21世纪中央空调节能方案探讨

2022-09-13

随着国民经济的发展、人民生活水平的提高, 空调应用日益广泛、普及, 空调用电占总用电总量的比例在不断上升, 空调能耗已占总能耗20%左右, 因而空调节能意义巨大。同时, 在空调系统的设计及设备选型中均以最大负荷作为设计工况, 而实际运行中空调负荷则随多种因素而变化最小时甚至还不到设计负荷的1 0%, 存在很大的能源浪费现象。因此, 空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空调节能的关键。

中央空调节能主要可从以下几个方面考虑:系统的选择、设备的选配及系统的运行管理。

1 系统的选择

首先, 在空调系统设计之初选定空调方案 (系统方式) 时, 即应将节能作为重要依据之一。中央空调能耗一般包括三部分空调冷热源;空调机组及末端设备;水或空气输送系统。这三部分能耗中, 冷热源能耗约占总能耗的一半左右, 是空调节能的主要内容。

1.1 采用冰蓄能系统

冰蓄冷技术是利用峰谷电价的差别将用电高峰时的空调负荷转移到电价较为便宜的夜间, 从而节约运行费用。

对于传统的冰蓄能系统, 主机所耗的总能量变化不大, 因而可节约运行费用但不节能;如采用再冷式冰蓄能系统则因采用了新型的冰剥离法, 而减少了剥离能耗, 既可节约运行费用又可节能。采用冰蓄能系统时具体的有下面几种方案可供选择。

1.1.1 全部蓄能系统

当电价在峰、谷时段里有差别时, 可将全部负荷转移到廉价电费的时间里运行。这种方式常用于改建工程, 它可利用原有的冷水机组, 只需加设蓄冷设备和有关的辅助装置, 这种方式也适用于需要瞬时大量释冷的特殊建筑物, 如体育馆建筑物等。

1.1.2 部分蓄能系统

冷水机组连续运行, 它在夜间用来制冷蓄能, 在白天利用蓄存的制冷量为建筑物提供制冷。将运行时数从1 4 h扩展到2 4h, 可以得到最低的平均负荷。需电量费用大大地减少, 而冷水机组的制冷能力也可减少5 0%~6 0%或者更多一些。在新建的建筑中, 这是最实用的、投资有效的负荷管理方案。有资料显示, 采用该系统节能可在25%~35%之间。

1.2 采用变风量系统, 以减少空气输送系统的能耗

全空气空调系统设计的基本要求, 是要确定向空调房间输送经过一定处理的空气数量, 用以吸收室内的余热和余湿, 从而维持室内所需要的温、湿度。当室内余热值发生变化而又需要使室内温度保持不变时, 可采用两种方法。

(1) 定风量:将送风量固定, 而改变送风温度。

(2) 变风量:将送风温度值固定, 而改变进风量。

考虑到现代化楼宇的空凋要求, 正从集中式控制向各个房间进行独立、个别控制的方面发展。变风量空调 (V A V) 控制系统可以克服定风量系统的诸多缺点, 它可以根据各个房间温度要求的不同进行独立温度控制, 通过改变送风量的办法, 来满足不同房间 (或区域) 对负荷变化的需要。同时, 采用变风量系统可以使空调系统输送的风量在建筑物中各个朝向的房间之间进行转移, 解决一天中同一时间各朝向房间的负荷并不都处于最大值的问题, 从而减少系统的总设计风量。这样, 空调设备的容量也可以减小, 既可节省设备费的投资, 也进一步降低了系统的运行能耗。有资料显示, 采用变风量系统可节省能源达到3 0%, 并可同时提高环境的舒适性。该系统最适合应用于楼层空间大而且房间多的建筑。尤其是办公楼, 更能发挥其操作简单、舒适、节能的效果。因此。变风量系统在运行中是一种节能的空调系统。

1.3 利用能量回收系统节能

压缩机工作过程中会排放大量的废热, 热量等于空调系统从空间吸收的总热量加压缩机电机的发热量。水冷机组通过冷却水塔, 风冷机组通过冷凝器风扇将这部分热量排放到大气环境中去。热回收技术利用这部分热量来获取热水, 实现废热利用的目的。热回收技术应用于水冷机组, 减少原冷凝器的热负荷, 使其热交换效率更高;应用风冷机组, 使其部分实现水冷化, 使其兼具有水冷机组高效率的特性;所以无论是水冷、风冷机组, 经过热回收改造后, 其工作效率都会显著提高。根据实际检测, 进行热回收改造后机组效率一般都是提高5%~1 5%。由于技术改造后负载减少, 机组故障减少, 寿命延长。目前该项技术广泛应用于活塞式、螺杆式冷水机组。

