The Equipment Selection and Automation System of Total Heat Recovery Air Conditioning Unit with Auxiliary Heat Boiler System

付國才，胡浩，趙旭

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淺談全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組
加輔熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)備選型與自動控制

The Equipment Selection and Automation System of Total Heat Recovery Air Conditioning Unit with Auxiliary Heat Boiler System

付國才，胡浩，趙旭

1 引言

全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組是在集中空調(diào)機(jī)組供冷時，回收冷水機(jī)組的冷凝熱量制出50～60℃生活熱水的螺桿空調(diào)冷水機(jī)組。我們在近期完成的三亞海棠灣某酒店項目，針對當(dāng)?shù)厝陰缀趺刻於际褂每照{(diào)的氣候特點，從綜合節(jié)能節(jié)水和綠色建筑的角度出發(fā)，采用了浙江中控的PCS-300系列樓宇自控系統(tǒng)和全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組，實際運行取得顯著節(jié)能效果。通過近3年建設(shè)和應(yīng)用全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組的實踐，為保證需求和取得最大節(jié)能效果，在應(yīng)用全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組加輔熱鍋爐系統(tǒng)的自動控制時，需重點做好以下技術(shù)工作。

2 全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組加輔熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)備選型

2.1 機(jī)組設(shè)置

三亞海棠灣某酒店項目設(shè)計計算冷負(fù)荷8500kW、熱水需求量為800t/d、生活熱水溫度為50～60℃、熱水流量200m?/h。具體選用機(jī)組見表1。

表1 實際工程選配機(jī)組參數(shù)表

2.2 水泵的選擇

2.2.1 系統(tǒng)流程圖及其工藝流程說明

設(shè)計系統(tǒng)流程示意如圖1所示。

2.2.2 機(jī)組選配

按照目前市場空調(diào)制冷機(jī)組的性能參數(shù)，可列出不同機(jī)型各額定制冷量性能參數(shù)表（見表2、表3、表4）。

圖1 全熱回收冷水機(jī)組+輔助鍋爐系統(tǒng)流程示意圖

表2 離心冷水機(jī)組技術(shù)參數(shù)

表3 螺桿冷水機(jī)組制冷工況下技術(shù)參數(shù)

表4 螺桿機(jī)冷水組全熱回收（即制冷工況下制出7℃/12℃冷水同時制出55℃熱水）工況下技術(shù)參數(shù)

圖2 三種機(jī)組的性能曲線圖

注：L1＃離心式冷水機(jī)組; L2＃螺桿冷水機(jī)組（制冷工況）; L3＃螺桿冷水機(jī)組（全熱回收工況）。

由圖2可以看出：

采用單冷空調(diào)螺桿機(jī)組的能效比最低；

采用全熱回收螺桿冷水機(jī)組的能效比最高。

在選用全熱回收螺桿冷水機(jī)組時，可根據(jù)計算的冷、熱負(fù)荷進(jìn)行選配，若要達(dá)到明顯的節(jié)能效果，離心機(jī)組制冷量應(yīng)該基本接近計算冷負(fù)荷。根據(jù)需求，供熱水量選用全熱回收機(jī)組的制冷量應(yīng)該小于離心機(jī)組制冷量的40%。這樣，在需要制熱水時，可以保證離心冷水機(jī)組在60%以上的負(fù)荷率上運行，此時離心冷水機(jī)組的能效比與滿負(fù)荷條件下的能效比幾乎相同，避免因啟用全熱回收機(jī)組使離心機(jī)組在低負(fù)荷低效率的狀態(tài)下運行。

3 采用中控PSC-300樓宇自控系統(tǒng)進(jìn)行自動控制設(shè)計3.1 系統(tǒng)工藝流程分析

通過對該系統(tǒng)的工藝進(jìn)行深入的分析，由于實際運行需求的冷負(fù)荷會隨天氣溫度、濕度變化，我們采取離心機(jī)組在60%以上的負(fù)荷率運行為條件，根據(jù)實際需求不同的冷負(fù)荷變化，編制了所選機(jī)組運行控制流程表（見表5）。

