对中央空调水系统中的节能技术改造浅析

　　摘要：本文结合既有建筑的中央空调水系统的设计与运行状况，分析与讨论了水系统的节能改造技术。既有中央空调水系统的节能技术有：主机变频、空调泵变频、水蓄冷、高效泵。非线性、大滞后的中央空调水系统适合采用智能控制算法。
　　关键词：中央空调；节能；改造
　　引言
　　对近几年来多宗中央空调系统的统计调查与初浅分析，笔者认为存在以下几个问题：(1)冷热源总装机容量偏大，投入运行的台数一般占装机容量的1/3～3/4，单台机组的负荷一般在60％以下；(2)没有安装低负荷运行的小机组；(3)水系统一般为定流量系统，供回水温差在1～4.40℃；(4)部分离心机组在低负荷运行时(4月、5月、9月、10月)喘振，有的机组甚至无法正常运行；(5)空调水泵扬程选择偏大，导致单台水泵无法正常工作；（6）主机、冷却、冷冻水泵终端设备等彼此匹配性差；（7）系统降效快。究其主要原因有：（1）设计人员迁就业主“宁左勿右”、“只高不低”，政府投资的工程尤甚；（2）业主忽视了空调系统维护清洗。
　　1冷源改造技术
　　对于冷源机房容量选择大，通过台数控制不能满足安全、高效运行的情况，成熟的改造技术有：制冷机组变频控制；水蓄冷；增加低容量机组；扩大空调区域（例如，某政府高校约3万平米的综合楼的中央空调系统建成后，又将该系统惠及另外三栋共约900平米的学员楼）等。以下结合有关工程讨论冷源改造技术。
　　1．1制冷机组变频改造
　　1.1.1制冷机的性能系数COP现状
　　2007年就22栋国家政府机构办公楼和大型公共建筑。通过测试或根据运行记录计算机组的性能系数COP，其机组的COP普遍低于公共建筑的强制性标准。
　　案例一：A办公楼安装了3台500RT的离心式冷水机组(2001年投入运行)，压缩机功率340kW。
　　3台机组通常只运行1台，即使在天气炎热的情况下，也仅开启2台。通过测试，制冷机组的COP在3.50～4.14之间，低于公共建筑的强制性标准，也低于设计工况的COP。
　　案例二：B酒店的制冷机组为工频离心式机组(2001年投入运行)，共有4×400USRT的机组，负荷最大时运行2台，机组的设计能效比为5.43。根据2007年10月22～31日对制冷机组运行参数的测试，1#机组的负荷率在41％～76％之间变化，COP值在3.33～4.27之间，低于公建标准。2#机组的负荷率在38％～86％之间变化，其中，在80％～86％的负荷率为10.93％，60％～69％负荷率的概率最大(34.82％)。COP值在2.88～4.62之间，低于公建标准。
　　1.1.2制冷主机COP节能改造
　　冷水机组99％以上的时间运行在部分负荷工况。通过调节导流叶片开度来调节机组输出冷量的恒速离心机，最高效率点通常在70％～80％负荷左右，负荷率80％时对应的COP为5.885，负荷率100％时对应的COP为5.33，负荷率40％时COP为5.1，随着负荷降低，单位冷量能耗增加较显著。
　　
　　图1COP与恒速、变频负荷率的关系
　　从图1中可看出，变频运行的制冷机，其最高效率点可以在部分负荷下，如40％～50％负荷左右，50％负荷对应的COP为11.95。机组变频控制还能提高机组的功率因数，优化机组启动性能，避开喘振点，提高机组可靠性。
　　案例三：C有限公司的中央空调采用了2台650冷吨离心式制冷机组。于2005年8月20日投