1.4 合理选择冷热源

在制冷机组的选用中。根据“提高电力在终端能源消耗中的比重, 降低煤炭在一次能源中的比重, 有效利用石油和天然气资源”的国家能源政策, 鼓励采用电制冷机组, 限制采用燃煤锅炉的产品。同时, 可积极发展太阳能空调与燃气空调 (直燃机) 、合理利用其他热源。

(1) 太阳能空调:建立在太阳能热水器应用的基础上的太阳能空调, 可充分利用夏天的太阳能, 具有很好的经济性。利用太阳能供冷与供热, 不仅可以节省电力和常规能源, 对环境保护尤其有重要意义。

(2) 燃气空调:燃气空调具有削减夏季电力高峰、填补夏季燃气低谷的益处, 1 9 9 6已成为我国中央空调市场的主导产品。

(3) 土壤热源的有效利用:目前我国南方地区空调系统主要用空气源热泵作为冷热源, 由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约, 夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高, 众所周知, 制冷系统冷却水进水温度的高低对主机耗电量有着重要影响, 一般推算, 在水量一定情况下, 进水温度提高1℃, 压缩机主机电耗约增加为2%, 溴化锂主机能耗提高约6%。为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前多采用的空气热源, 无疑将有广泛的应用前景和明显的节能效果。与地面上环境空气相比, 地下5米以下全年土壤温度稳定且约等于年平均温度, 可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从原理上讲, 土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。

土壤热源热泵的主要优点有:节能效果明显, 可比空气源热泵系统节能约2 0%;埋地换热器不需要除霜, 减少了冬季除霜的能耗;由于土壤具有较好的蓄热性能, 可与太阳能联用改善冬季运行条件;埋地换热器在地下静态的吸放热, 可减小空调系统对地面空气的热污染及噪音污染。

1.5 热电冷三联供 (CCHP) 系统

热电冷联供系统 (MCCHP) 以清洁的天然气为燃料, 有效结合了燃气内燃机、发电机和固体吸附式制冷机, 实现了能量的梯级利用。由于联供系统充分利用了热机做功过程产生的余热, 因此联供系统总比原动机的分供系统节能。这是一项较适合我国国情的、利国利民的系统工程, 但在我国尚处于研究和建设的初步阶段, 还有许多相关的政策的技术问题有待深入研究。

2 空调系统设计中的设备节能选配方案

2.1 离心式冷水机组的选择

在空调系统的设计中, 主张选用高能效制冷机, 但也反对盲目追求能效。实际采用方法应结合中国当前经济发展水平、考虑并满足中国气候和水质条件的要求, 选用高效离心式制冷机。

2.2 末端设备

国产风机盘管从总体水平看与国外同类产品相比差不多, 但与国外先进水平比较, 主要差距是耗电量、盘管重量和噪声方面。因此设计中一定注意选用重量轻、单位风机功率供冷 (热) 量大的机组。空调机组应该选用机组风机风量、风压匹配合理, 漏风量少, 空气输送系数大的机组。

2.3 冷冻水泵

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2 0%~2 5%;夏季供冷期间约占1 2%~2 4%, 因此水系统节能具有重要意义。

目前, 空调水系统存在着许多问题, 如以下几点。

(1) 选择水泵是按设计值查找水泵样本的铭牌参数确定, 而不是按水泵的特性曲线选定水泵号, 普片存在“大马拉小车”的现象。

(2) 本对每个水环路进行水力平衡计算。对压差相差悬殊的回路也未采取有效措施, 因此水力、热力失调现象严重。

(3) 大流量、小温差现象普遍存在, 设计中供、回水温差一般均取5℃, 但经实测夏季冷冻水系统供回水温差较好的为4℃, 较差的只有2℃~2.5℃, 造成实际水流量比设计水量大1.5倍以上, 使水系电耗大大增加。

水系统节能应从如下方面着手:设计人员应重视水系统设计, 认真进行水系统各环路的设计计算, 并采取相应措施保证各环路水力平衡。认真核对和计算空调水系统相关系数, 切实落实节能设计标准的要求值, 积极推广变频调速水泵, 冬、夏两用双速水泵等节能措施。

有资料表明, 空调水系统采用变流量运行具有很大的节能潜力, 变频器投资在1年至2年内即可收回。冷却水泵变速驱动和风机起停控制是两种较为有效的节能运行方式。

2.4 冷却塔

制冷系统冷却水进水温度的高低对主机耗电量有着重要影响, 一般推算, 在水量一定情况下, 进水温度升高1℃, 电压缩主机的电耗约增加2%, 溴化锂冷水机组能耗高6%。

