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摘要：空调系统能耗占公共机构建筑总能耗的60% 左右，节能潜力巨大。结合某公共机构办公建筑中央空调系统节能改造项目实 例，分析了磁悬浮制冷技术在公共机构中央空调系统技术改造应用中的节能效果。项目针对公共机构建筑原空调系统能耗高、噪声 大、智能化管控程度低、设备老化严重等问题，通过更新磁悬浮冷水机组、更换高效机电设备、建设群控系统等方法，对中央空调 系统进行技术改造。实测结果表明，实施上述技术改造手段后，相比原冷水机组综合节电率达到40%;供冷负荷保持在45%~75% 之间，正好处于磁悬浮冷水机组能效水平最高的区间;改造后中央空调系统实测EER 平均值达到3.84.满足地标二级能效标准。 应用实例表明磁悬浮制冷技术在建筑节能方面效果明显，为公共机构中央空调系统节能改造提供了技术参考。
关键词：公共机构,节能,中央空调系统,磁悬浮
Case Analysis of Energy Efficiency on Magnetic Suspension Technology Applied in
( Guangzhou Huijin Energy Efficiency Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510640.China )
Abstract：The energy consumption of air-conditioning system accounts for about 60% of the total energy consumption of public institution buildings，which shows huge energy-saving potential.According to a public institution office building energy efficiency retrofitting project，the energy efficiency of magnetic suspension technology applied in central air -conditioning system retrofitting was analyzed. To improve the problems of high energy consumption，high noise，low intelligent management and control，and serious equipment aging for the original air- conditioning system，technology retrofits were carried out by updating two magnetic frequency suspension centrifugal water chillers and high- efficiency mechanical and electrical equipment，and constructing building automation system.After finishing the above retrofits，the actual operating data show that the energy consumption can be reduced by 40% after replacing the original constant frequency water-cooled screw chillers，the cooling load remains between 45% and 75%，just in the range of the highest energy efficiency level of the magnetic suspension chiller，the average measured EER of the central air-conditioning system reaches 3.84.can meet the level II