張 鵬

（濟(jì)南市節(jié)能監(jiān)察支隊(duì)，濟(jì)南 250000）

淺析中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行

張 鵬

（濟(jì)南市節(jié)能監(jiān)察支隊(duì)，濟(jì)南 250000）

文章介紹了中央空調(diào)系統(tǒng)在制冷機(jī)運(yùn)行控制、冷卻塔運(yùn)行、冷卻水系統(tǒng)與制冷機(jī)組運(yùn)行聯(lián)動(dòng)、冷凍泵變頻改造等節(jié)能管理和節(jié)能技術(shù)改造的相關(guān)措施，表明了加強(qiáng)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行管理是實(shí)現(xiàn)公共建筑節(jié)能現(xiàn)實(shí)可行的措施。

中央空調(diào)系統(tǒng)；冷卻塔；變頻改造；節(jié)能管理

空調(diào)主要用于對(duì)室內(nèi)空氣狀況的調(diào)節(jié)，包括溫度、濕度、潔凈度和風(fēng)速等。中央空調(diào)系統(tǒng)就是集中式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)越來(lái)越普及，單機(jī)制冷量為3517KW的大型機(jī)組使用廣泛，單機(jī)制冷量1100KW以上的中小機(jī)組更是比比皆是。所以在當(dāng)前節(jié)能工作日趨緊迫，民用建筑節(jié)能刻不容緩之際，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能必將成為民用建筑節(jié)能的工作重點(diǎn)。

既有的中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施主要有兩種：一是節(jié)能改造，通過(guò)投入資金使用新產(chǎn)品新技術(shù)對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行更新或是通過(guò)改造的進(jìn)行增加原有設(shè)備的使用性能來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗的目的；二是節(jié)能管理，通過(guò)加強(qiáng)運(yùn)行人員的設(shè)備管理操作水平，崗位責(zé)任心等在不更動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)的管理方法，不需要投入資金達(dá)到節(jié)能的目的。

1 節(jié)能管理

1.1 提高中央空調(diào)制冷機(jī)組啟停溫度

中央空調(diào)制冷機(jī)組采用溫控運(yùn)行，機(jī)組出廠設(shè)定值為7、12℃，即冷凍水高溫到達(dá)12℃時(shí)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，降溫至7℃時(shí)自動(dòng)停機(jī)。這樣的出廠設(shè)定模式，在實(shí)際運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)能源浪費(fèi)現(xiàn)象。因?yàn)榛谌梭w的舒適度指數(shù)由環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等綜合因素來(lái)決定。一般人體感覺(jué)環(huán)境的舒適的溫度在22～26℃之間，在此區(qū)間時(shí)溫度對(duì)人體舒適度的感知影響并不明顯。同時(shí)如環(huán)境的相對(duì)濕度在30%～85%之間時(shí)，人體的舒適度感知受到的影響一樣微乎其微。但隨著溫度的升高，環(huán)境濕度對(duì)人體舒適度的影響越來(lái)越大，此時(shí)影響人體舒適度的感知重要因素變成了空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)速度，風(fēng)速增大舒適度增加。所以空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行溫度的設(shè)定，應(yīng)當(dāng)綜合考慮溫度、相對(duì)濕度、送風(fēng)速度等因素的綜合影響。

我們可以利用舒適度公式，通過(guò)該參數(shù)的不同變化，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定溫度對(duì)人體感知的影響進(jìn)行定量的直觀分析，舒適度公式如下：

F=1.8t-0.55（1.8t-26）（1-rh）-3.2v0.5+32………………（1）

F為舒適度；t為環(huán)境溫度；rh為環(huán)境相對(duì)濕度；v為送風(fēng)速度；一般F在51～78之間時(shí)，人體感覺(jué)較為舒服，最佳舒適度數(shù)值在60左右。對(duì)舒適度產(chǎn)生影響的參數(shù)中，最重要的是溫度，其次是濕度，影響最小的是送風(fēng)速度。室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行是的送風(fēng)速度為1m/s～2m/s，因此將風(fēng)速取值為1.5m/s，將公式簡(jiǎn)化為：