從表5中可以看出，該系統(tǒng)控制邏輯相當(dāng)復(fù)雜，在選擇控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)穩(wěn)定性是第一考慮要素。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合被控系統(tǒng)的工藝流程和機(jī)組運行控制流程表，對以下設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

1）鍋爐系統(tǒng)

鍋爐自動控制系統(tǒng)是鍋爐廠家完成的，通過485軟接口的方式，開放給中控PSC-300樓宇自控系統(tǒng)。主要監(jiān)控鍋爐系統(tǒng)開關(guān)控制、排煙溫度、電動閥門的開關(guān)狀態(tài)、循環(huán)泵的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)，通過安裝壓力傳感器、水管溫度傳感器和一氧化碳傳感器，來監(jiān)測鍋爐系統(tǒng)管道節(jié)點的壓力、溫度和鍋爐房內(nèi)的一氧化碳含量。例如：板換一次側(cè)供回溫度、壓力、電動調(diào)節(jié)閥的控制和開度反饋；板換二次側(cè)供回溫度和壓力。根據(jù)二次側(cè)供水溫度，控制一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的開度，來保證二次側(cè)供水溫度的恒定。根據(jù)一氧化碳的含量，聯(lián)動控制鍋爐房內(nèi)送、排風(fēng)機(jī)，保證鍋爐房內(nèi)一氧化碳含量在安全值以內(nèi)。

2）生活水熱水系統(tǒng)

主要監(jiān)控：循環(huán)加熱水泵運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動狀態(tài)、開關(guān)控制，板換一次側(cè)供回水壓力和溫度，板換二次側(cè)供回水壓力和溫度，保溫水箱溫度和液位，市政補(bǔ)水閥門的開關(guān)控制和開關(guān)狀態(tài)，變頻供水泵運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動狀態(tài)、變頻控制、變頻反饋。當(dāng)水箱液位低于設(shè)定值時，打開補(bǔ)水閥，給保溫水箱進(jìn)行補(bǔ)水。當(dāng)水箱溫度低于設(shè)定值時，開啟加熱循環(huán)泵進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度大于或等于設(shè)定值時，關(guān)閉熱水循環(huán)泵。

3）空調(diào)冷源系統(tǒng)

主要監(jiān)控：冷卻塔運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動狀態(tài)、開關(guān)控制，冷水主機(jī)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動狀態(tài)、開關(guān)控制、冷凝器飽和溫度、主機(jī)電流比、熱水出水溫度、熱水進(jìn)水溫度、冷凍水出水溫度、冷凍水進(jìn)水溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度，冷卻泵運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動狀態(tài)、變頻控制，冷凍泵運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動狀態(tài)、變頻控制等。

4 能效與經(jīng)濟(jì)效益分析4.1 單臺全熱回收螺桿冷水機(jī)組生產(chǎn)1t 55℃熱水的能耗

4.1.1 產(chǎn)生1t 55℃熱水耗能理論值

從45℃加熱至55℃的1t生活熱水（以下簡稱1t 55℃的熱水）需耗能理論值是：

Q=C×m×ΔT=4.2×103J/(kg?℃)×1000kg×10℃=10×103kcal

式中：水的比熱容C=4.2×103J/(kg?℃)；

加熱水的質(zhì)量m=1000kg；

加熱溫差ΔT=55℃－45℃=10℃。

4.1.2 熱回收機(jī)組產(chǎn)生1t 55℃生活熱水的耗電量

由表6可得出全熱回收冷水機(jī)組隨冷凝器出水溫度變化對應(yīng)的輸入功率、制冷量、熱回收量變化曲線，如圖3所示。

由于圖3中輸入功率曲線、制冷量曲線、熱回收量曲線近似線性，在冷凝器出水溫度由45℃增加至55℃的過程中，按可算術(shù)平均值計算全熱回收機(jī)組在加熱1t55℃熱水過程中的近似參數(shù)：