energy efficiency standard.The application example shows that the magnetic suspension refrigeration technology has obvious effect in building energy conservation，which provides a technical reference for the energy-saving transformation of central air-conditioning system in public institutions.
Key words：public institution;energy conservation;central air-conditioning system;magnetic suspension
0 引言
《中华人民共和国节约能源法》第四十七条列明了 公共机构的定义及提出了对公共机构节能的要求：公共 机构应当厉行节约，杜绝浪费，带头使用节能产品、设 备，提高能源利用效率。本法所称公共机构，是指全部 或者部分使用财政性资金的国家机关、事业单位和团体 组织。加大既有建筑节能改造力度，推进绿色高效制冷 行动，重点推进空调系统节能改造，加强智能管控和运行优化，是国家“十四五”期间对公共机构开展节能工 作的要求[1]。
尽管公共机构的能源资源消耗占全社会消耗的比例 较小，但是公共机构的社会属性决定了其在社会中具有 显著的示范引领作用，因此公共机构节能工作意义重大。 公共机构带头节约能源资源，可以在全社会中起到表率作用，对增强全社会的节能意识和形成良好的节能氛围 起到示范与引导作用[2]。对公共机构自身而言，开展节能工作能有效减少能源资源浪费，提高能源资源利用率，节约财政支出，进而降低行政运行成本，提高行政 效能[3]。
根据中国空调制冷网的调查结果[4]，公共机构的能耗主要是由建筑物能耗构成的，其占据公共机构能耗总 量的70% 。在建筑物能耗中，以最常见的办公建筑电耗 结构为例，空调、照明、办公设备、电梯占据98% 的能 耗总量，其中空调系统电耗占办公建筑能耗最多，为 59.95%，照明电耗占21%，办公设备电耗占13%，电 梯电耗占4%。可见空调系统在办公建筑能耗中耗电量最多，其节能潜力巨大。而在中央空调系统中，冷水机 组能耗又占其能耗的50%~ 70%[5 ]，因此从改造高耗能旧设备入手，选用高效节能的冷水机组是中央空调系统 节能减排的重要措施。
本文以某公共机构既有办公建筑为例，介绍了其中 央空调系统节能改造项目中所用到的节能技术，通过项 目实施，大大改善了办公环境舒适度并达到了节能减排 的效果，为公共机构绿色高效制冷系统建设或中央空调 系统节能改造项目提供一定的借鉴。
1 项目概况
本案例实施中央空调系统节能改造的既有办公建筑 位于广州市中心，是一栋26 层高的一类高层公共建筑。
1.1 原系统设备状况
该办公建筑中央空调冷水机房位于负一层，经现场 勘察，原系统设备配置情况如下：2 台约克品牌定频水冷螺杆式冷水机组，2007 年12 月投入使用，制冷量为1 122 kW，COP =5.23;3 台冷冻水泵(2 用1备)，3 台冷却水泵(2 用1备);2 台双风机侧出风横流冷却塔， 安装于四楼设备层，单台循环水量为300 m3/h，总电机 功率为5.5 × 2 kW。
1.2 原系统存在问题
( 1 ) 原冷水机组运行时间将近15 年，基本接近设
备的使用寿命，制冷能效严重衰减，能耗逐年递增，且 多次发生故障，维保、维修成本高。另外该冷水机组使 用的冷媒为已被国家列入淘汰的R22.此冷媒产量少且价格高。
(2 ) 原冷水机组为定频控制，通过滑阀调整负荷，
其COP 随负荷率的升高而增大，满负荷情况下机组能效 最高。而该办公建筑内空调冷负荷受季节影响较大，全 年有较多的时间冷水机组运行在部分负荷的状态。且办 公楼晚上有部分人员加班，为保证加班人员工作环境舒 适性，晚上中央空调持续供冷，冷水机组此时供冷负荷较小(不足15 % )，导致设备的整体运行效率较低。
( 3 ) 原冷却水系统、冷冻水系统都采用了定流量一
