中央空调系统节能之机会与措施

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作者：邹同华 杜建通 申江 郇中杰

, j7 W# W) J& R. a' y' g( T  F【摘要】综述了中央空调系统节能的诸多机会与措施，指出节能观念应贯穿于中央空调系统设计、选型和运行的始终，以达到最大限度地节能。
& L; a( ?, F9 N' v+ s9 k8 h    1、中央空调系统的组成
    中央空调系统是由一系列驱动流体流动的动件(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。中央空调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。总体说来，构成中央空调系统的元件主要是热交换器和流体机械两种。热交换器是作为高低温两种工作流体能量交换的设备。当任何一组热交换器效果不好时，会增加系统耗电率(kW/RT)，不是系统耗电量增加，就是冷冻能力下降。而流体机械则是推动工作流体循环的动力泵，其耗电量W=QHhr/η。耗电量的多少决定于运转时数h，输送的工作流体流量Q，工作流体循环所需要的扬程H以及效率η，减少其中任何一项，都可达到节能的目的。
. \+ F2 B1 A# }7 ]% |    2、中央空调系统节能的机会与措施
    2.1选取合理的设计参数
    2.1.1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。空调系统耗能大小除与当地室外气象参数、建筑物的外围护结构及室内发热散湿量有关外，室内设计温、湿度标准也是直接影响负荷大小的重要因素。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%［1］，其节省的冷、热负荷是极为可观的。同样，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［2］。
    2.1.2新风量新风负荷占空调总负荷的20%～40%［2］，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。
6 ~! J. ]# C6 E* }+ h    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。
    2.2设计合理的围护结构与照明
    2.2.1外围结构增设外墙及屋顶的保温层对冬、夏两季节能有利；减少窗、墙面积比，对减少夏季冷负荷有较好的效果，对南方有利，但对北方建筑减少冬季能耗有可能不利；增加外遮阳对夏季冷负荷或供冷量减少十分有利，但在冬季，由于阳光辐射量减少，有可能导致冬季采暖能耗有较大的增加。对于这些冬夏季节互为矛盾的措施，设计中应特别予以研究和考虑；此外建筑物朝向也是设计时应考虑的问题。
    2.2.2窗在建筑节能中，窗的节能是十分重要的，据统计，在全部建筑物散失的热量中，通过窗散失的热量占(25～70)%。在窗的设计中要满足的条件是：(1)室内足够的采光要求；(2)绝热性，即冬天使热量不散失到户外，夏天又不使太多的阳光辐射吸收到屋内；(3)建筑物的美观；(4)通风功能。窗的设计和发展经历了单层窗时期、双层玻璃阶段和镀膜玻璃阶段。目前最先进的节能窗是超级节能窗，虽然超级节能窗比普通窗的价格高(20～50)%，但以节能计算，它的回收期只有2～4年［3］。
6 m! u, @8 i! s! v% X    2.2.3照明在我国，照明用电量已占总用量的10%以上［4］，照明用电往往直接转化为空调冷负荷。对于空调面积大、照明容量大的地方，应采用照明与空调的组合系统。采用空调组合灯具，不仅能够改善照明装置的工作条件，而且可以减少空调负荷。
    2.3选择合适的空调方式
    2.3.1变风量方式选取切合实际的空调方式是节能的必要途径。为了达到节能的目的，对于不同性质和用途的建筑物，必须采用不同的空调方式，同时还应讲究系统的小型化，使用灵活，便于管理，有利于节能。特别要注意建筑物朝向、位置的不同，其冷、热负荷变化差别很大，应采用不同的空调方式与系统，在诸多空调系统中，变风量系统最为节能。根据粗略测定，当风量是满负荷设计风量的50%时，运行电流约减少26.5%［2］，因而全年的送风动力比定风量方式小得多，加上没有冷、热抵消，节能效果明显。
, w! N9 q2 o8 x2 ^2 H6 _    2.3.2热源热泵空调方式热回收式闭路水源热泵空调方式是室内机组、冷却塔和热水器等全套装置，通过一个水系统加以组合，用同一个系统按照不同房间的不同要求分别供冷或供热。这种以水为热源的热泵空调方式有三个优点：(1)能进行热回收，可根据需要开停机组，有利于节省能源；(2)可单独控制室温；(3)机组自带制冷机和利用热回收运行，不需集中机房和大型锅炉装置，可节省机房面积和节约投资。对于南方某些较暖地区的中等规模的写字楼和底层是商场、小餐厅等发热量较大的公共场所，而高层是写字楼、公寓等的建筑物非常适合。厦门汀州大厦采用这种有热回收装置的系统收到很好的节能效果［5］。
    2.3.3喷口侧送风方式喷口侧送风是体育馆的比赛大厅最广泛采用的一种送风方式，其特点是射程长，由于送风射流在喷射过程中，将不断混入周围空气，使流量增加了3～5倍，送风温差可采用8～12℃，同时在气流流经观众席过程中，又与室内空气混合，使流量增加到送风量的5～6倍，并不断将室内余热从座位下的回风口带走，因此，无论从消除室内余热量还是保持应有的风速来看，喷口侧送的送风量比上送风可减少(25～30)%［5］，因此是较节能的一种送风方式。
    2.3.4下送上回方式下送上回方式是一种节能的气流组织形式，用于体育馆空调时，由于每个座椅只送新风，诱导室内空气与其充分混合，将室内余热量从建筑物上部排走，避免了灯光和屋顶等空调负荷带入观众区和比赛区，使空调负荷大为减小，空气处理设备亦相应减小，据国外资料介绍，夏季可节省冷负荷26%以上［5］。
    2.3.5卫生间排气系统从竖井内引出一小管在卫生间顶部设置排风口，竖井按分区用管道连接起来，每分区用一台通风机进行分区排气。这种方式可节约设备投资和节约运行费用，而且运行噪声低，很有实用价值，且可节能。
    2.4配置优质的节能设备
    2.4.1主机为了安全起见，绝大部分的冷水主机容量要比实际尖峰热负载大20%以上，再加上实际尖峰热负载在全年出现的频率相当低，全年平均的热负载大约是尖峰热负载的(60～70)%，使得全年平均的热负载只有冷水主机容量的(50～60)%，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%以下运转是不佳的。
    由于生产制造技术的提高，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，因此在适当时候将旧主机换成高效率的冷水主机是非常可行的。根据实例，某用户为了解决CFC冷媒的问题将一台已经运转约15年的350RT的冷水主机换成可满足尖峰需求的300RT的冷水主机，设备投资约可在4年左右回收［6］。配置多台压缩机的冷水机组具有明显节能效果。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，每台压缩机的功率小，对电网的冲击小，能量损失小。
3 P0 `. c6 P  p5 g, I. q; }$ K# _    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。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℃，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。
    2.4.2泵与风机及其变频调速变频调节技术是泵类和风机普遍采用的一项重要的节能措施。事实证明，泵类和风机变速运行节能量是显著的。
' `. `! z8 M) D% P; j2 N% s    在二次泵的空调供冷、供暖水系统设计中，一般是通过压差信号对二次泵进行台数控制，以实现变流量调节。但根据实际空调工程来看，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。北京某饭店采用变频调速装置已获得显著的节电效益，该饭店共选用3台变频调速装置，分别对冷冻水泵、冷却水泵和供暖水泵进行变流量调节，投入运行一年就节电50万kW.h，而3套变频调速装置的投资费是13万元，投资回收期不足2年［5］。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。
: i5 T$ y% \) \4 R+ |7 {    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%［5］，因而全年空调运行消耗的电力比定风量方式小得多。如送风面积大或房间多，设计时可将变风量系统分为两个或数个系统，以使控制更灵活，调节更方便，节能效果更显著。
3 R. ^1 e7 Z9 }7 W    2.4.3管件引流三通是利用近环路过大的余压能量来引射远环路介质而共同前进的一种特殊的管件，适用于一切单管或双管冷水空调系统、冷却水闭式循环系统和热水采暖系统，安装在回水管的合流三通处，可克服“老汇流三通”工作的缺陷(具有较大余压的近环路支管流束冲入三通后阻碍了远环路支管流束进入汇合管。工程设计上为了解决该问题，常常是扩大远路管径以减少阻力消耗，加大循环水泵的场程和流量以强制远环路介质汇扰)。
: ]7 ?' {% P7 ]1 {# ?    引流三通的作用不仅保证了闭路循环系统中各环路的水力平衡，更重要的是使系统阻力降低，减小了循环压头，从而节省了运行费用，一般可节省电量(15～30)%［5］。

