1775Savings=71%传感器的精确度IMPACT OF 5%ERROR AT SITE53 KW/TON-10%Nominal+10%ExistingChiller0.7650.850.935NewChiller0.540.600.66Savings0.2250.25
30、0.27590%100%110%WorstCase=0.765-0.66=0.105Savings=42%传感器的精确度IMPACT OF 10%ERROR AT SITE54加装空调计费系统 明确分担公共电费Saving$55 监控系统能源管理系统+节能改造分析56 监控系统能源管理系统+节能改造分析57 监控系统能源管理系统+节能改造分析58系统的优化Schematic of Chilled Water Cooling SystemTrade-Off of Chiller and Pump Power with Chilled Water Set Point Trade-offs Betw
31、een Chiller Power and Fan Power with Tower AirflowA Step-By-Step Approach to Achieving Total Energy Management SolutionsInformationservicesMeteringBill disaggregationData access/visualization/benchmarkingEquipment performance diagnosticsPower quality monitoringEMCS verificationBaseliningBill disaggr
32、egation and analysisBusiness unit cost and allocationShort-termmonitoring&submeteringBuildingtune-upsEquipment“fixes”Controls and scheduling adjustmentsLow-cost/no-cost efficiency measuresIntegratedanalysis ofsupply anddemand-sideoptionsWhole-system analysis of energy-use optionsFuel-neutral solutio
33、nsIntegrated analysis of supply optionsPower integrity solutionsImplementationof total energymanagementsolutionsEquipment selection,procurement,installation and commissioningMonitoring for performance guarantees,preventative maintenance,failure detectionReal-time load management for portfolio and trading advantage
