中央空調(diào)系統(tǒng)中機(jī)電設(shè)備節(jié)能運(yùn)行技術(shù)分析

摘要本文介紹了中央空調(diào)系統(tǒng)主要機(jī)電設(shè)備及其工作原理，分析了制冷壓縮機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特點(diǎn)，水泵、風(fēng)機(jī)的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特點(diǎn)，籍此分析了制冷壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)各自的變負(fù)荷、變流量運(yùn)行技術(shù)及節(jié)能效果。結(jié)果表明，對(duì)于制冷壓縮機(jī)不宜采用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)變負(fù)荷運(yùn)行，水泵、風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行可極大節(jié)約電能。

關(guān)鍵詞中央空調(diào)機(jī)電設(shè)備節(jié)能變頻調(diào)速

中圖分類(lèi)號(hào):TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 前言

我國(guó)目前建筑能耗占社會(huì)總能耗的22%-25%。隨著建筑面積逐年快速增加，人民生活水平不斷提高，我國(guó)建筑能耗必將急劇加大。大型公共建筑面積雖然只占全國(guó)建筑總面積的不到10%，但是此類(lèi)建筑中央空調(diào)、照明等的用能設(shè)備單位面積用能是居住建筑的幾倍，有些甚至十幾倍，因此消耗在大型公共建筑中的總能量十分可觀。目前既有大型公共建筑中央空調(diào)大多為定流量運(yùn)行模式，制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵及風(fēng)機(jī)選型一般容量偏大，這些機(jī)電設(shè)備絕大多數(shù)處于“大馬拉小車(chē)”的狀態(tài)。

我國(guó)已實(shí)施中央空調(diào)節(jié)能運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，而中央空調(diào)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各機(jī)電設(shè)備變負(fù)荷、變流量運(yùn)行。本文對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)各機(jī)電設(shè)備節(jié)能運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理及節(jié)能改造提供參考。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)的組成

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、冷卻塔、冷媒輸配管道、空氣處理機(jī)組以及末端裝置組成，其中的主要耗電機(jī)電設(shè)備有制冷機(jī)組中的壓縮機(jī)(蒸汽壓縮式制冷機(jī))、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)組中的風(fēng)機(jī)、末端裝置(如風(fēng)機(jī)盤(pán)管)中的風(fēng)機(jī)。目前，用于中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)主要有兩種:蒸汽壓縮式制冷

機(jī)、吸收式制冷機(jī)。

3中央空調(diào)系統(tǒng)中各機(jī)電設(shè)備節(jié)能運(yùn)行分析

中央空調(diào)系統(tǒng)中的機(jī)電設(shè)備按負(fù)載類(lèi)型可將其分為兩大類(lèi):

(1)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。如螺桿式或離心式制冷主壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)負(fù)載，它不僅對(duì)軸輸出轉(zhuǎn)矩具有最小值限定的需求，而且其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系也近似表現(xiàn)為線形特征。

(2)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。如冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤(pán)管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載，它們對(duì)軸轉(zhuǎn)矩沒(méi)有嚴(yán)格的需求，其軸功率與轉(zhuǎn)速具有顯著的立方關(guān)系特征。不同的負(fù)載類(lèi)型具有不同的轉(zhuǎn)矩、功率關(guān)系特性，應(yīng)采取不同的節(jié)能運(yùn)行技術(shù)。

3.1 制冷壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行技術(shù)

壓縮機(jī)本身是一套復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)于帶導(dǎo)葉片組的定速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的離心式壓縮機(jī)，其容量的調(diào)節(jié)是通過(guò)導(dǎo)葉執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)葉片組的角度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷劑流量變化而帶來(lái)的制冷能力的變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的，當(dāng)導(dǎo)葉片組處于關(guān)閉變化時(shí)，壓縮機(jī)吸入的制冷劑的量在減少，壓縮機(jī)處于卸載過(guò)程狀態(tài)，相反，當(dāng)導(dǎo)葉片組處于開(kāi)啟過(guò)程變化時(shí)，則壓縮機(jī)處于加載過(guò)程狀態(tài)。導(dǎo)葉控制裝置不斷驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉組電機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉片組的開(kāi)度變化，直到壓縮機(jī)的制冷量促使冷凍水的實(shí)際溫度約等于設(shè)定溫度。對(duì)于離心式這種速度型機(jī)組，通常采用限定導(dǎo)葉片組的開(kāi)度變化范圍與降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速相結(jié)合的方法，需要指出的是通常轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)離心式制冷機(jī)功率節(jié)約的貢獻(xiàn)一般小于10%，這也是在當(dāng)前條件下變頻調(diào)速技術(shù)在制冷壓縮機(jī)上未能得以廣泛應(yīng)用的主要原因。

螺桿壓縮機(jī)的功率調(diào)節(jié)可以通過(guò)減少螺桿的有效長(zhǎng)度—常用滑閥調(diào)節(jié)方式和降低螺桿的轉(zhuǎn)速—常用變頻調(diào)節(jié)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。螺桿壓縮機(jī)的功率輸出可以在10%～100%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)。