輸入功率P1=373kW；

制冷量Q1=1208kW；

熱回收量Q2=1560kW。

由于1560kW=1560kJ/s；那么熱回收機(jī)組生產(chǎn)1t 55℃熱水所需運行時間：

表5 機(jī)組運行控制流程表

表6 400RT全熱回收冷水機(jī)組性能參數(shù)表

圖3 全熱回收冷水機(jī)組輸入功率曲線、制冷量曲線、熱回收量曲線圖

T1=42×103kJ÷1560kJ/s=26.9s=0.0075h

熱回收冷水空調(diào)機(jī)組生產(chǎn)1t55℃熱水的耗電量：

E=373kW×0.0075h=2.8kW?h（度）

4.2 天燃?xì)忮仩t生產(chǎn)1t 55℃熱水的能耗

根據(jù)現(xiàn)場安裝鍋爐的技術(shù)參數(shù)：

鍋爐100%負(fù)荷時的熱效率＞93%，保守取η1=95%；

燃燒器的燃燒效率＞99%，保守取η2=100%；

每立方天然氣的熱值ξ=9000kcal。

產(chǎn)生1t 55℃熱水鍋爐消耗熱量：

Q3 = Q1÷η1÷η2 =10×103kcal÷0.95 = 10526.32 kcal = 44.2×103kJ = 12.28 kW?h（度）

產(chǎn)生1t 55℃熱水鍋爐消耗天然氣體積V1 = Q3÷ξ= 1.17m?

4.3 熱回收冷水空調(diào)機(jī)產(chǎn)生1t 55℃熱水同時產(chǎn)生制冷能量對應(yīng)離心機(jī)制冷耗能

熱回收機(jī)組產(chǎn)生1t 55℃熱水過程中同時產(chǎn)生制冷量Q1=1208kW。

由表2可得該制冷量對應(yīng)的離心機(jī)組的型號是350RT，相應(yīng)的離心機(jī)組輸入功率P2=232kW。如果不采用熱回收機(jī)組，那么對應(yīng)熱回收機(jī)組產(chǎn)生1t 55℃熱水過程，350RT離心機(jī)組應(yīng)運行時間T1，才能保證空調(diào)供冷，相應(yīng)的耗電量：

E1 = P2×T1 = 232 kW×0.0075h = 1.74 kW?h（度）

4.4 離心機(jī)組冷卻水耗水量

4.3條說明如果不采用熱回收機(jī)組，應(yīng)需要350RT離心機(jī)組運行時間T1才能保證空調(diào)供冷，由表2可查出350RT離心機(jī)組每小時消耗的冷卻水量W=252m?/h。那么對應(yīng)熱回收機(jī)組產(chǎn)生1t 55℃熱水過程，350RT離心機(jī)組應(yīng)運行時間T1耗冷卻水量：

W1 = W×T1 = 1.89m?

4.5 能效比較

生產(chǎn)1t 55℃生活熱水，采用全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組與采用離心機(jī)組+鍋爐方式的能效比：

λ1=（Q3+E1）÷E =（12.28+1.74）÷2.8 = 5

即生產(chǎn)1t 55℃生活熱水，選擇全熱回收機(jī)組比離心機(jī)組+鍋爐組合系統(tǒng)節(jié)能5倍。

4.6 經(jīng)濟(jì)效益比較

4.6.1全熱回收機(jī)組運行費用

當(dāng)?shù)仉娰M按0.6元/（kW?h）計算，全熱回收冷水空調(diào)機(jī)組制冷同時生產(chǎn)1t 55℃生活熱水消耗的電費：

表7 機(jī)組投資成本

S1=0.6×E=0.6×2.8=1.68元

4.6.2離心機(jī)組+鍋爐傳統(tǒng)方式的費用

1）天然氣的價格每立方米4.8元，生產(chǎn)1t55℃生活熱水天然氣費：

S2=4.8×V1=4.8元/m?×1.17m?=5.62元。

2）350RT離心機(jī)組消耗的電費：S3=0.6×E1=0.6×1.74=1.04元。

3）離心機(jī)組耗水費：當(dāng)?shù)厮M每噸4元，離心機(jī)組耗水費：S4=4×W1=4×1.89=7.56元。

4）生產(chǎn)1t55℃生活熱水，選擇全熱回收機(jī)組比離心機(jī)組+鍋爐組合系統(tǒng)節(jié)省費用比：λ2=（S2+S3+S4）÷S1=（5.62+1.04+7.56）÷1.68=8.46（倍）節(jié)省費用：S5 =（S2+S3+S4）－S1 = （5.62+1.04+7.56）－1.68 = 12.54 （元）。