F=1.8t-0.55（1.8t-26）（1-rh）+28.08，………………（2）

下面我們以公式（2）進(jìn)行分析計(jì)算，將房間相對(duì)濕度設(shè)定為50%，取溫度值為24℃進(jìn)行舒適度計(jì)算F=66.55.再取溫度值為26℃進(jìn)行舒適度計(jì)算F=69.16，差值為2.61；將房間相對(duì)濕度設(shè)為60%，取溫度值為24℃進(jìn)行舒適度計(jì)算F=67.496；再取溫度值為26℃進(jìn)行舒適度計(jì)算F=70.304，差值為2.808；再將房間相對(duì)濕度設(shè)為70%，取溫度值為24℃進(jìn)行舒適度計(jì)算F=68.442，再取溫度值為26℃進(jìn)行舒適度計(jì)算F=71.488，差值為3.046?？梢?jiàn)在相同濕度下，溫度相差2℃對(duì)舒適度指數(shù)影響相差在數(shù)值3左右。表示溫度升高2℃，人體的舒適度感覺(jué)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。所以可以在不影響人們舒適度的前提下，適當(dāng)提高制冷機(jī)組的啟停溫度設(shè)置為9，14℃。

同時(shí)，提高制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度，可以提高蒸發(fā)器的壓力，降低機(jī)組壓縮機(jī)的工作壓頭，提高制冷系數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，中央空調(diào)制冷機(jī)組設(shè)定的蒸發(fā)溫度每提高1℃，空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗可以降低8%～10%，所以運(yùn)行時(shí)適當(dāng)提高機(jī)組蒸發(fā)溫度的設(shè)定值，能夠取得很好的節(jié)能效果。

1.2 及時(shí)清洗冷凝器

冷凝器的作用是把高溫高壓的制冷蒸汽冷卻冷凝成液體，其對(duì)應(yīng)的冷凝溫度是制冷循環(huán)中主要運(yùn)行參數(shù)之一。冷凝溫度取決于冷卻水的水溫、水量、流速、冷凝面積、壓縮機(jī)排氣量，以及不凝氣體、油污、水垢等因素。從操作調(diào)節(jié)的角度，要使冷凝溫度盡量的低，主要從兩方面入手，一是保持換熱表面的清潔，減小傳熱熱阻，及時(shí)除垢、放油、排除不凝氣體；二是控制冷卻介質(zhì)的流量，保證冷卻介質(zhì)均勻地流過(guò)換熱器表面。

由于冷卻塔直接與環(huán)境相連，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是開(kāi)放式系統(tǒng)，水質(zhì)變化大，冷卻水含有的各種雜質(zhì)會(huì)在冷凝器管壁形成水垢，由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)一般在1.7～2.3W/m·k，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純銅的導(dǎo)熱系數(shù)398W/m·k。水垢越厚熱阻越大，在其他條件（如制冷劑流量、冷凝面積和冷卻水流量）不變的情況下，導(dǎo)致冷凝溫度升高，冷凝壓力也隨之升高，冷凝壓力是直接關(guān)系著制冷機(jī)工作效率的重要因素，冷凝壓力越高，制冷機(jī)的效率就越低。一般的說(shuō)，水垢厚度給整個(gè)制冷系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響有：一是降低冷凝器的傳熱效果，導(dǎo)致冷凝溫度過(guò)高，排氣壓力過(guò)高，制冷效率降低；二是不能充分發(fā)揮冷卻水的冷卻作用，增加了冷卻水循環(huán)泵電耗；三是由于排氣溫度升高，致使一部分潤(rùn)滑油汽化，繼續(xù)升壓嚴(yán)重影響循環(huán)系統(tǒng)的安全，這些結(jié)論都是定性的判斷，下面我們做一下定量的分析。

現(xiàn)在以水冷立式冷凝器為例，冷凝器的參數(shù)為面積F=150m2，管徑Φ51mm×3.5mm，冷卻水進(jìn)口溫度ts1=26℃，出口溫度ts2=28℃，熱負(fù)荷φk=480Kw，一般冷凝器內(nèi)最適合水流速度范圍是0.8～1.5m/s，在此取1m/s。

在其它各種條件都不變的情況下，根據(jù)傳熱計(jì)算式和氨熱力特性計(jì)算水垢厚度與傳熱系數(shù)的關(guān)系式如下：

隨著水垢的增厚，傳熱系數(shù)在不斷減小，數(shù)值見(jiàn)下表1。

表1

傳熱系數(shù)的變化對(duì)冷凝溫度的影響，對(duì)一個(gè)給定換熱面積的冷凝器，在運(yùn)行中若保證冷凝負(fù)荷不變，即φk、F值不變時(shí)，根據(jù)傳熱公式φk=F·K·Δtm分析K與冷凝溫度tk的關(guān)系，式中Δtm=（ts2-ts1）/ln［（tk-ts1）/（tk-ts2）]利用上述同一假定參數(shù)代入公式可得：Ki=1600·ln［（tk-26）/（tk-28）]，在負(fù)荷與面積不變時(shí)，冷凝溫度越高，傳熱系數(shù)越小，數(shù)值見(jiàn)表2。

