浅谈商用中央空调系统节能改造措施及其应用实例

1、    浅谈商用中央空调系统节能改造措施及其应用实例    江海明摘要： 中央空调系统节能的机会和措施是多方面的。如果能将节能思想贯穿于中央空调系统设计、选型与运行的始终，将会收到明显的节能效果，从而带来巨大的经济效益和社会效益。关键字：节能设计选型效益中央空调系统是由一系列驱动流体流动的运动设备(如水泵、风机及压缩机)、各种型式的热交换器(如风机盘管、蒸发器、冷凝器及中间热交换器等)及连接各种装置的管道(如风管、水管及冷媒管)和阀件所组成。系统一般可分下列五个循环 ：（1）室内空气循环（2）冷水循环（3）冷媒循环（4）冷却水循环（5）室外空气循环一、一

2、般的节能措施因为中央空调系统是为空调建筑服务的。要实现中央空调系统的节能，首先应设计合理，而合理的设计首先从建筑节能做起、要从总体效率的角度进行设备选型和系统配置、要设置优化的运行参数、要有系统经济运行和技术管理的明确指引。中央空调系统的节能大体上分为以下两方面：一方面是设计时要考虑减少空调建筑的热负荷。因为室内的热负荷一是来自于室内外温差而引起的热量交换，二是来自于室内照明和设备产生的热负荷。设计时采取遮阳、气密、绝热、控制窗墙比、控制新风和回风的比例、使用节能光源等措施，可减少空调建筑的热负荷。由于空调建筑在夏季依靠制冷机将室内的热负荷移到室外。减少了室内的热负荷，就减少制冷机的运行时间，

3、中央空调系统的能耗也相应随之减少。另一方面是设计时要考虑系统总体的效率。其一是在同样制冷容量的条件上，配置多台压缩机的冷水机组比单台压缩机具有明显节能效果。因为这样的机组在部分负荷时仍有较高的效率，而且，机组起动时可以实现顺序起动各台压缩机，对电网的冲击小，能量损失小。此外，可以任意改变各台压缩机的起动顺序， 使各台压缩机的磨损均衡，延长使用寿命。但台数不宜过多，冷水机组台数宜选用23台，制冷量较大时亦不应超过4台，单机制冷量的大小应合理搭配。其二是合理选择主机容量。为了安全起见，绝大部分的冷水主机配置容量要比实际尖峰热负载大20%以上。但是，实际尖峰热负载在全年出现的频率相当低，全年平均的热

4、负载大约是尖峰热负载的(6070)%，使得全年平均的热负载只有冷水主机容量的(5060)%，造成冷水主机大部分时间都在低负载下运转。冷水主机负载率在60%以下运转，效率不佳。因此，主机容量不应选择过大。其三是合理选择制冷方式。有余热(如蒸汽、热水和窑炉排放热等)可供利用的地方，应优先选用溴化锂吸收式冷水机组作为空调系统的冷源。其四是系统的新风量和回风量的比例可以根据季节和使用需求实现无级调节。其五是配置优化的节能设备。由于设计制造技术的提高，近年来新上市的冷水主机的耗电率比20年前所生产的冷水主机降低约35%左右，因此在适当时候将效率低的旧冷水主机换成高效率的主机是一种明智的选择。（曾经有一个

5、商业用户，为了解决冷水主机的能效比问题，将一台已经运转了十几年的350rt旧式冷水主机，换成可满足尖峰需求的300rt的新冷媒冷水主机，结合一些管理上和技术上的节能措施，在不改变使用效果的前提下，不到三年就可以回收设备改造所投入的资金）其六是对空调系统经济运行和技术管理要有明确的指引，从运行调节和维护中实现节能。措施如下：1、定期检查和改善围护结构、设备、水和空气输送系统的保温性能。2、在满足生产工艺和舒适性的条件下，合理降低建筑物空调的温、湿度标准，适当增大送回风温差和供回水温差。3、定期检查和维修水、空气输送系统，减少系统的泄漏。4、定期维修、校核自动控制装置及监测计量仪表。5、加强对空调

6、水系统的水质管理。6、建立运行管理、维护、检修等规章制度和运行日志和设备的技术档案，管理和操作人员要经过培训，考核合格后才能上岗，主管设备的负责人定期深入现场，监督检查有关规章制度的执行情况。其七是设计时要考虑设置优化的运行参数。具体如下：1、控制室内温、湿度从节能角度出发来确定室内温、湿度标准是节能的重要因素之一。在保证生产工艺与人体健康的条件下，夏季室温每提高1，约可减少热负荷11.2%。在夏季如将室内空气湿度由60%提高到70%，则可节约能量17%左右。据资料测算，仅仅将夏季室温提高1，就可使空调工程投资总额降低约6%，运行费用减小8%左右。美国国家标准局认为将夏季室温从24提高26.7

