变频器应用技术之中央空调系统节能措施浅析

变频器应用技术之中央空调系统节能措施浅析

摘要：以节能为原则，从实际工程设计出发，在空调冷负荷确定、设备选择及水系统形式等方面分析了中央空调系统的节能措施。准确计算逐时空调冷负荷、确定冷机搭配、冷水循环泵和热水循环泵分别设置、空调水系统采用变流量系统等都可达到减小系统能耗，提高效率的目的。
关键词：空调冷负荷空调水系统压差旁通控制 一次泵变流量系统 　　当人们意识到能源危机时，减少能源的消耗在社会生活中愈来愈重要。在公共和民用建筑中，中央空调系统的耗能约占建筑物耗能的 65 ％以上。目前，大多数楼字中央空调系统中存在很多能源浪费的情况，如因空调负荷计算不当，致使冷热源机组容量选择过大，形成“大马拉小车”的状况；系统的自控节能控制设计较为粗糙，甚至未作考虑，通常水泵运行的定流量系统对于电能的浪费是严重的；系统的管理不当也会造成运行成本的浪费等等。所以空调节能应该是有潜力可挖的， 以下粗略分析在中央空调系统设计中可运用的节能措施。
1 空调冷负荷的确定及冷水机组的选择
　　设计冷负荷是选择设备的主要依据，所以正确地计算建筑冷负荷对整个系统的设计十分重要。公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自围护结构传热 ( 包括太阳辐射 ) 和新风负荷。传统的教科书及设计手册中给出的空调负荷计算方法，不论是计算围护结构的墙壁或门窗负荷，其结果均是针对某一具体房间而言，而空调系统设备容量依据的是整个建筑物的冷负荷。由于各房间朝向、位置、功能及其内部热源等情况的不同造成的最大冷负荷出现的时间并不相同。因此建筑物冷负荷的最大值应为每个房间逐时负荷叠加的最大值，而不是简单地将每个房间的最大冷负荷进行叠加。空调系统负荷是随室外气象条件而变化的，一年春夏秋冬四季中负荷有很大的不同，波动很大，在全年出现峰值负荷的时间很少。有资料表明，办公楼全年负荷的时间频率 ( 某负荷出现时间与总时间之比 ) 如图 1 所示：

　　从图 1 中可以看出，全年负荷大多集中于最大负荷的 50 ％～ 70 ％之间， 而且当负荷大于总负荷的 50 ％时，一般需开冷机，其余时间可用新风抵消冷负荷。因此设计时考虑全年负荷变化对冷机及其他设备进行大小搭配选择， 以便在室内冷负荷较小时开启小型设备，而在冷负荷较大时再开启大型设备，尽量避免冷机及其他设备在低负荷率的情况下运行，其单位制冷量的耗电量会增加，因此适当选择冷机型号，保证高效率运行，也可减少系统能耗，达到节能的目的。
　　很多工程设计中主机往往选择一样型号的机组，虽然系统配置较简单、控制简便，但机组全年 60 ％以上的时间在 50 ％ -70 ％负荷状况下运行，造成系统调节不够灵活，负荷低峰时大马拉小车，形成大流量小温差，低效运行的状况，是对能耗的极大浪费。选择大小冷机组合，大小机组配置不同大小的冷水泵、冷却水泵及冷却塔，水系统设计及控制可能较为复杂；但在工程设计中，设计者不能一味追求系统配置的简单而摒弃节能的原则。
2 水泵的选择
　　冷水泵和冷却水泵的容量是按建筑物最大的设计负荷选定的，水泵扬程由系统最不利环路沿程阻力和局部阻力之和确定。实际工程因系统管路复杂，阻力计算往往只是粗略计算，而考虑很高的安全系数，这样水泵扬程选择往往偏大， 泵扬程在 0 ． 4 ～ 0 ． 5MPa 的设计常能见到。以某办公楼为例进行说明，图 2 为办公楼冷冻机房内的冷却水系统图。

