中央空調系統(tǒng)節(jié)能論文
1、中央空調系統(tǒng)的組成
中央空調系統(tǒng)是由一系列驅動流體流動的動件(如水泵、風機及壓縮機)、各種型式的熱交換器(如風機盤管、蒸發(fā)器、冷凝器及中間熱交換器等)及連接各種裝置的管道(如風管、水管及冷媒管)和閥件所組成。中央空調系統(tǒng)一般可分下列五個循環(huán)：(1)室內空氣循環(huán)；(2)冷水循環(huán)；(3)冷媒循環(huán)；(4)冷卻水循環(huán)；(5)室外空氣循環(huán)�？傮w說來，構成中央空調系統(tǒng)的元件主要是熱交換器和流體機械兩種。熱交換器是作為高低溫兩種工作流體能量交換的設備。當任何一組熱交換器效果不好時，會增加系統(tǒng)耗電率(kW/RT)，不是系統(tǒng)耗電量增加，就是冷凍能力下降。而流體機械則是推動工作流體循環(huán)的動力泵，其耗電量W=QHhr/η。耗電量的多少決定于運轉時數(shù)h，輸送的工作流體流量Q，工作流體循環(huán)所需要的揚程H以及效率η，減少其中任何一項，都可達到節(jié)能的目的。
2、中央空調系統(tǒng)節(jié)能的機會與措施
2.1選取合理的設計參數(shù)
2.1.1室內溫、濕度從節(jié)能角度出發(fā)來確定室內溫、濕度標準是節(jié)能的重要因素�？照{系統(tǒng)耗能大小除與當?shù)厥彝鈿庀髤?shù)、建筑物的外圍護結構及室內發(fā)熱散濕量有關外，室內設計溫、濕度標準也是直接影響負荷大小的重要因素。在保證生產工藝與人體健康的條件下，夏季室溫每提高1℃，約可減少熱負荷11.2%［1］，其節(jié)省的冷、熱負荷是極為可觀的。同樣，在夏季如將室內空氣濕度由60%提高到70%，則可節(jié)約能量17%左右。據(jù)資料測算，僅僅將夏季室溫提高1℃，就可使空調工程投資總額降低約6%，運行費用減小8%左右［2］。
2.1.2新風量新風負荷占空調總負荷的20%～40%［2］，對其標準值高低的取舍，與節(jié)能關系重大，不可忽視。引進新風主要是為了滿足人員的衛(wèi)生需求及部分工藝空調所需維持的室內外壓差。而新風量的多少直接影響空調的負載，從而影響空調系統(tǒng)的風機、冷水泵、壓縮機、冷卻水泵、冷卻塔風扇的耗電。
一般設計是以人員最多及活動最激烈的情況來決定新風量，但實際使用時卻幾乎不需要使用這么大的新風量，從而造成在絕大部分的空調時段都在耗能的狀況下運轉。較有效的方法是以室內空氣中二氧化碳含量來控制新風量。
2.2設計合理的圍護結構與照明
2.2.1外圍結構增設外墻及屋頂?shù)谋貙訉Χ⑾膬杉竟?jié)能有利；減少窗、墻面積比，對減少夏季冷負荷有較好的效果，對南方有利，但對北方建筑減少冬季能耗有可能不利；增加外遮陽對夏季冷負荷或供冷量減少十分有利，但在冬季，由于陽光輻射量減少，有可能導致冬季采暖能耗有較大的增加。對于這些冬夏季節(jié)互為矛盾的措施，設計中應特別予以研究和考慮；此外建筑物朝向也是設計時應考慮的問題。
2.2.2窗在建筑節(jié)能中，窗的節(jié)能是十分重要的，據(jù)統(tǒng)計，在全部建筑物散失的熱量中，通過窗散失的熱量占(25～70)%。在窗的設計中要滿足的條件是：(1)室內足夠的采光要求；(2)絕熱性，即冬天使熱量不散失到戶外，夏天又不使太多的陽光輻射吸收到屋內；(3)建筑物的美觀；(4)通風功能。窗的設計和發(fā)展經歷了單層窗時期、雙層玻璃階段和鍍膜玻璃階段。目前最先進的節(jié)能窗是超級節(jié)能窗，雖然超級節(jié)能窗比普通窗的價格高(20～50)%，但以節(jié)能計算，它的回收期只有2～4年［3］。
