胡雪欽
湖南省第六工程公司設(shè)計(jì)分公司
臨桂新區(qū)創(chuàng)業(yè)大廈空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用探析
胡雪欽
湖南省第六工程公司設(shè)計(jì)分公司
結(jié)合工程實(shí)例,闡述節(jié)能設(shè)計(jì)的理念、主導(dǎo)方向與重點(diǎn);對(duì)所采用的節(jié)能措施進(jìn)行應(yīng)用理論和節(jié)能效果的定性分析與探討。認(rèn)為把全面水力平衡措施、冷水大溫差技術(shù)、一次泵變頻變流技術(shù)組合使用,在不增加初始投資條件下,能顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果;而科學(xué)合理的自控方案和技術(shù)手段又是保證滿足設(shè)計(jì)工況要求,系統(tǒng)正常運(yùn)行,使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能產(chǎn)生最大化效果的重要保證措施。
節(jié)能理念方向重點(diǎn)節(jié)能效果分析探討
創(chuàng)業(yè)大廈位于廣西桂林市臨桂新區(qū)內(nèi),緊靠風(fēng)景秀美的漓江。大廈由主樓、左輔樓、右輔樓、會(huì)議樓組成??偨ㄖ娣e180763m2,其中主樓建筑面積45582m2。地上19層,建筑高度76m,左、右輔樓均為地上9層,建筑面積分別為43842m2,44320m2。每棟樓均設(shè)地下室,作為車庫(kù)和設(shè)備用房,地上以辦公室、會(huì)議室、展廳房間為主;會(huì)議樓共4層,建筑高度14m,建筑面積47019m2,以會(huì)議大廳和會(huì)議室為主。該大廈是桂林市目前單體建筑面積最大的建筑物之一,也是桂林市實(shí)施節(jié)能環(huán)保,綠色建筑的標(biāo)志性重點(diǎn)工程。
2.1 冷源設(shè)備布置
本工程夏季主樓及左輔樓共用一套制冷系統(tǒng),冷負(fù)荷為8408kW,采用3臺(tái)離心制冷機(jī)組,每臺(tái)制冷機(jī)組制冷量為2813kW,冷凍水的進(jìn)出水溫為5.5℃/ 13.5℃;每臺(tái)離心機(jī)組對(duì)應(yīng)兩臺(tái)400m3//h方形橫流超低噪音冷卻塔,冷卻水進(jìn)出水溫為37℃/32℃。
右輔樓及會(huì)議樓共用一套制冷系統(tǒng),冷負(fù)荷為5345kW,采用5臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組,每臺(tái)制冷機(jī)組的制冷量為1266kW,冷凍水的進(jìn)出水溫為5.5℃/13.5℃。
2.2 熱源設(shè)備布置
考慮到桂林地區(qū)冬季時(shí)間較短,氣溫相對(duì)較高,本工程冬季主樓、左輔樓、右輔樓及會(huì)議樓共用一套制熱系統(tǒng),熱負(fù)荷為7155kW,采用6臺(tái)熱泵機(jī)組,每臺(tái)熱泵機(jī)組的制熱量為1268kW,熱水的進(jìn)出水溫為40℃/45℃。
離心制冷機(jī)組,冷凍水泵,冷卻水泵,熱水泵位于一層空調(diào)制冷機(jī)房;風(fēng)冷熱泵、冷卻塔位于大廳會(huì)堂屋面。其布置見(jiàn)圖1冷熱源系統(tǒng)圖。
圖1 冷熱源系統(tǒng)圖
2.3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能的基本理念與主導(dǎo)方向
在設(shè)計(jì)中注重改變以往重功能、輕節(jié)能,對(duì)節(jié)能的考慮僅限于滿足設(shè)計(jì)規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)提出的限定性要求的思想,轉(zhuǎn)變?yōu)楸9δ埽毓?jié)能,導(dǎo)入節(jié)能目標(biāo),主動(dòng)追求合理發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能潛力的設(shè)計(jì)理念,從根本上提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能水平。
據(jù)對(duì)多個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)(平均值),空調(diào)主機(jī)能耗占通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)總能耗的比例最大,為49.6%;其次為空調(diào)末端(空氣處理機(jī),新風(fēng)處理機(jī),風(fēng)機(jī)盤管)能耗,約占25.5%,水泵能耗居第三位為14.4%,這三者能耗站占總能耗的89.5%[1]。因此,降低冷源系統(tǒng),空調(diào)末端及水泵輸送能耗是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的主導(dǎo)方向和重點(diǎn)。
3.1 一次泵變流量系統(tǒng)