　　冷冻机制冷量为 l 250kW ， 冷却水量设计为 300m 3 ／ h 左右，选择的冷却水泵额定流量 310m 3 ／ h ，扬程 50m ，从图 2 测量参数可以知道，冷却水泵的扬程在 20 ～ 25m 左右就可满足要求，现在水泵扬程过大，阀门消耗了 29m 水柱，冷却水泵达 60 ％能量被消耗在阀门上。水泵的工作特性 ( 流量、压头的变化 ) 与管道特性曲线密切相关。管道特性曲线：
　　　H=SQ 2
　　式中： H 为管道系统的压力损失 ,Pa ； Q 为流量 ,m 3 ／ s ； S 为综合阻力系数，与管路的沿程阻力和局部阻力有关。
　　综合阻力系数，与管路的沿程阻力和局部阻力有关。通常系统运行时， S 是固定的，而随着管路阻力的增大，曲线会变陡；随着管路阻力的减小，曲线会变得平坦一些，使得水泵运行工况也随着变化。在图 2 系统中， 阀门消耗了大部分扬程的电能，对水泵的节能是极为不利。如图 3 所示，如果完全打开水阀，减小阀门的阻力，水泵的运行工况 A 点就会变为工况 B ，效率下降，电耗增加，而且可能会比水泵电机的额定功率大很多，这样，就很可能会将水泵电机烧毁。
　　水泵的选择计算，应贯彻执行国家节能设计标准 (GB50189 — 93) 对水系统”水输送系数”的要求：空调供冷的水输送系数不得小于 30 。．同时对系统最不利环路阻力的计算应该力求准确 以选择适当水泵扬程使水泵达到经济运行的目的。
　　另外泵的设置，经常未考虑冬夏季空调水量的差别，冬夏共用 l 台水泵，冬季大流量小温差，低效运行，电能浪费很大。为此建议冬夏季的冷水循环泵和热水循环泵分别设置。
3 空调水系统节能措施
　　(1) 目前空调冷水系统大都采用 1 级泵定流量系统。水泵容量是按冷水机组最大负荷时选定的，且全年在固定的水流量下工作。当一些空调末端停机时，水阀不能关闭，回水温度随着降低，使得供回水间温差减小。由于季节昼夜和建筑物使用功能的不同，实际空调负荷在一年绝大部分时间内远比设计负荷低 ( 前面也谈到过 ) ，全年有 60 ％的时间实际负荷是在设计负荷的 50 ％～ 70 ％ 以下运行，而冷水流量不变情况下，供回水间温差由设计的 5~ 7 ℃ 降为 0 ． 5 ～ 1 ． 0 ℃ ，即系统在大流量小温差的情况下工作，从而浪费了水泵运行的输送能量，且增大了管路系统的冷热量损失。
　　为了较好实现节能目标，考虑空调水系统设计为变流量系统。在空调末端设二通阀，依据室内恒温器的信号或送风温度信号，控制二通阀门的开度，改变用户 ( 负荷侧 ) 的水流量达到变流量的目的。但在冷源侧，通过冷水机组蒸发器的水流量是不能低于所需水量的额定值的，否则导致冷水温度过低，甚至有结冰危险，所以在供回水干管之间须设置带调节阀的旁通管以保证通过冷水机组蒸发器的水流量的恒定 一次泵变流量系统冷源侧常采用多台冷水机组和多台冷水泵 ( 每台冷水泵对应 1 台冷水机组 ) 的方式。此时，每台水泵水流量不变，冷水泵和相应的冷水机组进行台数控制，以使冷水机组在部分负荷下进行节能运行，其系统如图 4 所示。