　　入使用，冷水机组用于生产车间空调，24h不间断运行，负荷稳定，标准出水温度，夏天2台运行，冬天单台运行。l#机于2007年9月改造为变频制冷机组。经过一年多的运行实践，无论是在大负荷运行或是小负荷运行(只要符合变频条件)，都比工频机组节能。根据2007年10月15日10：10～l0月16日10：10的测试，2台机组负荷率在60％～67％。每天节省1439kWh，节能率为20.85％。该机组工频运行的COP为7.03，变频时COP为l0.05，即机组工频运行时的COP低，机组的节能效果好。如果5～10月(合计6个月)按开2台制冷机组计算(考虑0.8的安全系数)，1l～次年4月(合计6个月)运行1台机组，电费为0.55元/kwh，每年可为公司节省18.2万元，实际运行表明，节省的运行费用大于l8.5万元。主机变频改造的经济效益与节能效益如表1所示。
　　表1主机变频改造的经济效益与节能效益
　　5～10月节电量/kWh 11～次年4月节电量/kWh 全年节电量/kWh 全年节省的运行费用/万元
　　207216 129510 336726 18.5
　　1.1.3水蓄冷改造
　　利用既有的常规冷水机组，改造为水蓄冷的系统。其方法是利用消防水池、原有蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷容器，增加放冷泵、充冷泵、板式换热器设备。此项改造技术具有如下优点：
　　(1)设备安全运行。避免“大马拉小车”；
　　(2)节能。系统高负荷运转时间大幅度增加，制冷效率可以提高5％～8％；
　　(3)经济效益。投资一般3～4年可以回收。水蓄冷不仅能为用户、为社会创造节能效益，而且创造的经济效益可用于其他节能改造项目，解决节能改造资金瓶颈问题；
　　(4)社会效益。平衡电网负荷，充分发挥电站的发电效益，减少电厂投资，净化环境。
　　案例四：D科技大楼原为常规的中央空调系统(能源合同管理项目)，制冷机组为离心式制冷机组，
　　制冷量600冷吨。2008年改造为水系统中央空调，改造项目投入运行后，通过测试，得出以下几点：
　　(1)满足设计要求。低谷时段所蓄的冷量，可以满足该大楼白天3-4h空调所需的冷量。
　　(2)移峰填谷。在高温条件下，水蓄冷可以移峰888kWh，减少平谷段860kWh，增加1554kWh低谷段电量；在一般温度下，水蓄冷可以移峰684kWh，减少平谷段1034kWh，增加1414kWh低谷段电量，创造了社会效益和环境效益。
　　(3)经济效益：在高温条件下，每天节约电费1988元；在一般气候下，节约1885元。
　　(4)空调节能。节约电量3.6万kwh(不计发电厂的节煤量)，占原用电量的5.70％；电费
　　33675.3元，占总节约费用(75万元)的4.49％。
　　(5)保证并提高机组的安全可靠运行系数。
　　1.1.4增加小容量机组
　　案例五：E办公楼设计时为三大一小制冷机组，业主为了节省投资改为3台大机组，投入运行后，在低负荷时，机组无法启动或者喘振。通过增加2台风冷热泵机组才满足大楼的正常供冷以及设备的正常运行。
　　2空调循环泵改造技术
　　2.1空调循环泵变频改造的条件
　　根据空调水系统的特点，借助智能自控技术、高速可靠的网络通讯技术及先进的控制软件，对空调水泵采用基于计算机网络的智能控制变频技术。主要应具有以下优点：实时跟踪空调负荷，减少冷冻水、冷却水用量，减少能耗与运行费用；减少空调水系统设备的振动和磨损，延长设备的使用寿命；可以实现对水泵电机的“软启动”、“软停机”，减少电流对电机的冲击；提高电机的效率，改善其运行条件；降低电机和冷却塔的噪声。
　　2.2工程实例概述
　　案例六：某高层商用写字楼，总建筑面积3.8万m2。大楼的中央空调系统冷热源采用2台600RT离心式冷水机组供冷，冬天由1台2.5t的燃油锅炉供暖，其他辅助设备如表2所示。