级泵系统，在绝大部分运行时间内，空调水系统处于大流量、小温差的状态，不利于节约水泵的能耗[6]。另外， 原冷冻水泵和冷却水泵额定流量偏小，且管网的水阻力 较大，导致运行1台冷水机组需同时运行2 台冷冻水泵 和2台冷却水泵，运行能耗偏高;原水泵配套的电机均效低下。
(4 ) 2 台冷却塔的电机外表已锈蚀严重，且换热填料老化及结垢严重，部分补水管也已锈蚀开裂。
( 5 ) 原中央空调系统无智能管控功能，设备都是通过现场人工启停，整个中央空调系统无法根据负荷自动 加减载设备或控制水泵变频，运行能耗高。尤其每次冷 却塔的启停都要前往安装在四楼设备层的启动柜人工现场操作，给运维人员带来极大不便。
( 6 ) 中央空调机房位于负一层，在供冷季节，机房设备运行产生噪声引起地面的振动，严重影响一楼办公 舒适性以及一楼会议室的使用。
2 改造内容
针对以上存在的问题及综合考虑该办公建筑功能情 况，对原中央空调系统实施了以下改造内容。
2.1 更换高能效的磁悬浮变频离心式冷水机组
名义工况性能系数COP 和综合部分负荷性能系数IPLV 是评价冷水机组能效特性的重要指标[7]，但办公建 筑所使用的冷水机组绝大部分时间是在部分负荷下运行 的，采用冷水机组满负荷运行时的COP 值评价冷水机组 性能指标存在一定的片面性，所以冷水机组在整个空调 运行期间的综合部分负荷效率IPLV 值才能真实体现冷水机组的节能性。更换2台1级能效的磁悬浮变频离心式冷水机组，制冷量为1 150 kW，COP 值为6.42.IPLV值为9.85.制冷剂为R134 a。
目前在用的定频螺杆式冷水机组，运行效率低，能 源消耗大，而高能效的磁悬浮变频离心式冷水机组采用 磁悬浮技术——磁轴承和定位传感器利用由永久磁铁和电磁铁组成的径向轴承和轴向轴承组成数控磁轴承系统， 实现压缩机的运动部件悬浮在磁衬上无摩擦地运动[8]。
磁悬浮变频离心式冷水机组除了压缩机采用永磁高速电 机直接驱动，同时还集成了变频调速技术，通过控制制冷剂流量、调整转速，保证压缩机在部分负荷下始终处于高效压缩状态[9]，使机组具有极高的综合部分负荷效 率IPLV，部分负荷运行下磁悬浮机组较普通离心机、螺 杆机有明显节能。除此之外，磁悬浮冷水机组还有以下优点。
( 1 ) 无润滑油系统，无需定期更换润滑油、油过滤器，无需定期维护油路系统，比传统冷水机组维护费用 减少50 %;解决传统冷水机组回油问题，极大改善冷量 衰减，机组的效率大大提升;由于无齿轮摩擦，磁悬浮轴承无磨损，机组可靠性提高，使用寿命可长达30 年。
(2 ) 无级变频，可实现10%~100% 无级调节，温度控制精准，且低负荷时机组能够自动避开喘振运行，不 存在传统机组的喘振问题。
(3 ) 启动电流小，只有2 A，对电网无冲击且大大降低了启动能耗。
(4 ) 采用R134a 环保冷媒，对臭氧层零伤害。
(5 ) 机组振动噪声低，运行时声压级噪声低至70 dB。
由此可见更换的机组节能性更佳且噪声更小。为进 一步降低冷水机组的噪声以及振动的传导对一楼大堂及 会议室的影响，为机组及管道支架加装了弹簧减震器， 并在机房四周安装了隔音材料。
2.2 更换输配系统的水泵及电机并加装变频装置
原有冷冻水泵及冷却水泵的流量及扬程选型偏小， 导致在开启1台主机的情况下需同时开启2套水泵，开 启2台主机需同时开启3套水泵，极大增加了能耗。更 换的水泵按两用一备且冷水主机与水泵的1对1配套运 行重新配置流量与扬程，改造前后水泵参数如表1所示。
原配套的Y2 系列电机属于国家淘汰的型号，已不符合国家对水泵的效率要求[10] 。因此同步更换配套新水 泵的2级能效节能高效电机，并增加弹簧减震器。
原冷冻水泵和冷却水泵均为工频运行，更换的水泵 可在25~50 Hz 范围内变频，本次改造额外为水泵加装变 频控制装置，系统根据负荷情况自动调节水泵频率，节 约水泵的运行能耗。
2.3 更换节能高效冷却塔并改造启动柜
原有冷却塔已使用近15 年，老化较严重，更新2台 节能高效环保的冷却塔，并对原有冷却塔启动柜进行自 动化改造，将冷却塔控制信号、状态信号等相关输入输 出信号接入冷源管理控制柜，使之与群控系统进行有机 整合，实现所有冷却塔的自动增减投入和切换现场手动/ 远程启停控制。
2.4 增加机房群控系统实现智能管控