　　对于一次泵变流量系统台数控制方法，很多资料上介绍为压差旁通控制水泵再联锁冷水机组，压差控制即定压控制，根据设定供回水压差上下限来控制水泵的减增。这一传统的控制模式只适用于具有陡降型特性曲线的水泵，这时减泵运行时也存在水泵低效运转的问题。如今，由于水泵制造技术的提高，水泵在最高效率附近的特性曲线大多为平坦型。平坦型特性曲线水泵对管道压力变化反应迟钝，影响调节质量。多台水泵并联工作，情况更为严重。因此，压差控制就难以满足要求。针对这一情况，出现流量控制法。
　　而一次泵变流量系统的负荷控制法是较为成熟的控制模式，冷水机组与一次水泵是分别控制的。冷水机组负荷控制原理是： 在一次泵的供水干管上安装一个流量检测器，在供回水干管上各安装一个温度检测器，通过测得一次泵环路的供回水温差与供水流量而计算出需冷量。当末端冷量减少时，一次泵环路供回水间的温差随需冷量的减少而减少，经热量计算器计算减少的冷量为 l 台冷水机组的容量时，即停开 1 台冷水机组。反之，当末端需冷量增加，系统所增加的冷量为 1 台冷水机组的容量时， 即开启 l 台冷水机组。此时，与之对应的水泵必须提前运转，即冷水机组必须有水流过才能启动。
　　一次水泵的台数控制则采用流量控制法。其控制原理是：供水总管上流量检测器测得的实际水量，通过变送器将流母信号变成脉冲信号送到台数控制器，控制器按各台水泵预设定的流量范围和变送器送来的信号进行比较，如果实际用水量小于 1 台水泵的容量时，则停止 1 台水泵运行；当实际用水量增加时，水泵的加泵过程与此相反。为了保证一次泵流量和冷水机水量恒定，采用负荷控制时，要求在一次泵供回水干管问设置带调节阀的旁通管，并采用固定供回水压差的方法。此处的压差控制只是通过供回水压差调节旁通阀的开启度以控制旁通水量，并不能直接控制水泵的停启。当然，亦可采集旁通水量大小信号来实现水泵的流量台数控制。
　　一次泵台数控制变流量水系统较为简单，选择多台冷水机组可满足全年空调冷负荷的变化要求，又能达到节能运行的目的；且能大幅度减少每台水泵的运行时间，延长使用寿命。只是机组和水泵台数较多，增加机房面积和初投资，对于温控二通阀及旁通控制装置也有很高质量要求，确保系统运行时能够有效动作。
　　(2) 随着控制技术的发展，不同类型冷水机组都配置有完善的控制装置，能根据负荷变化自动调节蒸发器和冷凝器中冷媒循环流量，为水系统的变流量运行提供了基础条件。文献 [2> 中提出，对冷水机组的冷水系统进行变流量运行是完全可能的，不会对冷水机组的安全运行产生影响，流量的调节范围可控制在 70 ％ ( 或 60 ％ ) ～ 100 ％之间。当实际用户负荷变化时，供水量随之变化，可直接通过水泵的变频调速控制达到节能目的。而对于冷水机组的冷却水系统进行变流量运行也是完全可行的，由于冷却水量较冷水流量大 20 ％ ~30 ％ ，其节能效果更加显著。通过水泵的变频调速控制，变频器在 1-2 年内即可回收投资，空调水系统采用变流量运行，使输送能耗能随流量的增减而增减，具有显著的节能效益和经济效益。
4 空调风系统节能措施
　　大厅、餐厅、大会议室等大空间公共区域，设计一般采用定风量空调系统。采用双风机 ( 送回风 ) 系统，当室外空气焓值低于室内冶值时，可改变新风比直到全新风全排风，达到节能及改善室内空气品质的目的。
　　零售、会议、办公等小空间，可采用双风机变风量空调系统，变风量系统的新＼排风管直接接到空调机房外窗百叶上，过渡季可全新风节能运行。变风量空调系统是当室内负荷变化时，用改变送风量来维持室内温湿的方式。采用全年变风量运行，可显著节约风机运行所耗电能。因在全年空调的建筑物里，由于极大部分时间系统在部分负荷情况下工作，如采用末端变风量＼控制系统静压，调节风机总风量，则风机耗能将大为减少。如以建筑物西向周边区为例，平均负荷率夏季约 40 ％ 、过渡季约 25 ％ 、冬季约 30 ％ 、是很低的 ( 其他朝向也大致如此 ) ，故如系统全年平均在 70 ％风量下工作，则所耗电能约可减少一半。对于全年空调的大楼 ( 如办公楼 ) ，空调风机的耗电量占整个大楼所耗总电量 ( 包括大楼中冷热源、照明、风机、水泵、给排水泵、电梯 ) 的很大部分。故减少风机所耗电能也是考虑节能的重要方面。
5 结语
　　中央空调系统是建筑物中的耗能大户，在空调系统的设计中考虑节能控制是切实可行的，各种节能措施应用都有一定的适用范围和局限性，应结合不同的工程，提出相应的控制措施，使系统发挥最佳的运行效果。

参考文献
　　1 钱以明编著．高层建筑空调与节能．上海：同济大学出版杜， 1992
　　2 孙一坚．空调水系统变流量节能控制．暖通空调．北京： 2001 ， 12
　　3 张蕾等．办公楼类建筑空调系统运行现状浅析．暖通空调．北京 2000 ， 12
　　作者：袁建中 ( 南昌有色冶金设计研究院南昌 330002)