2.2.3照明在我國，照明用電量已占總用量的10%以上［4］，照明用電往往直接轉化為空調冷負荷。對于空調面積大、照明容量大的地方，應采用照明與空調的組合系統(tǒng)。采用空調組合燈具，不僅能夠改善照明裝置的工作條件，而且可以減少空調負荷。
2.3選擇合適的空調方式
2.3.1變風量方式選取切合實際的空調方式是節(jié)能的必要途徑。為了達到節(jié)能的目的，對于不同性質和用途的建筑物，必須采用不同的空調方式，同時還應講究系統(tǒng)的小型化，使用靈活，便于管理，有利于節(jié)能。特別要注意建筑物朝向、位置的不同，其冷、熱負荷變化差別很大，應采用不同的空調方式與系統(tǒng)，在諸多空調系統(tǒng)中，變風量系統(tǒng)最為節(jié)能。根據(jù)粗略測定，當風量是滿負荷設計風量的50%時，運行電流約減少26.5%［2］，因而全年的送風動力比定風量方式小得多，加上沒有冷、熱抵消，節(jié)能效果明顯。
2.3.2熱源熱泵空調方式熱回收式閉路水源熱泵空調方式是室內機組、冷卻塔和熱水器等全套裝置，通過一個水系統(tǒng)加以組合，用同一個系統(tǒng)按照不同房間的不同要求分別供冷或供熱。這種以水為熱源的熱泵空調方式有三個優(yōu)點：(1)能進行熱回收，可根據(jù)需要開停機組，有利于節(jié)省能源；(2)可單獨控制室溫；(3)機組自帶制冷機和利用熱回收運行，不需集中機房和大型鍋爐裝置，可節(jié)省機房面積和節(jié)約投資。對于南方某些較暖地區(qū)的中等規(guī)模的寫字樓和底層是商場、小餐廳等發(fā)熱量較大的公共場所，而高層是寫字樓、公寓等的建筑物非常適合。廈門汀州大廈采用這種有熱回收裝置的系統(tǒng)收到很好的節(jié)能效果［5］。
2.3.3噴口側送風方式噴口側送風是體育館的比賽大廳最廣泛采用的一種送風方式，其特點是射程長，由于送風射流在噴射過程中，將不斷混入周圍空氣，使流量增加了3～5倍，送風溫差可采用8～12℃，同時在氣流流經觀眾席過程中，又與室內空氣混合，使流量增加到送風量的5～6倍，并不斷將室內余熱從座位下的回風口帶走，因此，無論從消除室內余熱量還是保持應有的風速來看，噴口側送的送風量比上送風可減少(25～30)%［5］，因此是較節(jié)能的一種送風方式。
2.3.4下送上回方式下送上回方式是一種節(jié)能的氣流組織形式，用于體育館空調時，由于每個座椅只送新風，誘導室內空氣與其充分混合，將室內余熱量從建筑物上部排走，避免了燈光和屋頂?shù)瓤照{負荷帶入觀眾區(qū)和比賽區(qū)，使空調負荷大為減小，空氣處理設備亦相應減小，據(jù)國外資料介紹，夏季可節(jié)省冷負荷26%以上［5］。
2.3.5衛(wèi)生間排氣系統(tǒng)從豎井內引出一小管在衛(wèi)生間頂部設置排風口，豎井按分區(qū)用管道連接起來，每分區(qū)用一臺通風機進行分區(qū)排氣。這種方式可節(jié)約設備投資和節(jié)約運行費用，而且運行噪聲低，很有實用價值，且可節(jié)能。
2.4配置優(yōu)質的節(jié)能設備
2.4.1主機為了安全起見，絕大部分的冷水主機容量要比實際尖峰熱負載大20%以上，再加上實際尖峰熱負載在全年出現(xiàn)的頻率相當?shù)停昶骄臒嶝撦d大約是尖峰熱負載的(60～70)%，使得全年平均的熱負載只有冷水主機容量的(50～60)%，造成冷水主機大部分時間都在低負載下運轉。冷水主機負載率在60%以下運轉是不佳的。