原中央空调系统所有设备的配合运行只能通过管理人员手动调节，改造后的中央空调系统，其冷水机组和变频水泵的节能运行离不开合理的运行控制方案[11]，使 整个系统发挥最大的节能性。本次改造增加机房群控系 统，加装冷源管理控制柜及各类传感装置及检测仪表， 实现对冷水主机、水泵、冷却塔进出水温度、冷冻水流 量、主机制冷量以及电气参数的持续实时在线监测并进 行联动控制，在智能控制+设备改造协同机制下，使中央空调系统得以始终运行在高能效状态下，实现节能降 耗，提高经济运行能力。其具有以下功能：( 1 ) 可实现 冷水机组、水泵及冷却塔远程/自动启动;
(2 ) 可根据冷负荷自动调节设备运行台数、输配系统的水泵变频;
(3 ) 可对设备的重要参数进行统计，并可导出报表数 据;(4 ) 实现无人值守，并且对发生故障的设备触发报 警提醒。
机房群控系统控制界面如图1所示。
2.5 增加1台风冷模块冷水机组保证加班供冷
对于办公楼晚上有部分人员加班的情况，经测算需 要提供约130 kW 制冷量以保证局部办公的供冷条件。为 进一步节约能耗，为晚上加班供冷选用1 台制冷量为 130 kW 风冷模块冷水机组以及2 台冷冻水泵( 1 用1 备)，安装在四楼设备层冷却塔附近，通过安装冷冻水 泵管接入位于同层的中央空调供回水总管立管。增加风 冷模块冷水机组系统示意图如图2所示。
3 节能效果
3.1 冷水机组更换前后节能效果对比
该项目8月1 日更换了第1 台磁悬浮变频离心式冷 水机组并投入运行，对单台冷水机组更换前后运行数据 进行手工记录，此时水泵尚未更换，水泵变频柜尚未安 装，机房群控系统尚未搭建，通过记录主机控制柜显示 屏上的冷冻水、冷却水供回水温度，记录机房控制室断路器LCD 显示屏上显示的机房设备总电流读数，数据整 理如表2所示。
对比室外温度同为31 ℃ 的7月7 日和8月11 日抄 表记录，改造前系统总电流598 A，改造后为359 A，节 电率为39.97% 。
3.2 磁悬浮冷水机组运行实测能效分析
机房群控系统搭建后，可对改造完成后的运行数据 进行监控记录，系统定期采集输配系统冷冻水、冷却水的供回水温度、冷冻水流量，以及各耗能设备(冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔)的耗电量[12] 。通过 实测数据，群控系统可自动计算出系统制冷量及冷水机 组耗电量等，可分析改造后冷水机组的运行能效情况。 现根据9月下旬的实测数据分析本项目磁悬浮冷水机组的 实际运行特点，如图3所示。由图可知，9 月下旬机组负 荷率基本集中在45%~75%之间，随着负荷率的升高，磁 悬浮变频离心式冷水机组COP 逐渐减小。总体来看，系 统大部分时间都运行在磁悬浮机组的高效区间范围内。
3.3 机房整体能效实测评价
机房整体能效EER ( Energy Efficiency Ratio ) 是评价高效机房的标准，EER 即空调系统制冷机组全年累计制 冷量与空调系统制冷设备(冷机、水泵、冷却塔等)全年累计耗电量比值，其不仅与机组能效有关，同时受水泵和冷却塔的影响[13] 。通过实测数据，群控系统可自动 计算出实时EER 值，9 月下旬系统运行的EER 数据如图 4 所示。由图可知，这段时间的EER 平均值为3.84.依 据DBJ/T 15-129-2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》[14 ] 对制冷机房系统运行能效进行分级，达到二级能效标准。
4 结束语
本项目原有的冷水机组使用年限已久，噪声大，舒 适度下降，故障率增加且能耗逐年上升。磁悬浮机组的无油运行和变频技术带来的高效、稳定、低维保成本、无喘振、低噪声等优势[15]，与原定频水冷螺杆式冷水机 组相比，磁悬浮变频离心式冷水机组具备更高的部分负 荷能效比，拥有更高的COP 和IPLV，节能性更佳。
开展公共机构建筑空调系统节能改造建设工作，要 以提高空调系统能源资源利用效率、降低能源资源消耗、 改善室内环境为核心，以建设绿色高效空调系统、促进 公共机构建筑节能减碳为目标，坚持“因地制宜，以点 带面，稳步推进，注重实效”的原则，重点依靠管理和 技术进步，着力推进体制和机制创新，充分发挥公共机 构在推进生态文明建设中的表率示范作用。
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