空調(diào)知識(shí)：中央空調(diào)節(jié)能措施

• 發(fā)布時(shí)間：2017-10-25

中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑中不可缺少的能耗運(yùn)行系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)在給人們提供舒適的生活和工作環(huán)境的同時(shí)，又消耗掉了大量的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國建筑物能耗約占能源總消耗量的30%。在有中央空調(diào)的建筑物中，中央空調(diào)的能耗約占總能耗的70%，而且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此，如何高效利用中央空調(diào)系統(tǒng)的能源和節(jié)能就成為迫切需要解決的問題。

正常運(yùn)行的中央空調(diào)系統(tǒng)，其耗能主要有兩個(gè)方面[1]：一方面是為了供給空氣處理設(shè)備冷量和熱量的冷熱源耗能;另一方面是為了輸送空氣和水，風(fēng)機(jī)和水泵克服流動(dòng)阻力所需的動(dòng)力耗能。中央空調(diào)系統(tǒng)的耗能量受很多因素影響，許多運(yùn)行環(huán)節(jié)都有節(jié)能措施，因此，中央空調(diào)節(jié)能是一項(xiàng)綜合性的工程。以下就冷熱源耗能和動(dòng)力耗能兩方面介紹幾種常用的節(jié)能措施。

1、冷熱源耗能節(jié)能措施

1.1溫濕度控制

從中央空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程可以看出，夏季室內(nèi)溫度越低、相對(duì)濕度愈低，系統(tǒng)設(shè)備耗能愈大;冬季室內(nèi)溫度越高、相對(duì)濕度愈高，系統(tǒng)設(shè)備耗能愈大，相應(yīng)地初投資和運(yùn)行費(fèi)用也隨之增大。

由于每個(gè)人對(duì)舒適感的要求標(biāo)準(zhǔn)差別很大，故對(duì)民用中央空調(diào)可有一個(gè)范圍較寬的舒適區(qū)。在該舒適區(qū)范圍內(nèi)，夏季降溫時(shí)，取較高的溫濕度值;冬季采暖時(shí)，取較低的溫濕度值，可獲得一定的節(jié)能效果。建筑內(nèi)溫濕度的變化與建筑節(jié)能有著緊密的相關(guān)性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料表明，如果在夏季將設(shè)定值溫度下調(diào)1℃，將增加9%的能耗;如果在冬季將設(shè)定值溫度上調(diào)1℃，將增加12%的能耗。因此將建筑內(nèi)溫濕度控制在設(shè)定值精度范圍內(nèi)是大樓中央空調(diào)節(jié)能的有效措施。

為降低能耗，空調(diào)房間室內(nèi)溫濕度基數(shù)，在滿足生產(chǎn)需要和人體健康的情況下，夏季盡可能提高，冬季應(yīng)盡可能降低?，F(xiàn)在有些業(yè)主盲目追求“夠冷”境界，大幅度提高室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這樣做，不僅無謂地浪費(fèi)大量能源，而且還會(huì)產(chǎn)生舒適感的負(fù)面效應(yīng)。

空調(diào)系統(tǒng)溫濕度控制精度越高，舒適性越好，同時(shí)節(jié)能效果也越明顯。而空調(diào)系統(tǒng)前端所測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確性直接影響到中央空調(diào)系統(tǒng)的精確控制程度。所以，所測(cè)信號(hào)，尤其是溫濕度這樣的模擬信號(hào)，必須盡可能準(zhǔn)確。

還有，一定要選用高控制精度的BAS對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行控制。因?yàn)?，BAS采用DDC（直接數(shù)字控制器）直接控制電動(dòng)水閥閥門的開度，而無須中間調(diào)節(jié)器;另外，DDC內(nèi)含有豐富的計(jì)算控制軟件，如比例積分微分（PID）算法、模糊控制算法、遺傳算法等，來保證控制的精確度。

1.2冷源效率控制

評(píng)價(jià)冷源制冷效率的性能指標(biāo)是制冷系數(shù)（COP，Coefficient Of Performance ）。制冷系數(shù)指單位功耗所能獲得的冷量。制冷系數(shù)與制冷劑的性質(zhì)無關(guān)，僅取決于被冷卻物的溫度T0和冷卻劑溫度Tk， T0越高，Tk越低，制冷系數(shù)越高。所以空調(diào)系統(tǒng)冷機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中不要使冷凍水溫度太低、冷卻水溫度太高，否則制冷系數(shù)就會(huì)較低，產(chǎn)生單位冷量所需消耗的功量多，耗電量高，增加建筑的能耗。提高冷源效率可采取以下措施：

1）降低冷卻水溫度

由于冷卻水溫度越低，冷機(jī)的制冷系數(shù)就越高。冷卻水的供水溫度每上升1℃，冷機(jī)的COP下降近4%。降低冷卻水溫度就需要加強(qiáng)冷卻塔的運(yùn)行管理。首先，對(duì)于停止運(yùn)行的冷卻塔，其進(jìn)出水管的閥門應(yīng)該關(guān)閉。否則，因?yàn)閬碜酝ｉ_的冷卻塔的水溫度較高，混合后的冷卻水水溫就會(huì)提高，冷機(jī)的制冷系數(shù)就減低了。其次，冷卻塔使用一段時(shí)間后，應(yīng)及時(shí)檢修，否則冷卻塔的效率會(huì)下降，不能充分地為冷卻水降溫。