一次泵變流量系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)荷的變化,利用水泵變頻調(diào)節(jié)水流量來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。一次泵變流量系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。
一次泵變流量系統(tǒng)中,冷水機(jī)組的蒸發(fā)器流量許可變化范圍和許可流量變化率是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題,冷水機(jī)組控制器對(duì)穩(wěn)定出水溫度起關(guān)鍵作用。旁通閥和流量傳感器、變頻水泵運(yùn)行、冷水機(jī)組的加減是冷水機(jī)組群控的主要問(wèn)題。
在一次泵變流量系統(tǒng)中,冷水機(jī)組和水泵臺(tái)數(shù)可不必一一對(duì)應(yīng),二者臺(tái)數(shù)變化和啟??煞謩e獨(dú)立控制。通過(guò)加大冷水機(jī)組蒸發(fā)器的流量,充分利用冷水機(jī)組的超額冷量,而不必開(kāi)啟另一臺(tái)冷水機(jī)組和相應(yīng)的冷卻水泵,可減少冷水機(jī)組和冷卻水泵的全年運(yùn)行時(shí)數(shù)和能耗。據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究,單從水泵的能耗比較,它比一次泵定流量系統(tǒng)能耗節(jié)約了75%,比二次泵變流量系統(tǒng)節(jié)約了60%,水泵變頻后耗電量將降低23.6%~30%左右,節(jié)約了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用;若再與二次泵變流量系統(tǒng)相比,還節(jié)省了系統(tǒng)初投資和機(jī)房面積。
圖2 一次泵變流量系統(tǒng)原理圖
3.2 一次泵變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)之建議
1)機(jī)組選擇:①選擇蒸發(fā)器流量許可變化范圍大,最小流量盡可能低的冷水機(jī)組,如離心機(jī)30%~120%,螺桿機(jī)45%~120%,最小流量宜小于50%;②選擇蒸發(fā)器許可流量變化率大的冷水機(jī)組,每分鐘許可流量變化率宜大于30%;③選擇蒸發(fā)器壓降相當(dāng)?shù)牟煌淞康睦渌畽C(jī)組;④冷水機(jī)組控制器能快速穩(wěn)定出水溫度。
2)旁通管:①選擇精度高、調(diào)節(jié)性能好的控制閥門;②旁通管的設(shè)計(jì)流量為冷量最大機(jī)組許可的最小流量;③盡可能減少控制延遲時(shí)間。
3)機(jī)組群控(加減機(jī)):①在加機(jī)前先對(duì)原運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)組卸載;②機(jī)組的隔離閥動(dòng)作緩慢,確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行;③合理的群控方案,避免頻繁加減機(jī)。
4)空調(diào)水系統(tǒng)配置:①水泵與機(jī)組的運(yùn)行相互獨(dú)立,有利于機(jī)組提供“超額冷量”;②選擇精度高的流量計(jì),重視測(cè)量方法;③重視對(duì)流量瞬間變化的控制。
5)空氣側(cè)設(shè)備控制:多臺(tái)設(shè)備的啟停時(shí)間宜錯(cuò)開(kāi)。
3.3 冷水供回水大溫差措施及應(yīng)用分析
本工程設(shè)計(jì)冷水進(jìn)出水溫為5.5℃/13.5℃,文獻(xiàn)[3]第6.4.1條指出:空調(diào)冷水供回水溫差宜采用5~10℃,一般為5℃,并說(shuō)明如果采用6~9℃的大溫差設(shè)計(jì)可以減少水泵耗電量和管網(wǎng)管徑,但制冷機(jī)出水溫度的降低也使其效率有所下降,所以應(yīng)綜合考慮確定。同時(shí)在文獻(xiàn)[4]第5.3.18條第7款中指出:某些采用8℃大溫差的實(shí)際工程在運(yùn)行中取得了較好的節(jié)能效果,但強(qiáng)調(diào)是否采用大溫差應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中,筆者為考證采用8℃大溫差的可行性,請(qǐng)某合資品牌與某國(guó)產(chǎn)品牌生產(chǎn)商根據(jù)各自程序進(jìn)行了計(jì)算,其結(jié)果為:空調(diào)箱供回水(5.5℃/13.5℃)8℃溫差相比(7℃/12℃)5℃溫差的制冷能力下降約4%~5%,風(fēng)機(jī)盤管制冷能力下降約4%~7%,但空調(diào)箱采用為盤管增加擾流措施,調(diào)整肋片間距或增加盤管排數(shù)等方法可滿足制冷要求。在設(shè)計(jì)選型中風(fēng)機(jī)盤管一般有余量,對(duì)個(gè)別不能滿足的可加大一號(hào)或采用三排盤管。總之,由于末端選型變化甚微,其造價(jià)也不會(huì)明顯增加,反而會(huì)因?yàn)槟┒吮P管在8℃溫差時(shí)的流量和阻力分別只是5℃溫差時(shí)的62%和38%而更有利于節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。據(jù)此可以認(rèn)為:就末端來(lái)說(shuō),采用8℃溫差(5.5℃/13.5℃)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是可行的,但大溫差對(duì)冷源和輸送系統(tǒng)的影響需要作進(jìn)一步的分析論證。
