中央空調系統節能措施淺析

    摘要：以節能為原則，從實際工程設計出發，在空調冷負荷確定、設備選擇及水系統形式等方面分析了中央空調系統的節能措施。準確計算逐時空調冷負荷、確定冷機搭配、冷水循環泵和熱水循環泵分別設置、空調水系統采用變流量系統等都可達到減小系統能耗，提高效率的目的。 
關鍵詞：空調冷負荷空調水系統壓差旁通控制 一次泵變流量系統 　　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，中央空調系統的耗能約占建筑物耗能的 65 ％以上。目前，大多數樓字中央空調系統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；系統的自控節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對于電能的浪費是嚴重的；系統的管理不當也會造成運行成本的浪費等等。所以空調節能應該是有潛力可挖的， 以下粗略分析在中央空調系統設計中可運用的節能措施。 
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，所以正確地計算建筑冷負荷對整個系統的設計十分重要。公共和民用建筑空調系統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，而空調系統設備容量依據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，也可減少系統能耗，達到節能的目的。 
　　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，造成系統調節不夠靈活，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配置的簡單而摒棄節能的原則。 
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，水泵揚程由系統最不利環路沿程阻力和局部阻力之和確定。實際工程因系統管路復雜，阻力計算往往只是粗略計算，而考慮很高的安全系數，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 測量參數可以知道，冷卻水泵的揚程在 20 ～ 25m 左右就可滿足要求，現在水泵揚程過大，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 為管道系統的壓力損失 ,Pa ； Q 為流量 ,m 3 ／ s ； S 為綜合阻力系數，與管路的沿程阻力和局部阻力有關。 
　　綜合阻力系數，與管路的沿程阻力和局部阻力有關。通常系統運行時， 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 系統中， 閥門消耗了大部分揚程的電能，對水泵的節能是極為不利。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 點就會變為工況 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，應貫徹執行國家節能設計標準 (GB50189 — 93) 對水系統”水輸送系數”的要求：空調供冷的水輸送系數不得小于 30 。．同時對系統最不利環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泵和熱水循環泵分別設置。 
3 空調水系統節能措施 
　　(1) 目前空調冷水系統大都采用 1 級泵定流量系統。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，且增大了管路系統的冷熱量損失。 
　　為了較好實現節能目標，考慮空調水系統設計為變流量系統。在空調末端設二通閥，依據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閥的旁通管以保證通過冷水機組蒸發器的水流量的恒定 一次泵變流量系統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控制，以使冷水機組在部分負荷下進行節能運行，其系統如圖 4 所示。


　　對于一次泵變流量系統臺數控制方法，很多資料上介紹為壓差旁通控制水泵再聯鎖冷水機組，壓差控制即定壓控制，根據設定供回水壓差上下限來控制水泵的減增。這一傳統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，影響調節質量。多臺水泵并聯工作，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，出現流量控制法。 
　　而一次泵變流量系統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水泵的流量臺數控制。 
　　一次泵臺數控制變流量水系統較為簡單，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，確保系統運行時能夠有效動作。 
　　(2) 隨著控制技術的發展，不同類型冷水機組都配置有完善的控制裝置，能根據負荷變化自動調節蒸發器和冷凝器中冷媒循環流量，為水系統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能目的。而對于冷水機組的冷卻水系統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，具有顯著的節能效益和經濟效益。 
4 空調風系統節能措施 
　　大廳、餐廳、大會議室等大空間公共區域，設計一般采用定風量空調系統。采用雙風機 ( 送回風 ) 系統，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，變風量系統的新＼排風管直接接到空調機房外窗百葉上，過渡季可全新風節能運行。變風量空調系統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在部分負荷情況下工作，如采用末端變風量＼控制系統靜壓，調節風機總風量，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能的重要方面。 
5 結語 
　　中央空調系統是建筑物中的耗能大戶，在空調系統的設計中考慮節能控制是切實可行的，各種節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，使系統發揮最佳的運行效果。 

參考文獻 
　　1 錢以明編著．高層建筑空調與節能．上海：同濟大學出版杜， 1992 
　　2 孫一堅．空調水系統變流量節能控制．暖通空調．北京： 2001 ， 12 
　　3 張蕾等．辦公樓類建筑空調系統運行現狀淺析．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)