中央空调系统的节能技术

中央空调系统的节能技术,一方面是减少空调建筑的冷负荷,另一方面是提高中央空调系统的效率.中央空调系统节能技术重点放在提高中央空调系统的综合用能效率.
主要的节能技术有:水力系统的平衡技术、水泵和风机的合理选型及变频技术、变水量和变风量节能技术、热回收技术、主机节能运行控制技术、蓄冰蓄能空调技术等等.

(一)制冷主机的节能运行
在空调系统中,主机能耗占总能耗60%以上,因此主机的节能运行是整个系统节能的重要环节.在空调系统设计中,主机都要按最大负荷进行设计,而空调系统对每个具体工况而言,都有一条最佳的特性曲线,满足这条曲线工作,主机效率最高,能耗最小,控制主机尽量满足其特性曲线,则可以达到节能的目的,常见的节能控制方法有:
1.启停最佳控制
空调装置消耗的电能等于装置运行的时间和装置的容量的乘积,如果运行时间减少,消耗的电能就会按比例下降.对大楼不同场所的空调负荷进行详细的调查分析,寻找最佳启停控制方式,将既能满足人们对空调环境的要求,又能符合节能的要求.管理人员可以针对办公室环境因素,制定多套节能运行方案.
2.合理选择主机功率.
很多工程设计中主机往往选择一样型号的机组,虽然系统配置较简单、控制简便,但机组全年 60 %以上的时间在 50 % -70 %负荷状况下运行,造成系统调节不够灵活,负荷低峰时大马拉小车,形成大流量小温差,低效运行的状况,冷冻水流量不变情况下,供回水间温差由设计的 5~ 7 ℃ 降为 0 . 5 ~ 1 . 0 ℃ ,即系统在大流量小温差的情况下工作.选择大小冷机组合针对负荷分别选择主机功率,即根据空调实际负荷调节主机台数或选择主机功率.采用了空调大主机和小主机组合的办法,即正常白天负荷高峰时使用大主机,小负荷就改用空调小主机,其节电情况非常显著.
3.参数选择.
在中央空调设计时合理设定室内设计计算温度和湿度,避免夏季采用过低温度和冬季采用过高温度.设计中避免送风温度过低,因为当送风温度由18℃降到14℃时,在同样的房间温度下(26℃,相对湿度50%),处理新风的能耗会增加25%.因此,从健康、舒适、节能考虑,舒适性空调夏季室内设计温度确定取比室外环境温度低5~8℃为好,同时室内外相对湿度差也不宜太大

(二)空调水系统的设计原则
空调水系统设计应坚持的设计原则是:
力求水力平衡;
防止大流量小温差;
水输送系数要符合规范要求;
变流量系统宜采用变频调节;
要处理好水系统的膨胀与排气;
要解决好水处理与水过滤;
要注意管网的保冷与保暖效果.
(1) 空调冷冻水系统当一些空调末端停机时,水阀不能关闭,回水温度随着降低,使得供回水间温差减小.由于季节昼夜和建筑物使用功能的不同,实际空调负荷在一年绝大部分时间内远比设计负荷低 ( 前面也谈到过 ) ,全年有 60 %的时间实际负荷是在设计负荷的 50 %~ 70 % 以下运行,而冷水流量不变情况下,供回水间温差由设计的 5~ 7 ℃ 降为 0 . 5 ~ 1 . 0 ℃ ,即系统在大流量小温差的情况下工作,从而浪费了水泵运行的输送能量,且增大了管路系统的冷热量损失. <> 为了较好实现节能目标,考虑空调水系统设计为变流量系统.在空调末端设二通阀,依据室内恒温器的信号或送风温度信号,控制二通阀门的开度,改变用户 ( 负荷侧 ) 的水流量达到变流量的目的.但在冷源侧,通过冷水机组蒸发器的水流量是不能低于所需水量的额定值的,否则导致冷水温度过低,甚至有结冰危险,所以在供回水干管之间须设置带调节阀的旁通管以保证通过冷水机组蒸发器的水流量的恒定 一次泵变流量系统冷源侧常采用多台冷水机组和多台冷水泵 ( 每台冷水泵对应 1 台冷水机组 ) 的方式.此时,每台水泵水流量不变,冷水泵和相应的冷水机组进行台数控制,以使冷水机组在部分负荷下进行节能运行, <> 对于一次泵变流量系统台数控制方法,很多资料上介绍为压差旁通控制水泵再联锁冷水机组,压差控制即定压控制,根据设定供回水压差上下限来控制水泵的减增.这一传统的控制模式只适用于具有陡降型特性曲线的水泵,这时减泵运行时也存在水泵低效运转的问题.