3.4 大溫差對(duì)設(shè)備及輸送系統(tǒng)的影響
近年來(lái)有許多研究表明(如文獻(xiàn)[5]),加大供回水溫差可造成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化。主要是由于要保證末端設(shè)備的平均水溫不變,勢(shì)必造成冷水機(jī)組出水溫度降低,效率下降;而水流量的減少又影響末端設(shè)備,盤管的換熱,有可能導(dǎo)致增大盤管或設(shè)備型號(hào)。針對(duì)常用的三種末端形式,文獻(xiàn)[5]利用計(jì)算機(jī)選型軟件,在冷水供回水溫分別為7.2℃/12.8℃、5.6℃/13.6℃、5.6℃/15.6℃三種不同溫差情況下進(jìn)行研究分析,計(jì)算機(jī)選型得出的所需盤管的排數(shù)見(jiàn)表1。
表1 冷水供回水溫差對(duì)盤管排數(shù)的影響
從表3看出:冷水供回水溫差為8℃時(shí),所需的水盤管排數(shù)(除混風(fēng)工況外)無(wú)需增加。若對(duì)盤管增加擾流措施,增加其換熱效果,則混風(fēng)工況下的空調(diào)箱的盤管數(shù)可不需要變化。
3.5 冷水泵輸送能耗的節(jié)約途徑及分析
文獻(xiàn)[6]指出:在過(guò)去的30年內(nèi),冷水機(jī)組的效率提高了近一倍,使冷水機(jī)組的能耗在冷水系統(tǒng)能耗中的比例已由78%下降到了58%,而水泵和冷卻塔的運(yùn)行能耗卻由22%上升到了42%。顯然,節(jié)約水泵和冷卻塔的能耗是當(dāng)務(wù)之急。
文獻(xiàn)[7]對(duì)國(guó)內(nèi)大量公共建筑進(jìn)行了能耗調(diào)查或?qū)崪y(cè),總結(jié)出在冷源及輸送系統(tǒng)中,制冷機(jī)能耗約為總運(yùn)行能耗的59%~66%,水泵加冷卻塔運(yùn)行能耗占比約為41%~34%,盡管水泵及冷卻塔的裝機(jī)容量占比小些,但其實(shí)際運(yùn)行能耗所占比例大,與自身具備相對(duì)完善的能量調(diào)節(jié)能力的制冷機(jī)相比,優(yōu)化輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,降低水泵加冷卻塔的裝機(jī)容量及其所占比例,是降低整個(gè)空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行能耗的有效途徑。為此,本工程根據(jù)總的空調(diào)面積,水泵楊程,水系統(tǒng)輸送距離,末端負(fù)荷變化的需求情況采用一次泵變流量輸送系統(tǒng)。由于一次泵變流量輸送系統(tǒng)的冷水機(jī)組和水泵臺(tái)數(shù)不必一一對(duì)應(yīng),它們的臺(tái)數(shù)變化和啟??煞謩e獨(dú)立控制,并能根據(jù)末端負(fù)荷的變化,調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)和冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的流量,從而最大限度地降低變頻水泵的能耗;還能充分利用冷水機(jī)組的超額冷量,減少并聯(lián)的冷水機(jī)組和冷卻水泵的超額冷量,減少冷水機(jī)組和冷卻水泵的全年運(yùn)行時(shí)數(shù)和能耗。
由本文分析可知在冷水泵輸送系統(tǒng)中采用大溫差設(shè)計(jì),能顯著減少冷水泵輸送功率,節(jié)約裝機(jī)容量。但由于水泵的輸送功率與冷水流量和管道阻力損失成正比,而在實(shí)際工程中,空調(diào)系統(tǒng)冷水管道的設(shè)計(jì)是采用假正比摩阻法,當(dāng)管道系統(tǒng)冷水流量減少時(shí),冷水管道尺寸也將減少。
水泵的功率N應(yīng)按下式計(jì)算:
式中:p為水的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;G為水流量,m3/h;H為水泵楊程,m;η為水泵效率。
采用大溫差時(shí),由于流量的減少,所選系統(tǒng)管徑隨之減小,因管道比摩阻仍取經(jīng)濟(jì)比摩阻,由此選用管道后,冷水管道的壓力損失與5℃溫差的系統(tǒng)大致相當(dāng),于是冷水泵功率僅與流量成正比。采用8℃溫差時(shí)水泵功率N的關(guān)系為N1=5/8N0=62.5%N0,減少的水泵功率為:100%-62.5%=37.5%。說(shuō)明冷水系統(tǒng)采用大溫差設(shè)計(jì),在運(yùn)行時(shí)間相同的情況下,水泵運(yùn)行能耗可顯著減少。
3.6 全面水力平衡措施