目前国产玻璃钢冷却塔主要存在如下问题。

(1) 冷却效率低, 达不到产品样本规定的冷幅。

(2) 漂水严重, 它不仅污染环境, 而且浪费水源。

(3) 噪声大, 噪声影响周围居民生活的环境。

因此, 从节能角度看, 我们应尽量避免选用国产玻璃钢冷却塔为宜。

3 系统运行过程中的节能

3.1 加强中央空调的运行管理, 采用一定的计量方法

在空调能耗中, 有很大一部分是由于管理不善而引起的。各项调节和节能措施的实施, 亦与操作人员的技术素质直接相关。故应加强对空调操作人员的培训, 提高管理人员素质, 实行空调操作人员操作证制度。另外, 集中空调实行计量收费, 是建筑节能的一项基本措施。目前在欧美等国家热量计量已是成熟的技术, 据国外调查资料表明:实行集中空调计量收费后, 其节能率在8%~l 5%。我国在计量方面也已取得了一定的成就, 还有待进一步完善。

3.2 通过控制设备进行调节控制

随着用能计量收费体制的改革, 室内空调系统装配温控阀后整个空调系统如何正确配备控制设备是非常重要的。每一个有效节能的空调系统都应配置相应的调节控制设备, 如自力式流量控制阀、压差控制阀、温度控制阀等等。在控制模式上需根据建筑物的具体功能、气候条件、使用状况等灵活处理, 无统一的模式可循。如: (1) 年运行管理问题, 主要应考虑过渡季节的运行:室外新风的利用、新风量的确定等; (2) 日运行管理问题, 主要应考虑随室外温度的变化采取不同的日节能运行模式, 这可采用合理的自控系统及一定的手动调节装置来实现; (3) 建筑预冷预热时间的合理选择。建筑预冷预热时间的选择将直接影响冷热设备的大小, 从而影响初期投资。特别是对于大空间的体育场馆等蓄热量较大的建筑, 如何做到既不影响正常使用, 又能实现节能或节约投资, 预冷预热时间的合理选择是关键。

4 利用建筑构造实现节能

4.1 合理控制窗墙比

通过外窗的耗热量占建筑物总耗热量的3 5%~4 5%, 故在进行前期建筑设计时在保证室内采光的前提下, 合理确定窗墙比将十分重要。窗的构造应既能起控制日光照射的作用并要限制窗户墙体的面积比。对于窗户面积比较大的建筑物, 应考虑采用吸热玻璃、热反射玻璃或遮阳措施, 如遮阳板、屋檐、挑檐、挑阳台、百叶板、窗帘等。在室外温度较低的时候可以直接利用自然空气作为能源。所以窗的构造应能开启或在其上设置可以开启的自然通风口。

4.2 提高门窗的气密性

有资料表明, 房间换气次数由0.8 h-1降到0.5 h-1, 建筑物的耗冷可降低8%左右, 因此设计中应采用密闭性良好的门窗。加设密闭条是提高门窗气密性的重要手段之一。

4.3 外墙外保温建筑的推广应用

经过多年的实际应用, 证明采用该类保温系统的建筑, 无论是从建筑物外装饰效果还是居住的舒适程度, 是一项值得在全球范围内推广应用的节能新技术。

4.4“冷屋顶”节能

“冷屋顶” (cool roofs) 指具有高El级反射率的屋顶, 通过在普通屋顶表面涂上浅色的、高反射率的屋顶, 减少太阳热量的吸收, 从而达到减少空调冷负荷、节约空调能耗的目的。采用“冷屋顶”节能可使空调负荷减少约1 0%~5 0%。

节能和环保是实现可持续发展的关键。空调领域作为一用能大户, 其能耗已占总能耗的2 0%左右, 故节能意义十分巨大。而从可持续发展理论出发, 空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空调节能的关键, 这对于节约能源、降低运行费用、促进国民经济发展具有十分重要的意义。作为一个暖通专业的工作者, 在空调系统的设计、管理过程中, 均应将对节能降噪问题引起足够的重视, 在各个环节中均应积极地争取挽回所有可能挽回的能量。并将能源消耗作为衡量系统优劣的一项重要指标。

摘要：分析了影响空调系统能源消耗的关键因素, 并从系统的选择、设备的选配及系统的运行管理等方面提出了切实可行的空调节能方案, 对空调系统的设计及运行管理中的节能具有一定参考价值。

关键词：中央空调,冰蓄冷系统,节能,能耗