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2.5水系统据统计，空调水系统的输配用电，在冬季供暖期约占动力用电的(20～25)%；在夏季供冷期约占动力用电的(12～24)%。因此，降低空调水系统的输配用电是目前宾馆饭店节约用电的一个重要环节。调查测试一些高层宾馆、饭店空调水系统的资料数据表明，普遍存在着不合理的大流量小温差问题，循环水量有的是设计流量(或水泵额定流量)的1.5倍［5］。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)%［5］。

    为此，采用变流量系统，使输送能耗随流量的增减而增减，具有显著的节能效益。但须注意的是，设计变流量水系统时，必须注意到各末端装置的流量变化与负荷的改变并不成线性关系，所以应考虑系统的动态平衡和稳定的问题，才能达到节能的最佳效果。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风扇耗电量。
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    从一般的经验知道，冷却水入口温度每降低1℃可节电(1.5～2.0)%［6］，冷却水入口温度应在符合冷水主机特性及外气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，但冷却水塔耗电升高，两者耗电之和存在一最佳运转效率点。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高。要达到最佳化控制，冷却水设定温度应随外气湿球温度而变。减少冷却水循环量，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。当水处理量大于300m3/h以上时，方形冷却塔可实现多风机控制［5］。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。
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    2.6采用自控制置对于空调系统中占(20～40)%的新风负荷的控制，对风机盘管、冷热水系统、制冷装置及输风系统等的自动控制，是当前设计人员与建设单位应该着重考虑的问题。据国外资料介绍，一个典型房间风机盘管装自控与不装自控相比，可节能38%，而增设自控系统的投资2年左右时间就可收回［2］。所以自控系统取得的经济效益十分显著，也是建筑物节能必不可少的重要环节。

    2.7运行歌舞厅、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19～22时，营业前2～4h将空调系统投入运转，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%［7］。大型酒店、宾馆的公共场所，商场、餐厅、多功能厅及大型会议厅等，需要送入的新风量较大，在整个系统的实际运行中由于室外空气温、湿度随季节而变化，因此，及时调节好新风与回风的比例就可以节能。

! j! V( t+ X3 A/ t3 i& A0 e5 P    3、结论

    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，平均可节省60%左右的电力［6］，从而带来巨大的社会和经济效益。当前我国经济发展迅速但能耗高，能源供应又相对不足，故更应坚持长期节能的战略方针，树立新的节能观念(对“节能”一词应理解为“合理用能”，不能片面理解为“少用能”)，并加以普及。
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    作者简介：邹同华，男，33岁，工学硕士，实验师，主要研究制冷与空调系统节能与优化，冷链技术与装置。通讯地址：300400天津商学院制冷与空调工程系办公室。邹同华(天津商学院)杜建通(天津商学院)申江(天津商学院)郇中杰(天津商学院)
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