本工程水系統(tǒng)采用全面水力平衡措施(動(dòng)態(tài)壓差平衡閥+電動(dòng)調(diào)節(jié)閥+靜態(tài)平衡閥)組合使用,與冷水大溫差技術(shù)、冷水泵變頻技術(shù)等相結(jié)合,這樣不僅可有效解決冷水過(guò)量輸配帶來(lái)的能源浪費(fèi)問(wèn)題,還可以優(yōu)化冷水和冷卻水管網(wǎng)的設(shè)計(jì),降低冷水和冷卻水系統(tǒng)輸送能耗。根據(jù)工程具體情況,綜合考慮后,空調(diào)水系統(tǒng)均為一次變流量。本變流量系統(tǒng)中,全部為變頻泵,根據(jù)環(huán)路中最不利的壓差變化調(diào)節(jié)變頻泵組的數(shù)量以及水泵轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用。
3.7 對(duì)本工程冷源和輸送系統(tǒng)節(jié)能措施的定性分析
本工程通過(guò)對(duì)冷源和輸送系統(tǒng)采取冷水、冷卻水一次泵變頻變流量技術(shù)、全面水力平衡措施、冷水大溫差設(shè)計(jì),三項(xiàng)合計(jì)折合到整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)總裝機(jī)容量節(jié)省率可達(dá)23%。特別值得提出的是采用冷水大溫差設(shè)計(jì)措施,經(jīng)計(jì)算比較,本工程可減少總裝機(jī)容量195kW,為總裝機(jī)容量的14%。而且制冷機(jī)裝機(jī)容量所占比例由66.5提高到74%;水泵加冷卻塔的裝機(jī)容量所占比例由33.5%降低到26%。因此可定性推斷,本工程水系統(tǒng)采用8℃溫差(5.5℃/13.5℃)將比5℃溫差(7℃/12℃)的運(yùn)行能耗顯著降低。再有加大溫差、減少流量會(huì)帶來(lái)水泵、管道、閥門等尺寸變小和保溫材料的減少,設(shè)備、材料及施工費(fèi)用降低,無(wú)疑可以節(jié)約工程的初投資。
4.1 水系統(tǒng)自控與節(jié)能技術(shù)方案
本工程夏季采用3臺(tái)制冷機(jī)組,冬夏季采用6臺(tái)冷熱泵提供熱負(fù)荷與冷負(fù)荷。BAS對(duì)冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻塔進(jìn)出水管電動(dòng)閥及其風(fēng)機(jī)的啟停順序?qū)嵤┏绦蚩刂婆c均時(shí)控制,以保證冷水機(jī)組正常啟停。為使其自控方案緊密結(jié)合工程實(shí)際,體現(xiàn)實(shí)用合理,控制良好,節(jié)能效果理想,運(yùn)行、維護(hù)、管理成本及初投資低廉,為此,對(duì)其技術(shù)方案進(jìn)行了研究與論證,并滿足如下要求:
1)由于本空調(diào)系統(tǒng)全年大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%~70%范圍內(nèi)工作,因此,在變頻調(diào)速水泵選型時(shí),應(yīng)使所選水泵在70%設(shè)計(jì)流量時(shí)的工況點(diǎn)落在特性曲線的最高點(diǎn)上;或者說(shuō),當(dāng)水泵只有額定轉(zhuǎn)速的特性曲線時(shí),水泵的工作點(diǎn)必須落在設(shè)計(jì)工況最高效率點(diǎn)的右側(cè),以有效減少變流量水泵在空調(diào)期內(nèi)的總運(yùn)行能耗。
2)在通過(guò)冷水機(jī)組的流量大于該機(jī)組的允許最低流量、流量變化率小于該機(jī)組允許最大流量變化率的前提下,冷水機(jī)組可以正常運(yùn)行,空調(diào)水系統(tǒng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)均應(yīng)滿足要求。
3)通過(guò)對(duì)壓差傳感器所測(cè)得的實(shí)際壓差值與設(shè)定壓差值進(jìn)行比較,調(diào)節(jié)一次泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,以維持實(shí)際壓差穩(wěn)定在設(shè)定值。
4)通過(guò)空調(diào)冷水系統(tǒng)溫度、流量的數(shù)據(jù)采集及計(jì)算,根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷和流量情況,綜合判斷后增加或減少冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。
5)冷水機(jī)組所配置的電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的行程時(shí)間應(yīng)與機(jī)組的允許最大流量變化率相配合,以期滿足達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間要求。
6)當(dāng)一次泵已單臺(tái)運(yùn)行,仍需要調(diào)節(jié)至低于允許最低頻率時(shí);或當(dāng)冷水機(jī)組已單臺(tái)運(yùn)行,仍需調(diào)節(jié)至低于允許最低流量時(shí),維持在該頻率定頻運(yùn)行,并通過(guò)調(diào)節(jié)旁通調(diào)節(jié)閥以維持實(shí)際壓差值穩(wěn)定在設(shè)定值。
4.2 自控主體設(shè)備及方式