表2

冷凝溫度tk對(duì)COP的影響，通過(guò)對(duì)制冷系統(tǒng)熱力特性的計(jì)算機(jī)模擬，得到在蒸發(fā)溫度不變（t0=-15℃）條件下，氨單級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷系數(shù)COP與冷凝溫度的關(guān)系，冷凝溫度越高，制冷系數(shù)越低，數(shù)值見(jiàn)表3［1]。

表3

水垢的形成及其厚度對(duì)COP的影響，基于傳熱系數(shù)的計(jì)算式，利用線性回歸歸納出傳熱系數(shù)K與水垢厚度δ、傳熱系數(shù)K與冷凝溫度tk、冷凝溫度tk與COP的關(guān)系，用下面的函數(shù)表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3

將表1、表2、表3的數(shù)值代入得到COP隨水垢厚度的變化關(guān)系：

COP=3.7246-0.2049δs+7.359×10-3δs2+2.56×10-4δs3

通過(guò)上式表明，在水垢形成初期（δ≤2mm），厚度的增加對(duì)COP的影響相當(dāng)明顯，厚度每增加1mm，COP約降低5%～6%，冷凝器的污垢每增加0.1mm，熱交換效率就會(huì)降低15%～30%，耗電量則增加5%～8%左右。由于冷凝器管壁結(jié)垢，熱交換效率降低，冷凝效果不好，造成冷凝壓力過(guò)大，不但影響冷水機(jī)組的安全運(yùn)行，而且加大了冷卻塔和冷卻水循環(huán)泵電耗。理想情況下，冷凝器中制冷劑溫度與冷卻水出水的溫度相等，換熱效率最高。但是實(shí)際運(yùn)行中很難實(shí)現(xiàn)，將溫差保持在1～2.5℃之內(nèi)已比較理想，所以在運(yùn)行時(shí)注意觀察冷凝水出水與冷凝器中制冷劑的溫差，一旦溫差過(guò)大應(yīng)及時(shí)對(duì)冷凝器進(jìn)行清洗，會(huì)達(dá)到很好的節(jié)能效果。

2 節(jié)能改造

2.1 安裝中央空調(diào)機(jī)組、冷卻水循環(huán)泵和冷卻塔風(fēng)扇的聯(lián)動(dòng)裝置

改造前冷卻泵和冷卻塔風(fēng)扇需24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，改造后，將冷水機(jī)組、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)扇的手動(dòng)控制改造為連鎖自動(dòng)控制，冷水機(jī)組到開(kāi)機(jī)溫度，先把啟動(dòng)信號(hào)傳遞給冷卻泵和冷卻塔風(fēng)扇，冷卻泵先啟動(dòng)，冷卻塔風(fēng)扇延時(shí)啟動(dòng)，最終冷水機(jī)組啟動(dòng)。而停機(jī)順序剛好與此相反。這樣改造可使2臺(tái)110KW的冷卻泵和4臺(tái)11.5KW冷卻塔風(fēng)扇開(kāi)機(jī)時(shí)間由原來(lái)的每天24小時(shí)運(yùn)行變?yōu)槊刻?0小時(shí)運(yùn)行，每天節(jié)電2600度，每年按開(kāi)機(jī)105天計(jì)算，每年節(jié)電27.3萬(wàn)度。

2.2 安裝循環(huán)泵變頻裝置

絕大多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)均為定流量系統(tǒng)，并且按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，而系統(tǒng)90%的時(shí)間是在最大負(fù)荷的65%下運(yùn)行，普遍存在流量大溫差小的問(wèn)題，造成了能源的極大浪費(fèi)。

2.2.1 水泵變頻的可行性

空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造主要是對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行改造。通過(guò)對(duì)水泵變頻改造將空調(diào)水系統(tǒng)的定流量改造為與實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷相匹配的變流量運(yùn)行。

通常冷水機(jī)組是在定流量設(shè)計(jì)下運(yùn)行的。保持定流量的原因是：（1）蒸發(fā)器（或冷凝器）內(nèi)流速改變會(huì)影響其傳熱效果。（2）流速過(guò)低，流量過(guò)小會(huì)引起蒸發(fā)器凍管事故。

隨著可調(diào)節(jié)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，各類型的冷水機(jī)組都具有制冷量調(diào)節(jié)功能，使制冷機(jī)組的制冷量隨著冷負(fù)荷的變化而變化，以達(dá)到室溫可控和節(jié)能的要求，保持冷水機(jī)組的高效運(yùn)行。離心式冷水機(jī)組通過(guò)入口導(dǎo)流葉片的開(kāi)啟度調(diào)節(jié)，調(diào)整范圍可在20%～100%。

