中央空調系統(tǒng)節(jié)能措施淺析

    摘要：以節(jié)能為原則，從實際工程設計出發(fā)，在空調冷負荷確定、設備選擇及水系統(tǒng)形式等方面分析了中央空調系統(tǒng)的節(jié)能措施。準確計算逐時空調冷負荷、確定冷機搭配、冷水循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵分別設置、空調水系統(tǒng)采用變流量系統(tǒng)等都可達到減小系統(tǒng)能耗，提高效率的目的。 
關鍵詞：空調冷負荷空調水系統(tǒng)壓差旁通控制 一次泵變流量系統(tǒng) 　　當人們意識到能源危機時，減少能源的消耗在社會生活中愈來愈重要。在公共和民用建筑中，中央空調系統(tǒng)的耗能約占建筑物耗能的 65 ％以上。目前，大多數(shù)樓字中央空調系統(tǒng)中存在很多能源浪費的情況，如因空調負荷計算不當，致使冷熱源機組容量選擇過大，形成“大馬拉小車”的狀況；系統(tǒng)的自控節(jié)能控制設計較為粗糙，甚至未作考慮，通常水泵運行的定流量系統(tǒng)對于電能的浪費是嚴重的；系統(tǒng)的管理不當也會造成運行成本的浪費等等。所以空調節(jié)能應該是有潛力可挖的， 以下粗略分析在中央空調系統(tǒng)設計中可運用的節(jié)能措施。 
1 空調冷負荷的確定及冷水機組的選擇 
　　設計冷負荷是選擇設備的主要依據(jù)，所以正確地計算建筑冷負荷對整個系統(tǒng)的設計十分重要。公共和民用建筑空調系統(tǒng)的負荷主要來自圍護結構傳熱 ( 包括太陽輻射 ) 和新風負荷。傳統(tǒng)的教科書及設計手冊中給出的空調負荷計算方法，不論是計算圍護結構的墻壁或門窗負荷，其結果均是針對某一具體房間而言，而空調系統(tǒng)設備容量依據(jù)的是整個建筑物的冷負荷。由于各房間朝向、位置、功能及其內部熱源等情況的不同造成的最大冷負荷出現(xiàn)的時間并不相同。因此建筑物冷負荷的最大值應為每個房間逐時負荷疊加的最大值，而不是簡單地將每個房間的最大冷負荷進行疊加。空調系統(tǒng)負荷是隨室外氣象條件而變化的，一年春夏秋冬四季中負荷有很大的不同，波動很大，在全年出現(xiàn)峰值負荷的時間很少。有資料表明，辦公樓全年負荷的時間頻率 ( 某負荷出現(xiàn)時間與總時間之比 ) 如圖 1 所示： 
 


　　從圖 1 中可以看出，全年負荷大多集中于最大負荷的 50 ％～ 70 ％之間， 而且當負荷大于總負荷的 50 ％時，一般需開冷機，其余時間可用新風抵消冷負荷。因此設計時考慮全年負荷變化對冷機及其他設備進行大小搭配選擇， 以便在室內冷負荷較小時開啟小型設備，而在冷負荷較大時再開啟大型設備，盡量避免冷機及其他設備在低負荷率的情況下運行，其單位制冷量的耗電量會增加，因此適當選擇冷機型號，保證高效率運行，也可減少系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能的目的。 
　　很多工程設計中主機往往選擇一樣型號的機組，雖然系統(tǒng)配置較簡單、控制簡便，但機組全年 60 ％以上的時間在 50 ％ -70 ％負荷狀況下運行，造成系統(tǒng)調節(jié)不夠靈活，負荷低峰時大馬拉小車，形成大流量小溫差，低效運行的狀況，是對能耗的極大浪費。選擇大小冷機組合，大小機組配置不同大小的冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔，水系統(tǒng)設計及控制可能較為復雜；但在工程設計中，設計者不能一味追求系統(tǒng)配置的簡單而摒棄節(jié)能的原則。 
2 水泵的選擇 
　　冷水泵和冷卻水泵的容量是按建筑物最大的設計負荷選定的，水泵揚程由系統(tǒng)最不利環(huán)路沿程阻力和局部阻力之和確定。實際工程因系統(tǒng)管路復雜，阻力計算往往只是粗略計算，而考慮很高的安全系數(shù)，這樣水泵揚程選擇往往偏大， 泵揚程在 0 ． 4 ～ 0 ． 5MPa 的設計常能見到。以某辦公樓為例進行說明，圖 2 為辦公樓冷凍機房內的冷卻水系統(tǒng)圖。




