中央空調系統節能論文
1、中央空調系統的組成
中央空調系統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。中央空調系統一般可分下列五個循環：(1)室內空氣循環；(2)冷水循環；(3)冷媒循環；(4)冷卻水循環；(5)室外空氣循環。總體說來，構成中央空調系統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，會增加系統耗電率(kW/RT)，不是系統耗電量增加，就是冷凍能力下降。而流體機械則是推動工作流體循環的動力泵，其耗電量W=QHhr/η。耗電量的多少決定于運轉時數h，輸送的工作流體流量Q，工作流體循環所需要的揚程H以及效率η，減少其中任何一項，都可達到節能的目的。
2、中央空調系統節能的機會與措施
2.1選取合理的設計參數
2.1.1室內溫、濕度從節能角度出發來確定室內溫、濕度標準是節能的重要因素。空調系統耗能大小除與當地室外氣象參數、建筑物的外圍護結構及室內發熱散濕量有關外，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%，則可節約能量17%左右。據資料測算，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，與節能關系重大，不可忽視。引進新風主要是為了滿足人員的衛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的保溫層對冬、夏兩季節能有利；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窗在建筑節能中，窗的節能是十分重要的，據統計，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。目前最先進的節能窗是超級節能窗，雖然超級節能窗比普通窗的價格高(20～50)%，但以節能計算，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。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能的必要途徑。為了達到節能的目的，對于不同性質和用途的建筑物，必須采用不同的空調方式，同時還應講究系統的小型化，使用靈活，便于管理，有利于節能。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，在諸多空調系統中，變風量系統最為節能。根據粗略測定，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，通過一個水系統加以組合，用同一個系統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點：(1)能進行熱回收，可根據需要開停機組，有利于節省能源；(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，可節省機房面積和節約投資。對于南方某些較暖地區的中等規模的寫字樓和底層是商場、小餐廳等發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收到很好的節能效果［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，避免了燈光和屋頂等空調負荷帶入觀眾區和比賽區，使空調負荷大為減小，空氣處理設備亦相應減小，據國外資料介紹，夏季可節省冷負荷26%以上［5］。
2.3.5衛生間排氣系統從豎井內引出一小管在衛生間頂部設置排風口，豎井按分區用管道連接起來，每分區用一臺通風機進行分區排氣。這種方式可節約設備投資和節約運行費用，而且運行噪聲低，很有實用價值，且可節能。
2.4配置優質的節能設備
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的頻率相當低，全年平均的熱負載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。適當地調整冷水主機的設定溫度可收到較好的節能效果。冷水溫度越高，則主機耗電率越低。每提高1℃，節電約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技術是泵類和風機普遍采用的一項重要的節能措施。事實證明，泵類和風機變速運行節能量是顯著的。
在二次泵的空調供冷、供暖水系統設計中，一般是通過壓差信號對二次泵進行臺數控制，以實現變流量調節。但根據實際空調工程來看，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流量可收到良好的節能效果。北京某飯店采用變頻調速裝置已獲得顯著的節電效益，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，投入運行一年就節電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，從而可節省動力消耗。
據檢測，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分為兩個或數個系統，以使控制更靈活，調節更方便，節能效果更顯著。
2.4.3管件引流三通是利用近環路過大的余壓能量來引射遠環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、冷卻水閉式循環系統和熱水采暖系統，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路支管流束沖入三通后阻礙了遠環路支管流束進入匯合管。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，加大循環水泵的場程和流量以強制遠環路介質匯擾)。
引流三通的作用不僅保證了閉路循環系統中各環路的水力平衡，更重要的是使系統阻力降低，減小了循環壓頭，從而節省了運行費用，一般可節省電量(15～30)%［5］。
2.5水系統據統計，空調水系統的輸配用電，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，降低空調水系統的輸配用電是目前賓館飯店節約用電的一個重要環節。調查測試一些高層賓館、飯店空調水系統的資料數據表明，普遍存在著不合理的大流量小溫差問題，循環水量有的是設計流量(或水泵額定流量)的1.5倍［5］。變流量水系統的節能效果好。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，約占空調系統總能耗量的(15～20)%［5］。
為此，采用變流量系統，使輸送能耗隨流量的增減而增減，具有顯著的節能效益。但須注意的是，設計變流量水系統時，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，所以應考慮系統的動態平衡和穩定的問題，才能達到節能的最佳效果。在大多數的設計中，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動。由于中、大系統冷水主機臺數偏多，使得冷卻水塔臺數也多，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，方形冷卻塔可實現多風機控制［5］。風機的數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量，用于晝夜溫差較大的地區更有利于節能。
2.6采用自控制置對于空調系統中占(20～40)%的新風負荷的控制，對風機盤管、冷熱水系統、制冷裝置及輸風系統等的自動控制，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，可節能38%，而增設自控系統的投資2年左右時間就可收回［2］。所以自控系統取得的經濟效益十分顯著，也是建筑物節能必不可少的重要環節。
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，時間約19～22時，營業前2～4h將空調系統投入運轉，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，在整個系統的實際運行中由于室外空氣溫、濕度隨季節而變化，因此，及時調節好新風與回風的比例就可以節能。
3、結論
中央空調系統節能的機會和措施是多方面的。如果能將節能思想貫穿于中央空調系統設計、選型與運行的始終，將會收到明顯的節能效果，平均可節省60%左右的電力［6］，從而帶來巨大的社會和經濟效益。當前我國經濟發展迅速但能耗高，能源供應又相對不足，故更應堅持長期節能的戰略方針，樹立新的節能觀念(對“節能”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。
參考文獻
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