中央空调系统变流量节能研究

传统的暖通空调系统设计, 本质上是一种静态设计, 冗余现象极其普遍。空调设计的冗余大致出于二个原因:一种是静态设计带来的合理冗余。设计师按照当地气象资料的极端气候条件来确定每个房间的空调负荷峰值, 再根据全部峰值之和确定当地最大需求值和供能设备。显然, 实际运行中不会始终处于极端气象条件下这就产生了设计的冗余。另外, 运行过程中各空间的最大负荷并不会产生在同一瞬间, 在时间段上有一定的参差, 又形成了功能的冗余。这两种冗余是不可避免的, 或者说是合理的。但还有一种不合理的人为冗余, 由于对空调系统的设计和认识缺乏足够的实践, 虽然早在1 9 8 6年就颁布有《民用建筑节能设计标准》, 实际上大多“经验设计”只考虑冷、热的定性要求。不仅没有考虑“1”的“同时使用系数”。反而乘上几倍仅凭估计的“保险系数”。此外, 节能设计标准对运行管理部门还没有足够的约束力, 结果造成设计时加大保险系数, 运行时不考虑能耗, 这种不合理的冗余助长了空调能源的浪费。

1 中央空调系统模型

中央空调系统庞大且复杂, 要想实现系统动态运行节能, 必须对整个系统树立全局观念, 并采用动态分析方法。下面首先介绍一下有关系统的概念和性质。

系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机体。在任何一个系统中, 每一个构成系统的要素的特性都将对整体产生影响。

系统的性质: (1) 系统组成的层次性; (2系统是由各部分有机体相互联系而形成的一个整体; (3) 系统具有特定功能; (4) 系统与环境存在相互作用。

中央空调系统及其所服务的建筑物是一个相互作用的整体。要满足室内一定的舒适度要求, 中央空调系统必须不断调整本身的运行参数以适应环境的改变。

中央空调系统在某一时刻的冷负荷由冷水机组承担。究竟冷水机组投入运行几台, 或供冷量为多少, 需要根据控制策略来定。虽然优化控制对自动控制装置的要求较高, 控制也更复杂, 但优化控制最节省运行费用, 具体情况将在下面详细论述。

中央空调系统是一个非常复杂的系统系统的能耗由多个子系统多种设备的能耗共同构成, 整个系统的优化运行除了要考虑单个子系统的优化之外, 还要考虑整个系统与子系统间的协调匹配工作关系。

2 变流量节能控制思路

(1) 将定流量控制系统改为变流量控制系统。从传统的冷水机组供水定流量控制的方法, 改变成满足冷水机组运用工况的变流量控制, 这样就可以实现冷冻水系统跟踪末端负荷的变化, 末端需要多少冷量就供给多少冷量, 实现最佳的节能。同时, 冷却水系统和冷却塔风机系统也实现变流量运行, 节约大量的电能。

(2) 动态控制冷却水系统, 优化空调主机的运行工况。冷却水系统按照设置的进水温度和出水温度采用变流量运行方式。使冷却水系统动态跟踪冷水机组发热量的变化, 按照需要散发热量, 提高冷水机组的热交换效率, 控制空调冷水机组的C O P值使其处于较佳状态。

(3) 按照不同时段设置不同运行参数, 实现系统最佳节能。

3 变流量节能原理

3.1 制冷压缩机节能原理

冷水机组是中央空调系统在进行供冷运行时采用最多的冷源, 在大型中央空调系统中冷水机组侧耗电量约占整个系统耗电量的6 0%, 且冷水机组在设计和选型中均是以系统最大负荷为依据, 所以在中央空调系统动态运行中冷水机组的节能意义重大。

3.1.1 压缩式冷水机组

(1) 活塞式冷水机组大多数是多机头可以手动或者自动控制机组投入的数量实现冷量调节, 这种调节大多数都是步进式的。 (2) 螺杆式冷水机组具有能量调节机构, 可以实现能量在25%~10%范围内的无级调节, 有些型号的机组能量调节范围甚至高达15%~10%。 (3) 离心式冷水机组也具有能量调节机构, 有些型号的机组具有变频驱动装置, 始终保持最佳效率, 能量调节范围高达10%~15%。