　　冷凍機制冷量為 l 250kW ， 冷卻水量設計為 300m 3 ／ h 左右，選擇的冷卻水泵額定流量 310m 3 ／ h ，揚程 50m ，從圖 2 測量參數(shù)可以知道，冷卻水泵的揚程在 20 ～ 25m 左右就可滿足要求，現(xiàn)在水泵揚程過大，閥門消耗了 29m 水柱，冷卻水泵達 60 ％能量被消耗在閥門上。水泵的工作特性 ( 流量、壓頭的變化 ) 與管道特性曲線密切相關。管道特性曲線： 
　　　H=SQ 2 
　　式中： H 為管道系統(tǒng)的壓力損失 ,Pa ； Q 為流量 ,m 3 ／ s ； S 為綜合阻力系數(shù)，與管路的沿程阻力和局部阻力有關。 
　　綜合阻力系數(shù)，與管路的沿程阻力和局部阻力有關。通常系統(tǒng)運行時， S 是固定的，而隨著管路阻力的增大，曲線會變陡；隨著管路阻力的減小，曲線會變得平坦一些，使得水泵運行工況也隨著變化。在圖 2 系統(tǒng)中， 閥門消耗了大部分揚程的電能，對水泵的節(jié)能是極為不利。如圖 3 所示，如果完全打開水閥，減小閥門的阻力，水泵的運行工況 A 點就會變?yōu)楣r B ，效率下降，電耗增加，而且可能會比水泵電機的額定功率大很多，這樣，就很可能會將水泵電機燒毀。 
　　水泵的選擇計算，應貫徹執(zhí)行國家節(jié)能設計標準 (GB50189 — 93) 對水系統(tǒng)”水輸送系數(shù)”的要求：空調供冷的水輸送系數(shù)不得小于 30 。．同時對系統(tǒng)最不利環(huán)路阻力的計算應該力求準確 以選擇適當水泵揚程使水泵達到經濟運行的目的。 
　　另外泵的設置，經常未考慮冬夏季空調水量的差別，冬夏共用 l 臺水泵，冬季大流量小溫差，低效運行，電能浪費很大。為此建議冬夏季的冷水循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵分別設置。 
3 空調水系統(tǒng)節(jié)能措施 
　　(1) 目前空調冷水系統(tǒng)大都采用 1 級泵定流量系統(tǒng)。水泵容量是按冷水機組最大負荷時選定的，且全年在固定的水流量下工作。當一些空調末端停機時，水閥不能關閉，回水溫度隨著降低，使得供回水間溫差減小。由于季節(jié)晝夜和建筑物使用功能的不同，實際空調負荷在一年絕大部分時間內遠比設計負荷低 ( 前面也談到過 ) ，全年有 60 ％的時間實際負荷是在設計負荷的 50 ％～ 70 ％ 以下運行，而冷水流量不變情況下，供回水間溫差由設計的 5~ 7 ℃ 降為 0 ． 5 ～ 1 ． 0 ℃ ，即系統(tǒng)在大流量小溫差的情況下工作，從而浪費了水泵運行的輸送能量，且增大了管路系統(tǒng)的冷熱量損失。 
　　為了較好實現(xiàn)節(jié)能目標，考慮空調水系統(tǒng)設計為變流量系統(tǒng)。在空調末端設二通閥，依據(jù)室內恒溫器的信號或送風溫度信號，控制二通閥門的開度，改變用戶 ( 負荷側 ) 的水流量達到變流量的目的。但在冷源側，通過冷水機組蒸發(fā)器的水流量是不能低于所需水量的額定值的，否則導致冷水溫度過低，甚至有結冰危險，所以在供回水干管之間須設置帶調節(jié)閥的旁通管以保證通過冷水機組蒸發(fā)器的水流量的恒定 一次泵變流量系統(tǒng)冷源側常采用多臺冷水機組和多臺冷水泵 ( 每臺冷水泵對應 1 臺冷水機組 ) 的方式。此時，每臺水泵水流量不變，冷水泵和相應的冷水機組進行臺數(shù)控制，以使冷水機組在部分負荷下進行節(jié)能運行，其系統(tǒng)如圖 4 所示。