由于生產制造技術的提高，近年來新上市的冷水主機的耗電率比20年前所生產的冷水主機降低約35%左右，因此在適當時候將舊主機換成高效率的冷水主機是非常可行的。根據(jù)實例，某用戶為了解決CFC冷媒的問題將一臺已經運轉約15年的350RT的冷水主機換成可滿足尖峰需求的300RT的冷水主機，設備投資約可在4年左右回收［6］。配置多臺壓縮機的冷水機組具有明顯節(jié)能效果。因為這樣的機組在部分負荷時仍有較高的效率，而且，機組起動時可以實現(xiàn)順序起動各臺壓縮機，每臺壓縮機的功率小，對電網的沖擊小，能量損失小。
此外，可以任意改變各臺壓縮機的起動順序，使各臺壓縮機的磨損均衡，延長使用壽命。適當?shù)卣{整冷水主機的設定溫度可收到較好的節(jié)能效果。冷水溫度越高，則主機耗電率越低。每提高1℃，節(jié)電約3%。在調高冷水設定溫度時，需符合負荷端的溫度要求。調高冷水的設定溫度有兩種方法：一是冷水溫度隨室外氣溫設置；二是冷水溫度隨熱負載設置。
2.4.2泵與風機及其變頻調速變頻調節(jié)技術是泵類和風機普遍采用的一項重要的節(jié)能措施。事實證明，泵類和風機變速運行節(jié)能量是顯著的。
在二次泵的空調供冷、供暖水系統(tǒng)設計中，一般是通過壓差信號對二次泵進行臺數(shù)控制，以實現(xiàn)變流量調節(jié)。但根據(jù)實際空調工程來看，由于水泵實際工作點往往不能處于效率最高點，即使流量減小了，實際用電量減少并不多。而采用變頻調速裝置調節(jié)流量可收到良好的節(jié)能效果。北京某飯店采用變頻調速裝置已獲得顯著的節(jié)電效益，該飯店共選用3臺變頻調速裝置，分別對冷凍水泵、冷卻水泵和供暖水泵進行變流量調節(jié)，投入運行一年就節(jié)電50萬kW.h，而3套變頻調速裝置的投資費是13萬元，投資回收期不足2年［5］。變頻調速可在非峰值負荷時減少送風量，從而可節(jié)省動力消耗。
據(jù)檢測，當運行風量減至設計風量的50%時，運行電流約減少25.5%［5］，因而全年空調運行消耗的電力比定風量方式小得多。如送風面積大或房間多，設計時可將變風量系統(tǒng)分為兩個或數(shù)個系統(tǒng)，以使控制更靈活，調節(jié)更方便，節(jié)能效果更顯著。
2.4.3管件引流三通是利用近環(huán)路過大的余壓能量來引射遠環(huán)路介質而共同前進的一種特殊的管件，適用于一切單管或雙管冷水空調系統(tǒng)、冷卻水閉式循環(huán)系統(tǒng)和熱水采暖系統(tǒng)，安裝在回水管的合流三通處，可克服“老匯流三通”工作的`缺陷(具有較大余壓的近環(huán)路支管流束沖入三通后阻礙了遠環(huán)路支管流束進入?yún)R合管。工程設計上為了解決該問題，常常是擴大遠路管徑以減少阻力消耗，加大循環(huán)水泵的場程和流量以強制遠環(huán)路介質匯擾)。
引流三通的作用不僅保證了閉路循環(huán)系統(tǒng)中各環(huán)路的水力平衡，更重要的是使系統(tǒng)阻力降低，減小了循環(huán)壓頭，從而節(jié)省了運行費用，一般可節(jié)省電量(15～30)%［5］。
2.5水系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計，空調水系統(tǒng)的輸配用電，在冬季供暖期約占動力用電的(20～25)%；在夏季供冷期約占動力用電的(12～24)%。因此，降低空調水系統(tǒng)的輸配用電是目前賓館飯店節(jié)約用電的一個重要環(huán)節(jié)。調查測試一些高層賓館、飯店空調水系統(tǒng)的資料數(shù)據(jù)表明，普遍存在著不合理的大流量小溫差問題，循環(huán)水量有的是設計流量(或水泵額定流量)的1.5倍［5］。變流量水系統(tǒng)的節(jié)能效果好。設計負荷運行時間約占總運行時間的(6～8)%，水泵的能耗很大，約占空調系統(tǒng)總能耗量的(15～20)%［5］。