2）提高冷凍水溫度

由于冷凍水溫度越高，冷機(jī)的制冷效率就越高。冷凍水供水溫度提高1℃，冷機(jī)的制冷系數(shù)可提高3%，所以在日常運(yùn)行中不要盲目降低冷凍水溫度。首先，不要設(shè)置過低的冷機(jī)冷凍水設(shè)定溫度。其次，一定要關(guān)閉停止運(yùn)行的冷機(jī)的水閥，防止部分冷凍水走旁通管路，否則，經(jīng)過運(yùn)行中的冷機(jī)的水量就會(huì)減少，導(dǎo)致冷凍水的溫度被冷機(jī)降到過低的水平。

2、動(dòng)力耗能節(jié)能措施

2.1輸送耗能控制

動(dòng)力耗能主要是指系統(tǒng)運(yùn)行中風(fēng)機(jī)和水泵所消耗的電能。從風(fēng)機(jī)和水泵的輸入功率計(jì)算公式：

（1） （W）:輸入功率; ：體積流量; ：壓頭; η：效率

由公式（1）可知，要減少功耗可以從以下三個(gè)方面來考慮：減少流量、降低系統(tǒng)阻力和提高風(fēng)機(jī)、水泵的效率。在工程實(shí)踐中可采用以下措施：

1）采用大溫差

如果系統(tǒng)中輸送冷熱能用的水（或空氣）的供回水（或送回風(fēng)）溫差采用較大值，那么當(dāng)它與原有溫差的比值為m，從流量計(jì)算公式知道，采用大溫差時(shí)的流量降為原來流量的1/m3 。這時(shí)，水泵或風(fēng)機(jī)要求的功率將減小到原來的1/m3 ?？梢?，加大溫差的節(jié)能效果是明顯的。

在滿足中央空調(diào)精度、人員舒適和工藝要求的前提下，應(yīng)盡可能加大送風(fēng)溫差。要注意的是：供、回水的溫度差不宜大于8℃。

2）選用低流速

因?yàn)樗煤惋L(fēng)機(jī)要求的功耗大致與管路系統(tǒng)中的流速成正比關(guān)系，因此，要取得節(jié)能的運(yùn)行效果，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)不要采用高流速。此外，干管中采用低流速還有利于系統(tǒng)的水力工況穩(wěn)定性。例如：改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以改變風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，風(fēng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系，而流量與轉(zhuǎn)速成一次方的關(guān)系，降低轉(zhuǎn)速以降低流量的同時(shí)可以大幅度降低能耗。當(dāng)流量減少1/3時(shí)，能耗可減少約70.4%，當(dāng)流量減少1/2時(shí)，能耗可減少約87.5%，且風(fēng)機(jī)的效率基本不變，仍可穩(wěn)定高效地工作。

3）采用輸送效率高的載能介質(zhì)

一般情況下，用水輸送冷熱能的耗能量比用空氣輸送的要小，并且輸送相同冷熱能所用水管的管徑要比風(fēng)管小得多，所占用的建筑物空間也相應(yīng)小很多。這也是近年來中央空調(diào)方式發(fā)展迅速的主要原因之一。

因此，對(duì)于集中冷凍方式，原則上應(yīng)該把機(jī)房設(shè)備制備的冷凍水盡量輸送到各中央空調(diào)分區(qū)的附近或使用點(diǎn)上，通過末端非獨(dú)立式中央空調(diào)機(jī)組（如柜式空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管）處理空氣，就地或供附近房間使用。

2.2變風(fēng)量系統(tǒng)控制

變風(fēng)量系統(tǒng)就是針對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)耗電缺點(diǎn)的節(jié)能對(duì)策。變風(fēng)量系統(tǒng)可分為兩種：一種為AHU風(fēng)管系統(tǒng)中的空調(diào)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)（AHU—VAV系統(tǒng)）;一種為FCU系統(tǒng)中的室內(nèi)風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)（FCU-VAV系統(tǒng)）。AHU-VAV系統(tǒng)是在全風(fēng)管系統(tǒng)中將送風(fēng)溫度固定，而以調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的方式來應(yīng)付室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的變動(dòng)。FCU-VAV系統(tǒng)則是將冷水供應(yīng)量固定，而在室內(nèi)FCU加裝無段變功率控制器改變送風(fēng)量，亦即改變FCU的熱交換率來調(diào)節(jié)室內(nèi)負(fù)荷變動(dòng)。這兩種方式通過風(fēng)量的調(diào)整來減少送風(fēng)機(jī)的耗電量，同時(shí)也可增加熱源機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)效率而節(jié)約熱源耗電，因此可在送風(fēng)及熱源兩方面同時(shí)獲得節(jié)能效果。