　　對于一次泵變流量系統(tǒng)臺數(shù)控制方法，很多資料上介紹為壓差旁通控制水泵再聯(lián)鎖冷水機組，壓差控制即定壓控制，根據(jù)設定供回水壓差上下限來控制水泵的減增。這一傳統(tǒng)的控制模式只適用于具有陡降型特性曲線的水泵，這時減泵運行時也存在水泵低效運轉的問題。如今，由于水泵制造技術的提高，水泵在最高效率附近的特性曲線大多為平坦型。平坦型特性曲線水泵對管道壓力變化反應遲鈍，影響調節(jié)質量。多臺水泵并聯(lián)工作，情況更為嚴重。因此，壓差控制就難以滿足要求。針對這一情況，出現(xiàn)流量控制法。 
　　而一次泵變流量系統(tǒng)的負荷控制法是較為成熟的控制模式，冷水機組與一次水泵是分別控制的。冷水機組負荷控制原理是： 在一次泵的供水干管上安裝一個流量檢測器，在供回水干管上各安裝一個溫度檢測器，通過測得一次泵環(huán)路的供回水溫差與供水流量而計算出需冷量。當末端冷量減少時，一次泵環(huán)路供回水間的溫差隨需冷量的減少而減少，經熱量計算器計算減少的冷量為 l 臺冷水機組的容量時，即停開 1 臺冷水機組。反之，當末端需冷量增加，系統(tǒng)所增加的冷量為 1 臺冷水機組的容量時， 即開啟 l 臺冷水機組。此時，與之對應的水泵必須提前運轉，即冷水機組必須有水流過才能啟動。 
　　一次水泵的臺數(shù)控制則采用流量控制法。其控制原理是：供水總管上流量檢測器測得的實際水量，通過變送器將流母信號變成脈沖信號送到臺數(shù)控制器，控制器按各臺水泵預設定的流量范圍和變送器送來的信號進行比較，如果實際用水量小于 1 臺水泵的容量時，則停止 1 臺水泵運行；當實際用水量增加時，水泵的加泵過程與此相反。為了保證一次泵流量和冷水機水量恒定，采用負荷控制時，要求在一次泵供回水干管問設置帶調節(jié)閥的旁通管，并采用固定供回水壓差的方法。此處的壓差控制只是通過供回水壓差調節(jié)旁通閥的開啟度以控制旁通水量，并不能直接控制水泵的停啟。當然，亦可采集旁通水量大小信號來實現(xiàn)水泵的流量臺數(shù)控制。 
　　一次泵臺數(shù)控制變流量水系統(tǒng)較為簡單，選擇多臺冷水機組可滿足全年空調冷負荷的變化要求，又能達到節(jié)能運行的目的；且能大幅度減少每臺水泵的運行時間，延長使用壽命。只是機組和水泵臺數(shù)較多，增加機房面積和初投資，對于溫控二通閥及旁通控制裝置也有很高質量要求，確保系統(tǒng)運行時能夠有效動作。 
　　(2) 隨著控制技術的發(fā)展，不同類型冷水機組都配置有完善的控制裝置，能根據(jù)負荷變化自動調節(jié)蒸發(fā)器和冷凝器中冷媒循環(huán)流量，為水系統(tǒng)的變流量運行提供了基礎條件。文獻 [2> 中提出，對冷水機組的冷水系統(tǒng)進行變流量運行是完全可能的，不會對冷水機組的安全運行產生影響，流量的調節(jié)范圍可控制在 70 ％ ( 或 60 ％ ) ～ 100 ％之間。當實際用戶負荷變化時，供水量隨之變化，可直接通過水泵的變頻調速控制達到節(jié)能目的。而對于冷水機組的冷卻水系統(tǒng)進行變流量運行也是完全可行的，由于冷卻水量較冷水流量大 20 ％ ~30 ％ ，其節(jié)能效果更加顯著。通過水泵的變頻調速控制，變頻器在 1-2 年內即可回收投資，空調水系統(tǒng)采用變流量運行，使輸送能耗能隨流量的增減而增減，具有顯著的節(jié)能效益和經濟效益。 
4 空調風系統(tǒng)節(jié)能措施 
　　大廳、餐廳、大會議室等大空間公共區(qū)域，設計一般采用定風量空調系統(tǒng)。采用雙風機 ( 送回風 ) 系統(tǒng)，當室外空氣焓值低于室內冶值時，可改變新風比直到全新風全排風，達到節(jié)能及改善室內空氣品質的目的。 
　　零售、會議、辦公等小空間，可采用雙風機變風量空調系統(tǒng)，變風量系統(tǒng)的新＼排風管直接接到空調機房外窗百葉上，過渡季可全新風節(jié)能運行。變風量空調系統(tǒng)是當室內負荷變化時，用改變送風量來維持室內溫濕的方式。采用全年變風量運行，可顯著節(jié)約風機運行所耗電能。因在全年空調的建筑物里，由于極大部分時間系統(tǒng)在部分負荷情況下工作，如采用末端變風量＼控制系統(tǒng)靜壓，調節(jié)風機總風量，則風機耗能將大為減少。如以建筑物西向周邊區(qū)為例，平均負荷率夏季約 40 ％ 、過渡季約 25 ％ 、冬季約 30 ％ 、是很低的 ( 其他朝向也大致如此 ) ，故如系統(tǒng)全年平均在 70 ％風量下工作，則所耗電能約可減少一半。對于全年空調的大樓 ( 如辦公樓 ) ，空調風機的耗電量占整個大樓所耗總電量 ( 包括大樓中冷熱源、照明、風機、水泵、給排水泵、電梯 ) 的很大部分。故減少風機所耗電能也是考慮節(jié)能的重要方面。 
5 結語 
　　中央空調系統(tǒng)是建筑物中的耗能大戶，在空調系統(tǒng)的設計中考慮節(jié)能控制是切實可行的，各種節(jié)能措施應用都有一定的適用范圍和局限性，應結合不同的工程，提出相應的控制措施，使系統(tǒng)發(fā)揮最佳的運行效果。 

參考文獻 
　　1 錢以明編著．高層建筑空調與節(jié)能．上海：同濟大學出版杜， 1992 
　　2 孫一堅．空調水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制．暖通空調．北京： 2001 ， 12 
　　3 張蕾等．辦公樓類建筑空調系統(tǒng)運行現(xiàn)狀淺析．暖通空調．北京 2000 ， 12 
　　作者：袁建中 ( 南昌有色冶金設計研究院南昌 330002)