為此，采用變流量系統(tǒng)，使輸送能耗隨流量的增減而增減，具有顯著的節(jié)能效益。但須注意的是，設計變流量水系統(tǒng)時，必須注意到各末端裝置的流量變化與負荷的改變并不成線性關系，所以應考慮系統(tǒng)的動態(tài)平衡和穩(wěn)定的問題，才能達到節(jié)能的最佳效果。在大多數(shù)的設計中，一臺冷水主機會搭配一臺冷卻水塔，且水塔的起停與冷水主機聯(lián)動。由于中、大系統(tǒng)冷水主機臺數(shù)偏多，使得冷卻水塔臺數(shù)也多，不易管理及維護，且無法隨著空調負載及室外氣溫條件變動而調整風扇耗電量。
從一般的經驗知道，冷卻水入口溫度每降低1℃可節(jié)電(1.5～2.0)%［6］，冷卻水入口溫度應在符合冷水主機特性及外氣濕球溫度的限制下盡可能地降低，以節(jié)約冷水主機的耗電。在較低的冷卻水溫時冷水主機耗電降低，但冷卻水塔耗電升高，兩者耗電之和存在一最佳運轉效率點。冷卻水塔應與冷水主機的運轉一起考慮，才能使系統(tǒng)整個效率提高。要達到最佳化控制，冷卻水設定溫度應隨外氣濕球溫度而變。減少冷卻水循環(huán)量，以降低冷卻水泵耗電量。若能配合冷水主機與冷卻水塔選擇較大溫差的設計時，水流量即可降低，從而減少冷卻水泵的初裝費用和運轉費用。當水處理量大于300m3/h以上時，方形冷卻塔可實現(xiàn)多風機控制［5］。風機的數(shù)量可隨著處理水量的增大而增加。方形多風機型冷卻塔，可隨著夏季室外濕球溫度的變化隨意增減風機數(shù)量，用于晝夜溫差較大的地區(qū)更有利于節(jié)能。
2.6采用自控制置對于空調系統(tǒng)中占(20～40)%的新風負荷的控制，對風機盤管、冷熱水系統(tǒng)、制冷裝置及輸風系統(tǒng)等的自動控制，是當前設計人員與建設單位應該著重考慮的問題。據(jù)國外資料介紹，一個典型房間風機盤管裝自控與不裝自控相比，可節(jié)能38%，而增設自控系統(tǒng)的投資2年左右時間就可收回［2］。所以自控系統(tǒng)取得的經濟效益十分顯著，也是建筑物節(jié)能必不可少的重要環(huán)節(jié)。
2.7運行歌舞廳、酒吧等消夏娛樂場所的經營時間通常僅為晚場營業(yè)，時間約19～22時，營業(yè)前2～4h將空調系統(tǒng)投入運轉，利用圍護結構的蓄冷能力使廳內的溫度慢慢下降至設計溫度的下限值或略低于該值，這樣當營業(yè)后室內熱負荷逐漸增加形成峰值時，空調設備仍能在低于峰值負荷下正常運行，達到了“預冷”降低空調設備容量的目的，大約相當于減少了設計冷負荷的25%［7］。大型酒店、賓館的公共場所，商場、餐廳、多功能廳及大型會議廳等，需要送入的新風量較大，在整個系統(tǒng)的實際運行中由于室外空氣溫、濕度隨季節(jié)而變化，因此，及時調節(jié)好新風與回風的比例就可以節(jié)能。
3、結論
中央空調系統(tǒng)節(jié)能的機會和措施是多方面的。如果能將節(jié)能思想貫穿于中央空調系統(tǒng)設計、選型與運行的始終，將會收到明顯的節(jié)能效果，平均可節(jié)省60%左右的電力［6］，從而帶來巨大的社會和經濟效益。當前我國經濟發(fā)展迅速但能耗高，能源供應又相對不足，故更應堅持長期節(jié)能的戰(zhàn)略方針，樹立新的節(jié)能觀念(對“節(jié)能”一詞應理解為“合理用能”，不能片面理解為“少用能”)，并加以普及。
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