實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)改造工程表明：水泵變頻改造，合理的調(diào)節(jié)和自動(dòng)化控制，對(duì)冷水機(jī)組和水泵的運(yùn)行產(chǎn)生有利的保護(hù)作用。其有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由0Hz至50Hz之間，負(fù)荷逐漸增加的“軟啟動(dòng)”，減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)沖擊電流，降低輸電線路負(fù)荷，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命；（2）提高電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率，改善電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)合理；（3）通過(guò)對(duì)冷卻水泵的變頻改造，可以減少冷卻水用量，降低水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的電耗。

2.2.2 空調(diào)水泵變頻節(jié)能原理

在空調(diào)水系統(tǒng)定流量設(shè)計(jì)中，水泵的選擇和冷水機(jī)組一樣，也是按空調(diào)系統(tǒng)最不利工況所需最大負(fù)荷來(lái)選取的。工頻運(yùn)行負(fù)荷不發(fā)生任何變化，這樣隨著實(shí)際運(yùn)行工況的變化必然會(huì)造成能源浪費(fèi)。具體表現(xiàn)為：在工頻（50Hz）下運(yùn)行的水泵，通常使空調(diào)供回水溫差在1～2℃下運(yùn)行，與冷水機(jī)組設(shè)計(jì)的5～7℃的溫差相差甚遠(yuǎn)，空調(diào)系統(tǒng)始終處于大流量、小溫差的狀況運(yùn)行，造成冷凍水冷量的浪費(fèi)。

空調(diào)變頻節(jié)能改造的依據(jù)是：空調(diào)系統(tǒng)都達(dá)不到滿負(fù)荷工況下運(yùn)行，通過(guò)拉大供回水溫差（一般達(dá)到5℃左右），就可滿足負(fù)荷要求，可以減少循環(huán)水流量。水泵通過(guò)變頻，在小于工頻的工況下運(yùn)行，降低水泵輸入功率，節(jié)約電能。

水泵的轉(zhuǎn)速與流量、揚(yáng)程、功率之間的關(guān)系如下：Q1/Q0=n1/n0H1/H0=（n1/n0） N1/N0=（n1/n0）3可見(jiàn)，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而水泵的輸入功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。

變頻改造前中央空調(diào)系統(tǒng)流量通過(guò)調(diào)節(jié)末端閥門開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。閥門調(diào)節(jié)雖然能降低空調(diào)系統(tǒng)的流量，但是卻大大增加了系統(tǒng)的壓力，也就是說(shuō)增加了系統(tǒng)的管路阻力，使系統(tǒng)節(jié)流損失增大。流量雖有減少，但水泵揚(yáng)程增加，并且效率降低，水泵的輸入功率變化不大，節(jié)能效果有限。

而采用變頻技術(shù)，降低水泵的轉(zhuǎn)速，將改變水泵的性能特性曲線。當(dāng)水泵流量為原來(lái)的75%時(shí)，水泵消耗功率僅為原來(lái)的42%，節(jié)約58%。而采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)，僅節(jié)約5%左右。故采用變頻水泵，節(jié)能效果明顯。

2.2.3 變頻節(jié)能控制原理

空調(diào)水系統(tǒng)控制采用溫差控制原理，在每臺(tái)冷水機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出口管路安裝溫度傳感器，用來(lái)檢測(cè)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷，設(shè)定系統(tǒng)正常工作溫差為5℃，并設(shè)定最高和最低運(yùn)行水的溫差。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，溫差增大，則提高頻率，加大水泵轉(zhuǎn)速。反之，溫差變小，則降低頻率，減慢水泵轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)原理如下：

3 小結(jié)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行必將越來(lái)越受重視，成為公共建筑節(jié)能的工作重點(diǎn)。以上僅以簡(jiǎn)要介紹了一下比較簡(jiǎn)單和成熟的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。而中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行還有更多的新技術(shù)值得我們探討和研究，例如利用10KV高壓電動(dòng)機(jī)替代離心式冷水機(jī)組380V壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可行性研究和將變頻技術(shù)應(yīng)用在離心式冷水機(jī)組的普及、推廣等。相信隨著中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的不斷成熟和推廣會(huì)帶來(lái)更廣闊的節(jié)能空間。

［1]莊友明.制冷系統(tǒng)冷凝器特性研究［J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），第8卷第1期，2003年3月