由以上分析可見(jiàn)，就中央空調(diào)制冷壓縮機(jī)而言，除因壓縮機(jī)本身業(yè)已采用了自動(dòng)能量調(diào)節(jié)方式外，其恒轉(zhuǎn)矩特性所表現(xiàn)的功率與轉(zhuǎn)速(或流量)之間的近似線性關(guān)系也限定了通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)獲取節(jié)能空間的幅度，因而出于節(jié)能改造性?xún)r(jià)比的考慮，一般不建議對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。

3.2 水泵、風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行技術(shù)

3.2.1 水泵、風(fēng)機(jī)的節(jié)能潛力分析

中央空調(diào)系統(tǒng)中水泵與風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備設(shè)置如下:

(1)冷凍水循環(huán)泵(簡(jiǎn)稱(chēng):冷凍泵)主要提供冷凍水循環(huán)的動(dòng)力，其輸入功率一般從11kw到132kw，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷凍泵為定流量泵，輸出功率恒定不變。

(2)冷卻水循環(huán)泵(簡(jiǎn)稱(chēng):冷卻泵)主要提供冷卻水循環(huán)的動(dòng)力，其輸入輸入功率一般從11kw到132kw，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷卻泵為定流量泵，輸出功率恒定不變。

(3)冷卻塔風(fēng)機(jī)主要為冷卻水降溫提供風(fēng)力，其輸入輸入功率一般從3kw到15kw，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷卻塔風(fēng)機(jī)為恒速風(fēng)機(jī)，輸出功率恒定不變。

(4)空氣處理機(jī)(風(fēng)機(jī)盤(pán)管、水冷風(fēng)柜)是進(jìn)行室內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)的末端設(shè)備，其中風(fēng)機(jī)提供了室內(nèi)空氣循環(huán)所需要的動(dòng)力，通常采用恒速定風(fēng)量風(fēng)機(jī)，額定功率從0.5kw到15kw，但數(shù)量較多。

(5)新風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)提供了新風(fēng)供應(yīng)、回風(fēng)和排風(fēng)的動(dòng)力，額定功率一般從2kw到55kw。

中央空調(diào)的設(shè)計(jì)往往是按照當(dāng)?shù)氐臍庀?(下轉(zhuǎn)第157頁(yè))(上接第154頁(yè))資料(最高/低氣溫)和建筑物的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，并考慮到最大能量(冷/熱量)需求，還要預(yù)留10%至20%的設(shè)計(jì)余量，所以水泵、風(fēng)機(jī)都有很大的余量。

此外，由于季節(jié)的輪轉(zhuǎn)和時(shí)間的變化，中央空調(diào)全年以最大功率運(yùn)行的時(shí)間很短，一般不足1%，所以大量恒速電機(jī)存在很大的節(jié)能潛力。

前已述及，水泵、風(fēng)機(jī)為變轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)電設(shè)備，其軸功率與轉(zhuǎn)速之間為三次關(guān)系，即流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間具有如下數(shù)學(xué)關(guān)系:

(1)

Q—流量;

n—轉(zhuǎn)速;

H—揚(yáng)程;

N—功率。

以上述關(guān)系式可得出，水泵、風(fēng)機(jī)的流量、揚(yáng)程、功率及電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)變化對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

由表1可看出，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚(yáng)程將下降到額定值的49%，同時(shí)，軸輸出功率下降到額定值的34.3%。在滿(mǎn)足系統(tǒng)基本揚(yáng)程需求的情形下，若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量50%時(shí)，在轉(zhuǎn)速控制方式下，其揚(yáng)程將下降到額定值的25%，其對(duì)應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的電能，節(jié)能效果非常明顯。

3.2.2 水泵、風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)

改變水泵、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可采用的方法有調(diào)換皮帶輪、采用液力連軸器、改變電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、交流電的頻率f與電機(jī)的極對(duì)數(shù)p之間的關(guān)系為:

n=60f(r/min) (2)

式中，s—電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率。

上式表明，改變f、p及s均可使得電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。但是改變s來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，效率低;改變電機(jī)極對(duì)數(shù)來(lái)調(diào)速，調(diào)速范圍有限，且是有級(jí)調(diào)速;而通過(guò)改變電機(jī)輸入電流的頻率來(lái)調(diào)速(即變頻調(diào)速)屬于無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍寬，效率高。

水泵、風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而可以為中央空調(diào)系統(tǒng)的變負(fù)荷、變流量運(yùn)行提供有力的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

中央空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行消耗大量的電能，針對(duì)各機(jī)電設(shè)備的工作原理及特點(diǎn)，應(yīng)分別采取相應(yīng)的變負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。對(duì)于制冷壓縮機(jī)由于其恒轉(zhuǎn)矩特性，不建議采用變速調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)變負(fù)荷調(diào)節(jié)，而對(duì)于水泵、風(fēng)機(jī)等變轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)電設(shè)備應(yīng)采用變轉(zhuǎn)速技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。