如今,由于水泵制造技术的提高,水泵在最高效率附近的特性曲线大多为平坦型.平坦型特性曲线水泵对管道压力变化反应迟钝,影响调节质量.多台水泵并联工作,情况更为严重.因此,压差控制就难以满足要求.针对这一情况,出现流量控制法. <> 而一次泵变流量系统的负荷控制法是较为成熟的控制模式,冷水机组与一次水泵是分别控制的.冷水机组负荷控制原理是: 在一次泵的供水干管上安装一个流量检测器,在供回水干管上各安装一个温度检测器,通过测得一次泵环路的供回水温差与供水流量而计算出需冷量.当末端冷量减少时,一次泵环路供回水间的温差随需冷量的减少而减少,经热量计算器计算减少的冷量为 l 台冷水机组的容量时,即停开 1 台冷水机组.反之,当末端需冷量增加,系统所增加的冷量为 1 台冷水机组的容量时, 即开启 l 台冷水机组.此时,与之对应的水泵必须提前运转,即冷水机组必须有水流过才能启动. <> 一次水泵的台数控制则采用流量控制法.其控制原理是:供水总管上流量检测器测得的实际水量,通过变送器将流母信号变成脉冲信号送到台数控制器,控制器按各台水泵预设定的流量范围和变送器送来的信号进行比较,如果实际用水量小于 1 台水泵的容量时,则停止 1 台水泵运行;当实际用水量增加时,水泵的加泵过程与此相反.为了保证一次泵流量和冷水机水量恒定,采用负荷控制时,要求在一次泵供回水干管问设置带调节阀的旁通管,并采用固定供回水压差的方法.此处的压差控制只是通过供回水压差调节旁通阀的开启度以控制旁通水量,并不能直接控制水泵的停启.当然,亦可采集旁通水量大小信号来实现水泵的流量台数控制. <> 一次泵台数控制变流量水系统较为简单,选择多台冷水机组可满足全年空调冷负荷的变化要求,又能达到节能运行的目的;且能大幅度减少每台水泵的运行时间,延长使用寿命.只是机组和水泵台数较多,增加机房面积和初投资,对于温控二通阀及旁通控制装置也有很高质量要求,确保系统运行时能够有效动作. <> (2) 随着控制技术的发展,不同类型冷水机组都配置有完善的控制装置,能根据负荷变化自动调节蒸发器和冷凝器中冷媒循环流量,为水系统的变流量运行提供了基础条件.文献 <2> 中提出,对冷水机组的冷水系统进行变流量运行是完全可能的,不会对冷水机组的安全运行产生影响,流量的调节范围可控制在 70 % ( 或60 % ) ~ 100 %之间.当实际用户负荷变化时,供水量随之变化,可直接通过水泵的变频调速控制达到节能目的.而对于冷水机组的冷却水系统进行变流量运行也是完全可行的,由于冷却水量较冷水流量大 20 % ~30 % ,其节能效果更加显著.通过水泵的变频调速控制,变频器在 1-2 年内即可回收投资,空调水系统采用变流量运行,使输送能耗能随流量的增减而增减,具有显著的节能效益和经济效益. <> 4. 空调风系统节能措施 <> 大厅、餐厅、大会议室等大空间公共区域,设计一般采用定风量空调系统.采用双风机 ( 送回风 ) 系统,当室外空气焓值低于室内焓值时,可改变新风比直到全新风全排风,达到节能及改善室内空气品质的目的. <> 零售、会议、办公等小空间,可采用双风机变风量空调系统,变风量系统的新\排风管直接接到空调机房外窗百叶上,过渡季可全新风节能运行.变风量空调系统是当室内负荷变化时,用改变送风量来维持室内温湿的方式.采用全年变风量运行,可显著节约风机运行所耗电能.因在全年空调的建筑物里,由于极大部分时间系统在部分负荷情况下工作,如采用末端变风量\控制系统静压,调节风机总风量,则风机耗能将大为减少.如以建筑物西向周边区为例,平均负荷率夏季约 40 % 、过渡季约 25 % 、冬季约 30 % 、是很低的 ( 其他朝向也大致如此 ) ,故如系统全年平均在 70 %风量下工作,则所耗电能约可减少一半.对于全年空调的大楼 ( 如办公楼 ) ,空调风机的耗电量占整个大楼所耗总电量 ( 包括大楼中冷热源、照明、风机、水泵、给排水泵、电梯 ) 的很大部分.故减少风机所耗电能也是考虑节能的重要方面.
5.热回收技术
对电为能源制冷机,采用热回收技术,充分利用工艺低温余热,回收后用于加热生活热水.
对燃气为能源制冷机,采用烟气冷凝热回收技术.