3.1.2 吸收式冷水机组

直燃型浪化铿吸收式冷水机组是靠燃油或燃气来制冷或制热的, 它也有能量调节功能, 根据制冷 (热) 量的需求, 自动控制燃烧火焰为大火、小火或熄火状态, 从而到达节能的目的。

从目前国内己安装的中央空调节能系统来看, 对于各类空调主机都是采取优化运行工况, 从而达到节能。还未见加装变频器运行的冷水机组, 其主要原因是大功率变频器价格昂贵, 业主受经济条件限制, 不愿意在这方面进行投资。优化空调主机运行工况后, 压缩式冷水机组可以节约电能10%, 吸收式冷水机组可节省燃料10%~3 0%。这是十分可观的数据, 今后应该深入对空调主机节能机理再深入试验和研究。

3.2 冷冻水系统变流量节能原理

在一次泵变频调速控制系统中, 冷冻水供水受到最小流量的限制, 蒸发器设计中水流量有一定变化范围, 低于最小流量是不合适的, 冷水机组也将按其安全保护装置而停机。

因此, 在控制系统中将设置最小流量 (应大于机组最小流量的要求) 。当冷冻水供水流量过小时, 控制系统开启电动旁通阀, 加大空调主机的冷冻水供水量。旁通阀开度取决于控制系统检测和计算的数值, 这样就能保证空调主机的正常运行, 又能保证节约电能。

冷冻水变频调速控制系统中, 并联多台水泵时, 这些水泵采用相同型号和规格才是合适的, 不宜用不同型号和规格的水泵并联运行。这些水泵宜选取特性曲线较陡的, 对于压差控制较有利。

控制系统应设置冷冻水泵的最低频率和最高频率, 最低频率受水泵堵转频率和空调主机最小流量的限制, 一般设置在25Hz~30Hz之间;最高频率当然就是水泵电机的工作频率 (50Hz) , 通常设置在45Hz左右。当超过4 5 H z时, 就增加1台水泵并联运行。当多台水泵并联运行时, 控制系统宜将全部水泵在相同频率下运行。

3.3 冷却水系统变流量节能原理

冷却水系统能耗是中央空调系统总能耗的重要组成部分之一。在建筑中采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制, 具有显著的节能效益。

目前空调工程中大多数冷却水系统都保持常年定流量运行的状况。工程技术人员考虑冷却水系统的节能措施一般从以下两方面进行考虑:第一, 研究冷却塔的热湿交换, 提高其热湿交换效率, 从而减少冷却水泵和冷却塔风机运行能耗;第二, 对冷却塔风机或冷却水泵单独进行变频调速控制。当室外气象条件变化 (如干湿球温度降低) , 则改变风机运行状况 (减速或停转) , 从而达到节能运行的目的。但一直未从中央空调系统的角度对冷却塔风机和冷却水泵变频调速节能运行作有益的理论探讨和实践尝试, 大部分工程技术人员认为若让冷却水泵变流量运行, 则与蒸发器、冷凝器要求定流量下工作的原则相违背。=导致冷水机组制冷量的变化, 偏离设计工况运行, 将引起冷水机组压缩机运行工况不稳定, 对压缩机损耗较大, 缩短冷水机组使用寿命。另一种观点则认为, 若冷却水泵变流量运行减少冷却水流量时, 将降低冷凝器的换热效率, 可能会导致冷水机组效率下降, 结果得不偿失。

摘要：本文基于笔者多年从事中央空调节能方面的相关研究经验, 以中央空调系统变流量节能为研究对象, 深度探讨了变流量节能的原理, 论文首先分析了中央空调系统的模型, 而后探讨了变流量节能控制的思路, 最后从三个层面探讨了节能的原理, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：中央空调,变流量,节能,原理