　　表2冷源系统主要设备
　　设备 主要参数 数量
　　冷机机组 制冷量600冷吨（2110kW）,压缩机功率374kW 2台
　　冷冻水泵 立式离心泵：流量未知，杨程未知，电机功率55kW 2台
　　由于气候状况与室内热源变化，改造前，5月、9月运行1台主机，冷却水泵2台，1台冷冻水泵，1台冷却塔(4台风机)；7月、8月运行2台主机，2台冷冻泵，4台冷却泵，4台冷却塔(6台风机)。控制水平停留在人工操作运行台数，水系统流量仅能在50％或100％运行。针对“大流量，小温差”运行状况进行节能改造，对2台冷冻水泵、2台冷却泵变频调速控制(设计要求，为避免变频水泵空转与倒流，不允许工频泵与变频泵同时运行)。冷热源控制系统的通信协议采用过程现场总线PROFIBUS，控制器的算法采用模糊控制，水泵的运行状态以及中央空调系统中的主要过程参数实现界面集中监控。
　　2．3改造效果分析
　　2.3.1测试结果
　　通过测试，可以得出以下几点：
　　(1)节能。节能效果如表3所示。从表3中可看出，制冷系统总节电率为24.85％。冷冻水泵、冷却水泵采用了模糊变频控制，不仅节省了水泵的用电量，而且提高了机组的能效比，1#机组能效比提高了12.79％，2#机组能效比提高了10.51％。
　　表3改造后系统各部分节能率
　　制冷机组 冷却水泵 冷冻水泵 制冷系统
　　9.13% 43.52% 72.33% 24.85%
　　注：室外温度为33℃
　　(2)具有经济效益。写字楼中央空调部分年用电58万元左右，按改造后年节省24.85％的费用计算，则每年至少节省l4.41万元。投资3～4年完全能回收。
　　(3)降低了冷凝温度，提高了机组安全运行的可靠性。1#、2#机组分别降低了1T、1.1T。
　　(4)增大了供回水温差。1#机组：变频运行，冷却水温差为3.0℃，冷冻水温差3.6℃；工频运行，1#机组冷却水温差为2.4℃，冷冻水温差1.812。2#机组：变频运行，冷却水温差为2.4℃，冷冻水温差3.7℃；工频运行，2#机组冷却水温差为1.6℃，冷冻水温差2.3℃。
　　(5)减少了水流量。1#机组减少了27.25％．2#机组减少了27.93％。
　　(6)提高室内温度的控制精度。在变频控制下，房间温度24．2℃；工频控制下，房间温度23.9℃。
　　2.3.2考核说明
　　经过近一年的运行，系统运行正常，但有两点需要说明。
　　(1)实际节电率为20.5％。主要原因为：改造前，中央空调水系统的运行状况处于节约型节能，也就是说，在某些时段不满足室内空气舒适度的要求(设备停止运行)；改造后，系统根据室内舒适度运行，提高了环境服务质量。
　　(2)没有考虑具体工程的实际情况，冷却水泵的频率下限值调得太低。因为我市的5月湿度大，焓值高，导致机组频繁启停。重新设定冷却水泵的频率下限值，机组工作正常。
　　3结论
　　通过以上的讨论，既有中央空调水系统的节能技术有：主机变频、空调泵变频、水蓄冷、高效泵。非线性、大滞后的中央空调水系统适合采用智能控制算法。多项工程节能改造表明：中央空调水系统的各项节能率为20.5％～31％，不到3年即可回收节能投资，而且空调系统运行正常，室内温湿度满足要求。
　　参考文献
　　[1]付祥钊，王岳人，等．流体输配管网[M].北京：中国建筑工业出版社，2001．
　　[2]孙一坚.空调水系统变流量节能控制[J].暖通空调，2001，31(6)：5—7．
　　[3]刘金琨.智能控制[M]．北京：电子工业出版社，2005.          论文网