(三)风机水泵的节能<> 1. 水泵的节能
冷冻水泵和冷却水泵的流量是按建筑物最大的设计负荷选定的,水泵扬程由系统最不利环路沿程阻力和局部阻力之和确定.实际工程因系统管路复杂,阻力计算往往只是粗略计算,而考虑很高的安全系数,这样水泵扬程选择往往偏大, 泵扬程在 0 . 4 ~ 0 . 5MPa 的设计常能见到.
水泵的选择计算,应贯彻执行国家节能设计标准 (GB50189 — 93) 对水系统"水输送系数"的要求:空调供冷的水输送系数不得小于 30 .同时对系统最不利环路阻力的计算应该力求准确 以选择适当水泵扬程使水泵达到经济运行的目的. <> 另外泵的设置,经常未考虑冬夏季空调水量的差别,冬夏共用 l 台水泵,冬季大流量小温差,低效运行,电能浪费很大.为此建议冬夏季的冷水循环泵和热水循环泵分别设置.
2.冷却塔风机节能
在大多数的设计中,一台制冷主机会搭配一台冷却水塔,且水塔的起停与冷水主机联动.由于中、大系统冷水主机台数偏多,使得冷却水塔台数也多,不易管理及维护,且无法随着空调负载及室外气温条件变动而调整风扇耗电量.
当水处理量大于300 m3/h以上时,方形冷却塔可实现多风机控制.风机的数量可随着处理水量的增大而增加.方形多风机型冷却塔,可随着夏季室外湿球温度的变化随意增减风机数量,用于昼夜温差较大的地区更有利于节能.
一 般空调水系统的输配用电,在冬季供暖期间约占整个建筑动力用电的 20 %~ 25 %;夏季供冷期间约占 12 %~ 24 % ,因此,水系统节能也具有重要意义.
3. 变流量技术与变频调速
因此,除系统小型化外,变水量(VWV)、变风量(VAV)和变制冷剂流量(VRV)系统的研究与应用,大大促进了制冷空调技术的发展,与机器设备调速技术相结合的变流量技术,则可以大大提高空调系统与设备的能源利用率.
中央空调中水泵风机用电量占空调总用电量30-40%.因此,泵类和风机变速运行节能量是显著的.
变流量水系统的节能效果好.设计负荷运行时间约占总运行时间的(6~8)%,水泵的能耗很大,约占空调系统总能耗量的(15~20)%.
由于水泵实际工作点往往不能处于效率最高点,即使流量减小了,实际用电量减少并不多.而采用变频调速装置调节流量可收到良好的节能效果.
变频调速可在非峰值负荷时减少送风量,从而可节省动力消耗.据检测,当运行风量减至设计风量的50%时,运行电流约减少25.5%,因而全年空调运行消耗的电力比定风量方式小得多.
(四)蓄能空调技术
蓄能空调技术就是利用夜间电网低谷时的电力来制冷或制热,把冷量或热能储存起来,在白天电力高峰用电紧张时释放冷量或热能,满足建筑物空调冷源或热水需要.
与常规空调系统比较,冰蓄冷空调一方面对电网削峰填谷,优化资源配置,减少电力电站投资,保护生态环境有良好的社会效益.
另一方面,对采用冰蓄冷空调的业主而言,还可以得到以下的实惠:减免电力增容费用,减少制冷主机的装机容量,减少相应的配电设备投资,节省大量的运行费用,停电时还可以作为应急冷源继续供冷.
1.蓄冷空调技术的基本原理
蓄冷中央空调简单地讲就是在常规中央空调增加了一套蓄冷装置,如:蓄冰槽、蓄冰桶等.蓄冰空调主要利用分时电价政策,在夜间用电低谷期,采用电制冷机制冷,将制得冷量以冰(或其它介质)的形式储存起来.在白天空调负荷高峰期,将冷量释放,便可达到少开中央空调主机甚至不开主机的目标.
1).按蓄冷方式分:
部分蓄冷.部分蓄冷是指制冷机连续运行,在夜间制冷储能,以补足白天高峰制冷负荷,白天同时使用制冷机与夜间储存的冷量供应空调负荷.部分蓄冷是目前最常用方式.
全部蓄冷.全部蓄冷是利用低谷电荷时制冷机蓄冰储能,白天空调不使用制冰机,所有空调负荷完全以储存的冷能供给.这种方式常用于改建工程,也适用需要瞬时大量释冷的建筑物,如体育馆.
2).冰蓄冷空调的结论
蓄冰空调特别适用于间歇空调系统,及峰谷负荷差较大的连续运行空调工程.如:金融办公大楼、影剧院、体育馆、非昼夜运行的工厂车间等.
蓄冷空调技术,当蓄冰比例在30%~70%时,通过对系统的优化设计,可使冰蓄冷的初投资与常规空调持平或略有减少;