5 投資回報分析

5.1 年消耗費用計算

1）本項目每天消耗800t 55℃生活熱水。每年冷水機(jī)組運行時間不少于340天（以下按340天計算）。

采用熱回收機(jī)組一年共生產(chǎn)55℃熱水W55℃熱= 272000t；耗電費S電1=W55℃熱×S1= 456960元。

2）采用離心機(jī)組+鍋爐傳統(tǒng)組合系統(tǒng)方式，鍋爐一年共生產(chǎn)55℃熱水W55℃熱=272000t需耗天然氣費S氣=W55℃熱×S2=1528640元（鍋爐運行340天算）；離心機(jī)組一年耗電費S電2= W55℃熱×S3 = 282880元。

另外，離心機(jī)組一年消耗冷卻水量W年冷卻水= 514080t，所耗水費S年水=W年冷卻水×S4 = 2056320元。

5.2 投資回收期

5.2.1 全熱回收機(jī)組成本投資（見表7）

由表6計算，可得全熱回收+輔助鍋爐+自動控制系統(tǒng)方案比離心機(jī)組+鍋爐傳統(tǒng)組合要多投資：

S多投資= 230萬元

4.2.2投資回收期計算

由4.1中計算，可得出采取兩臺全熱回收機(jī)組（含輔助鍋爐+自動控制系統(tǒng)）比采取離心冷水機(jī)組+鍋爐傳統(tǒng)組合，在滿足900RT離心機(jī)組70%的冷負(fù)荷和生產(chǎn)800t55℃熱水需求量的條件下，每年可節(jié)省費用S年省=（2×S電2+ 2×S年水+S氣）－2×S電1=5293120元，約529萬元。

由：投資回收期Y= S多投資÷S年省（2）

多花費的投資為230（萬元），計算出這部分費用的回收期Y = 230÷529=0.43（年）。

6 結(jié)束語

在熱帶地區(qū)，集中空調(diào)+熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，使用全熱回收螺桿冷水機(jī)組（帶輔助鍋爐或冷媒）比使用離心式冷水機(jī)組+鍋爐更能節(jié)能和增加效益。主要是因為熱回收機(jī)組在熱帶地區(qū)一年中運行時間長達(dá)300天以上，以及一套完整的穩(wěn)定性要求極高的自動控制系統(tǒng)。

在北方地區(qū)，由于全熱回收機(jī)組運行的天數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于300天，因此，不建議使用全熱回收機(jī)組。

全熱回收螺桿冷水機(jī)組配套選擇使用了高效的計算機(jī)自動控制系統(tǒng)，使其能更加有效運行。

【摘要】綠色建筑實現(xiàn)綠色節(jié)能，提供舒適、健康、高效的工作生活環(huán)境，從綠色建筑概念逐漸延申至實現(xiàn)真正的建筑綠色節(jié)能。中控PCS-300系列的樓宇自控系統(tǒng)和全熱回收空調(diào)冷水機(jī)組在項目上的實際運行取得了顯著節(jié)能效果。

FU Guo-cai,HU Hao,ZHAO Xu

（浙江中控自動化儀表有限公司）（Zhejiang Central Control Automation Instrument Co.,Ltd.）

【Abstract】The implementation of the green energy saving,green building provides a comfortable,healthy and efficient working environment,gradually deepening from the concept of green building to realize the real green energy-saving buildings.Zhongkong PCS-300 series of building automation system and the total heat recovery air-conditioning chiller on the project of energy saving effect have been made in the actual operation.

【關(guān)鍵詞】樓宇自控；熱回收空調(diào)機(jī)組；綠色建筑

【Keywords】building automation; heat recovery air conditioning unit; the green building、