為較好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求的預(yù)期效果,經(jīng)反復(fù)研究后,決定本工程采用一臺(tái)控制器,控制器內(nèi)設(shè)一個(gè)有記憶功能的微處理器??刂破鞯娘@示屏可顯示各控制區(qū)域的設(shè)定值、過(guò)程變量、水泵運(yùn)行情況,水泵運(yùn)行次序、PID調(diào)節(jié)范圍,水泵或變頻器失靈情況、故障診斷、手動(dòng)或自動(dòng)轉(zhuǎn)換情況、備用電池的儲(chǔ)電量、報(bào)警情況等。
在控制方式中,特別值得一提的是:壓差傳感器的測(cè)點(diǎn)設(shè)在系統(tǒng)最不利環(huán)路的AHU冷(熱)水盤管的進(jìn)出水支管上,從計(jì)算結(jié)果看,與大多數(shù)采用在機(jī)房?jī)?nèi)供回水總管之間設(shè)壓差傳感器的控制方法相比,水泵調(diào)速范圍增加了一倍多;水泵在零到設(shè)計(jì)流量的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),前者的計(jì)算軸功率僅為后者的37.3%~86.8%;同時(shí),運(yùn)行中控制器的適當(dāng)效率程序還將隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)流量傳感器的流量信號(hào)和所預(yù)載的水泵特性曲線,綜合水泵實(shí)際運(yùn)行軸功率、水泵效率及變頻器功耗,適時(shí)確定增減水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù);從而使系統(tǒng)獲得最佳節(jié)能效果。
系統(tǒng)經(jīng)過(guò)二年多時(shí)間的運(yùn)行,其運(yùn)行、自控、節(jié)能效果情況良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期設(shè)想。
結(jié)合工程實(shí)際,水系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)采用一次泵變流量,全面水力平衡措施、8℃(5.5%/13.5℃)大溫差技術(shù)的節(jié)能設(shè)計(jì),利用增加擾流措施,使其相比常規(guī)的5℃溫差(7℃/12℃)末端選型基本無(wú)改變,總裝機(jī)容量減少14%~15%,約200kW,節(jié)能效果顯著,系統(tǒng)的總體初投資和運(yùn)行能耗明顯降低。
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Ana lys is of Air Conditioning Wa te r Sys te m Ene rgy-s a ving Applic a tions in Lingui Ne w Are a Ve nture Building
HU Xue-qin
Design Branch of Hunan No.6 Construction Engineering Company
This paper,by combining engineering examples,elaborates the establishment and application of energy-saving design concept.The energy-efficient air conditioning water system has been exemplified to make a qualitative analysis and exploration of the adopted application theory and energy-saving effect of the energy-saving measures.The author suggests that comprehensive hydraulic balancing measures,large temperature difference in cold water and cold water pump inverter technology used in combination can optimize the running energy-saving efficiency of the water system to improve the energy-saving effect.This paper points out that the scientific and rational self-control programs and technical means to meet the requirements of the design conditions.
energy-saving concept,cold water system,automatic control,energy-saving effect,analysis and exploration
1003-0344(2014)04-096-5
2013-5-21
胡雪欽(1980~),女,本科,工程師;湖南省長(zhǎng)沙市青園路168號(hào)湖南省第六工程公司設(shè)計(jì)分公司(410004);E-mail:hxm1950813@126.com