送入室內(nèi)的冷量可按下式確定：

（2）

式中：C為空氣的比熱容，KJ/（Kg·℃）;ρ為空氣密度，Kg/m3;L為送風(fēng)量，m3/S;tn為室內(nèi)溫度，℃ ;ts為送風(fēng)溫度，℃;Q為吸收（或放入）室內(nèi)的熱量，KW。

如果把送風(fēng)溫度設(shè)為常數(shù)，改變送風(fēng)量L，也可得到不同的Q值，以維持室溫不變。變風(fēng)量控制可采用根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)量的送風(fēng)裝置。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷減少時(shí)，它可保持送風(fēng)參數(shù)不變（不需再熱），通過自動(dòng)減少風(fēng)量來保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。這樣，不僅可節(jié)約定風(fēng)量系統(tǒng)為提高送風(fēng)溫度所需的再熱量，而且還由于處理的風(fēng)量減少，可降低風(fēng)機(jī)功率電耗及制冷機(jī)的冷量。據(jù)多種資料介紹，變風(fēng)量較之定風(fēng)量方式一般情況下節(jié)能可達(dá)30%～50%。

2.3變頻控制

大部分建筑物一年中只有幾十天時(shí)間中央空調(diào)處于最大負(fù)荷。中央空調(diào)冷負(fù)荷始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，如每天早晚、氣候情況、客流量、活動(dòng)內(nèi)容等各種因素的變化，實(shí)時(shí)影響中央空調(diào)冷負(fù)荷。一般，冷負(fù)荷在5～60%范圍內(nèi)波動(dòng)，大多數(shù)建筑物每年至少70%是處于這種情況。而大多數(shù)中央空調(diào)，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)多數(shù)以最大冷負(fù)荷為最大功率驅(qū)動(dòng)。這樣，造成實(shí)際需要冷負(fù)荷與最大功率輸出之間的矛盾，造成了巨大的能源浪費(fèi)。采用變頻控制的方式，可解決此矛盾。

1） 風(fēng)機(jī)水泵類變頻控制

因?yàn)檫^去交流電機(jī)本身不調(diào)速，中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)空氣和水流量的控制不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)，許多電能被白白浪費(fèi)在擋板和閥門上。如果對(duì)風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，把浪費(fèi)在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺(tái)水泵平均節(jié)能效果就很可觀。

對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵來說，根據(jù)流體力學(xué)原理，在相似工況下運(yùn)行時(shí)的參數(shù)存在以下關(guān)系[2]：

（3）

其中：Q1、H1、N1、n1 ：分別為轉(zhuǎn)速改變前的流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速;

Q2、H2、N2、n2 ：分別為轉(zhuǎn)速改變后的流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速。

由公式（3）可知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，消耗的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。對(duì)于變頻調(diào)速來說，轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比，當(dāng)電源頻率f降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也降低，所需的功率就隨轉(zhuǎn)速的三次方迅速降低，可見，節(jié)能效果十分顯著。以風(fēng)機(jī)為例，如所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率降51.2%;當(dāng)所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時(shí)，而軸功率降12.5%。這種節(jié)電效果也非?？捎^。實(shí)際證明，風(fēng)機(jī)水泵類變頻控制節(jié)能40%～50%。

2） 冷水機(jī)組變頻控制

由于壓縮機(jī)不排除在滿負(fù)載狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，只能按需求來決定電動(dòng)機(jī)的容量，故設(shè)計(jì)裕量一般偏大。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占的比例是非常高的。采用變頻控制對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的控制，讓冷凍機(jī)組始終處于（合理）的運(yùn)行狀態(tài)。變頻控制提高了空調(diào)器的效率，改善了冷凍機(jī)組的運(yùn)行效果，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

變頻壓縮機(jī)的原理是通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的單位時(shí)間內(nèi)的排氣量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的。制冷量和壓縮機(jī)頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

（4）

式中，n為轉(zhuǎn)速，f為電機(jī)的頻率，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，λ為泄漏系數(shù)，Ps為吸氣壓力，vh為吸氣容積，ni為多變指數(shù)，εi為壓比（排氣/吸氣），δ0為相對(duì)壓力損失系數(shù)，Zs、Zd為實(shí)際氣體壓縮性系數(shù)，為平均能效比。

由公式（4）可知，制冷量與頻率成正比關(guān)系，所以采用變頻調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的控制，從而可達(dá)到節(jié)能效果。

有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門開度和改變?nèi)~片角度），即使在需求量較小的情況下，也不能減少電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。采用了變頻調(diào)速后，在需求量較小時(shí)，可降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。實(shí)際證明，冷水機(jī)組變頻控制可節(jié)能20%～30%。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源耗能和動(dòng)力耗能方面采用有效的節(jié)能措施，使系統(tǒng)的調(diào)整和控制更準(zhǔn)確，能源的消耗更合理，運(yùn)行和管理的費(fèi)用更節(jié)省。這是中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能、高回報(bào)率的具體體現(xiàn)，也是空調(diào)工程設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。