7、，可节能15%。2、控制新风量新风负荷占空调总负荷的20%30%，对其标准值高低的取舍，与节能关系重大，不可忽视。引进新风主要是为了满足人员的卫生需求及部分工艺空调所需维持的室内外压差。而新风量的多少直接影响空调的负载，从而影响空调系统的风机、冷水泵、压缩机、冷却水泵、冷却塔风扇的耗电。一般设计是以人员最多及活动最激烈的情况来决定新风量。但实际使用时却几乎不需要使用这么大的新风量，从而造成在绝大部分的空调时段都在耗能的状况下运转，较有效的方法是以室内空气中二氧化碳含量来控制新风量。3、控制冷冻水的供、回水温差一般空调水系统的输配用电，在夏季供冷期间约占整个建筑动力用电的1224，因此水系统节能

8、具有重要意义。目前，大流量、小温差现象普遍存在，比较合理的设计，其供、回水温差一般均取5。调查测试一些高层宾馆、饭店空调水系统的资料数据表明，夏季冷冻水系统供回水温差较好的为3-4，较差的只有 11.5，造成实际水流量比需要的水量大，使水系统电耗大大增加。4、控制冷却水入口温度和其循环量根据经验数据，冷却水入口温度每降低1可节电1.52.0%。冷却水入口温度应在符合冷水主机特性及室外气温、湿球温度的限制下尽可能地降低，以节约冷水主机的耗电。在较低的冷却水温时冷水主机耗电降低，但冷却水塔耗电则相应升高，两者耗电之和应选择一个最佳运转效率点。冷却水塔应与冷水主机的运转一起考虑，才能使系统整个效率提

9、高。要达到最佳化控制，冷却水设定温度应随室外气温、湿球温度而变。减少冷却水循环量，可以降低冷却水泵耗电量。若能配合冷水主机与冷却水塔选择较大温差的设计时，水流量即可降低，从而减少冷却水泵的初装费用和运转费用。5、控制冷却塔风机在大多数的设计中，一台冷水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冷却风机耗电量。当水处理量大于300 m3/h以上时，应考虑选多风机型的方形冷却塔，因为多风机型冷却塔，在使用时，其冷却风机的数量既可随着处理水量的增大而增加，还可随着夏季室外湿球温度

10、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。7、运行时间的调节歌舞厅、酒吧等消夏娱乐场所的经营时间通常仅为晚场营业，时间约1922时。营业前24h将空调系统投入运转，有条件的用户可利用围护结构的蓄冷能力使厅内的温度慢慢下降至设计温度的下限值或略低于该值。这样当营业后室内热负荷逐渐增加形成峰值时，空调设备仍能在低于峰值负荷下正常运行，达到了“预冷”降低空调设备容量的目的，大约相当于减少了设计冷负荷的25%。8、适当地调整冷水主机的设定温度在夏季中央空调主机用电量可达酒店用电总量55%以上。适当地调整冷水主机的设定温度可收到较好的节能效果。冷水温度越高，则主机耗电率越低。每提高1，

11、节电约3%。在调高冷水设定温度时，需符合负荷端的温度要求。调高冷水的设定温度有两种方法：一是冷水温度随室外气温设置；二是冷水温度随热负载设置。二、新型的节能措施要使中央空调系统任何时候都工作在最合理的经济运行范围内，除了设计和硬件设施的配置合理、运营管理措施到位以外，必须通过智能化的节能管理控制模式优化系统运行参数，实现最大化的节能。历年来，人们在空调节能改造方面作过很多尝试，单纯采用的变频器和pid调节器组合，各自单独变流量控制水系统、冷却水系统和变风量控制排风系统，甚至采取冷却水热回收、排风热回收等措施，都是曾经非常流行的节能方式，虽然可以减少各子系统的能耗，但只能从局部去解决问题，没有全

12、面采集影响空调系统运行的各种参数，按系统最优化的原则运行，也无法改变主机热转换的效率，其节能效率必然受到较大的局限。实际上，系统在运行过程中，随着系统负荷的变化，必然导致整个系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数，导致主机热转换效率降低，这一直是传统中央空调系统运行方式无法解决的一大难题。只有任何时候都保持着合理优化运行参数，才能做到最大限度地提高中央空调的效率。目前，在不更换主要设备的前提下，比较成功节能实例是采用智能化的中央空调节能控制系统。所谓智能化的中央空调节能控制系统是根据实际情况和经验数据在控制器中建立知识库、模糊控制模型和模糊运算规则，形成智能模糊控制。通过传感系统将全面采集到影

13、响空调系统运行的各种参数，反馈到系统控制中心，经过知识库、模糊控制、进行系统寻优、参数重设等，以系统最优的原则，经智能模糊运算，得出相应的全面控制参数，通过控制变频器、电动阀门，仪表等元器件，控制冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔系统、电动阀、多台主机启停、甚至侵入到主机调节冷媒流量等，做到既可监又能控，从而改变空调系统循环流体的流量和温度等运行参数，以保证整个系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，使空调主机、水泵等设备始终处于最优化的工作点上，从而提高系统能源利用率，实现了中央空调系统在运行中的高效节能和安全舒适。知识库的数据设置得越细，控制精度越高。不仅对中央空调各部分进行全面控制，而且通

14、过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上相互连在一起，实现它们之间的信息综合、资源共享，实现中央空调全系统综合性能优化和协调运行。具体措施如下：1、加入主机自动控制系统。根据空调末端负载变化而自动调整主机的启停台数和大小机运行的负载率。使得主机的运行台数和运行负载率随着负荷的变化而变化，始终使每台制冷主机运行在最佳cop 的负载率状态下，既减少主机的能耗，又大大延长主机使用寿命、减少维护成本。2、设置能源监测管理系统。通过全面采集中央空调的各种运行参量，利用先进的变温差模糊控制技术对这些相互关联、相互影响的运行参量进行动态优化控制，以满足中央空调系统非线性和时变性的要求，使空调主

15、机始终运行在最佳工况，以保持最高的热转换效率，以最佳工况减少主机的总体能耗。3、改造空调循环水系统。由于中央空调系统是一种多参量非常复杂的一个系统，即当气温、末端负荷发生改变时，水系统温度、温差、压力、压差、流量等均会发生改变，单纯的pid 调节根本满足不了要求，在水路管网系统按原来方式运行不加以改动的前提下，采用变温差变流量模糊控制技术，按实际流量需求自动调节水泵转速，可大幅度降低水系统能耗，实现最佳节能控制。根据轴功率与转速的三次方成正比的关系，在不改变空调使用效果的前提下，水泵电机转速若降低10%，其轴功率就减少27.1%，电机转速若降低20%，其轴功率就减少48.8%，许多成功的案例证

16、明，经改造后的的空调系统，冷冻水泵和冷却水泵通常都在38hz42hz之间运行，即使扣除变频器本身4%6%的功耗，该子系统至少可节电20%40%，尤其是冷冻水系统，由于系统需求变化幅较大，年平均节电率可达40%以上，若是原设计留有较大富余量的系统，则其节能效果将会更加显著。4、水循环系统的改造包括以下三个方面：（1） 改造冷冻水循环系统根据具体使用情况及设计要求，在冷冻站设置一套冷冻水系统智能节能系统。通过该系统可实现冷冻泵根据系统需要自动/手动运行，及互为备用运行。冷冻水控制系统的节能改造是由冷冻水流量计、冷冻水供回水压差传感器、温度传感器、智能模糊控制器和变频器组成。通过此系统，可把冷冻水供

17、回水温度控制在适当范围内，使冷冻水泵的转速相应于负荷的变化而变化，同时在系统部分负荷运行状态可以优化制冷主机的运行工况。随着季节和早晚的温度变化，冷冻水系统可达到30-60%的节能效果。如果设置了二级泵的系统，应将二级泵的控制器和变频器连同一次泵系统一起纳入到整体节能管理系统中优化控制管理。并且，一级泵和二次泵的流量变化要做到动态同步跟随，这样实现的整个水系统的整体节能就能达到一个比较好的效果，并且更加强化了对主机的安全保护和优化了主机的运行状态。(2)改造冷却水循环系统根据具体使用情况及设计要求，在冷冻站设置一套冷却水系统智能节能系统。通过该系统可实现冷却泵根据系统需要自动/手动运行，及互为

18、备用运行。冷却水智能节能系统，采用冷却水流量、温度传感器、智能模糊控制器和变频器组成控制系统。通过此系统，可把冷却水温差控制在适当范围内，使冷却水泵的转速相应于中央空调系统散热量的变化而变化，使系统在满足空调主机最优工况的条件下，随着季节和早晚的温度变化，冷却水系统可达到3050%的节能效果。(3)改造冷却塔系统中央空调系统中的冷却塔系统，结合空调主机运行的实际情况，冷却塔系统在控制上实现与机组开启关停联动,并可根据供回水温度自动调整启停台数，如果是设置多台散热风机的方形冷却塔，还可以进一步细化到调节散热风机的开启数量，从而实现和主机循环水系统的自动控制功能，并且优化运行参数，可实现冷却塔系统的10%以上的节能效果。由此可见，控制空调水循环系统的运行参数是节能改造的重要环节。在智能化的中央空调节能系统的监控下，因负荷的波动使制冷主机偏离最佳工况时，控制系统通过改变循环水的运行参数，同时也改变制冷主机的能效比，除了水系统本身的节能以外，制冷主机也因