空調系統變負荷節能問題探討

【摘要】在暖通空調工程中，泵和風機消耗的能源占很大部分：供暖運行時能耗的15%^-25%為水泵電耗；空調運行時能耗的35%^-45%為風機、水泵能耗。在這部分風機、水泵能耗中，又有40%以上被各種調節閥門所消耗，如果能夠將調節閥所消耗能量中的一部分節省下來，將具有重要意義。

【關鍵詞】暖通空調；調節閥；工程設計

1.影響泵和風機能耗的主要因素

閥門的作用是增加系統阻力來消耗多余部分的壓頭來實現調節流量的目的。在暖通空調工程中，選擇風機或水泵時，揚程必須按照最不利支路選擇，由最遠支路或用戶要求的資用壓頭來確定。這一支路的流量可能僅為系統總流量的很小一部分，為了這一小部分流量選用大的揚程，其他流量也只好通過風機或水泵來達到同樣的揚程，再由閥門消耗，造成浪費。

工程設計中還要考慮富裕量來保證實際情況發生各種變化時系統仍能夠達到設計參數，一般為了保證在天氣溫度最高的情況下能滿足要求，按最大負荷的15%取富裕量，為了消除富裕量也要靠截流閥和旁通閥調節，不可避免的產生較大的截流損失，同樣造成浪費。外界環境的變化和不同的實際需求也會造成系統負荷的顯著變化，使得整個系統在更多時間處于部分負荷狀態，不僅浪費大量電能，而且可能造成空調冷暖不適，對設備帶來不利影響。

2.幾種調速方法的比較

調節風機、水泵轉速的方法主要有液力耦合器法、變極調速法、降壓調速法和變頻調速法。

2.1液力耦合器

空調風機、水泵的轉速調節可以通過電機轉速調節或傳動機構傳動比調節兩種途徑來實現，其中傳動比調節方案中主要使用液力耦合器，一般液粘調速離合器主要應用于大功率風機和水泵調速節電的場合以及某些軍工產品等對成本控制要求相對較低的場合之中。

2.2變極調速

工業中常用的異步電機調速方法有變極調速、定子調壓調速、定子串電阻或串電抗調速、轉子串電阻調速、串級調速、雙饋調速、變頻調速等。其中鼠籠式異步電機主要采用變極調速、定子調壓調速、定子串電阻和變頻調速技術。

變極調速是通過改變異步機的同步轉速來獲得兩個或多個轉速，但這些轉速是不連續的，即無法實現所謂的“無級變速”，而且電機要求定子繞組可以提供兩種以上的極數，要改變定子繞組的內部接線，電機結構比較復雜。這種調速方式在空調風量調節中也得到了應用，由于轉速不連續，所以系統性能和節能指標會打折扣。

2.3降壓調速

一般來講，定子降壓或串電阻都使得電機的機械特性變軟，而且過載能力隨調速范圍的增大而明顯下降，同時由于理想空載轉速恒等于同步轉速，致使負載較輕時調速范圍大幅度減小，因此在電機拖動恒轉矩負載的場合，鼠籠式異步機的降壓調速和定子串電阻電抗調速的性能是較差的，使用范圍有限。

但是在空調風機的應用上，情況是比較特殊的，它使得鼠籠式異步機的降壓調速能夠得到良好的應用，該特點就在于風機流量、壓差以及功率與轉速之間的特定關系，在轉速降低時，轉矩和功率下降得更快。

2.4變頻調速

變頻調速通常由變頻器和變頻電機構成，是最新的異步電機的調速方式，這種調速方式效率高、系統運行性能好、節能效果最好，可以實現無級調速。

對于空調風機而言，其調速性能要求相對較低，因此可以采用不帶速度反饋的變頻調速系統，同時考慮到流量、壓差以及功率與轉速之間的線性、平方和立方關系，對壓頻比（變頻器的輸出電壓和輸出頻率的比值）恒定的開環控制方式進行修正。將壓頻曲線配置在恒定壓頻比直線之下，保證在低速運行時電機的氣隙磁通低于額定值，電機的最大轉矩低于額定氣隙磁通時的轉矩，于是鐵損耗較小，在部分負載時可以提供更高的效率。

連續改變供電電源的頻率，即可連續平滑的調節電機的轉速，這種方法稱為變頻調速，變頻調速具有良好的調速特性。應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。以風機、水泵為例，根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節電效果非常可觀。在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因而變頻調節是理想的調速方式。

3.風系統變負荷調節

一個空調系統風量的調節包括兩個方面：各個空調分區的風量調節和整個空調系統的總風量調節。從控制方法上來說就是：各個空調分區根據實際需要調節自己的送風量；整個系統根據所有空調分區的總風量調節風機轉速來改變總送風量。

3.1常用的風量控制方法

3.1.1定靜壓控制法

所謂定靜壓控制就是通過調節風機來保持風道上某一個點的靜壓值恒定不變。定靜壓控制的基本運行方式是，設定一個比較合適的靜壓值并在運行過程中不再改變該設定值。從理論上說，只要調節風機轉速就能始終保持改點靜壓值不變，各個末端就能通過調節閥來實現各個空調區對流量的不同需求。

3.1.2變靜壓控制法

變靜壓控制是在定靜壓控制運行的基礎上階段性的改變靜壓設定值，以更好地適應當前流量的需求，盡量使靜壓保持允許的最低值，以節省風機能耗。

3.1.3總風量控制法

實際運行中各個末端的設定風量反映了該末端目前要求的送風量，所有末端設定風量之和則是系統當前要求的總風量，而系統總風量和風機轉速是一個近似正比的關系。該控制法與靜壓控制的主要區別在于：定靜壓或變靜壓控制法均要設定一個靜壓點，通過調節風機轉速而保持該靜壓點的壓力值維持在一定范圍，而總風量控制法則舍棄了靜壓點，不再監測調控靜壓點的壓力值，而是直接統計各末端所要求送風量之和，根據總風量調節風機轉速。

定靜壓控制簡單，但風機能耗較高，末端閥位多處于偏小狀態，相應帶來噪聲問題；變靜壓能夠最大限度的節省風機能耗，但控制方法過于復雜，實現起來比較困難；而總風量控制法由于舍棄了靜壓點的監測，減少了風機的壓力控制環節，使得控制形式簡化，系統可靠性提高，總風量控制法在風機節能上介于定靜壓控制和變靜壓控制之間，更接近于變靜壓控制，但由于其控制方法更為簡單，不會引起系統壓力震蕩，在更多的場合取代了靜壓控制。

3.2聯動風閥設計

在“風機盤管空調器加獨立新風機組”的中央空調系統設計中，由于采用獨立新風系統，新風一般是集中處理后通過風管分送到各個空調區域空調器的出風處，在那里同風機盤管出風混合后送出；或分送到各個空調區域空調器的回風處，在那里同空調器回風混合，再經空調器處理后送出。各空調區域新風量一般依據衛生要求或規范標準要求，按人均最低新風量來送風。

在實際運行中，空調系統的負荷不斷變化，每時每刻所需的新風量也是一個變量，如果送風量按照一定值設定就會造成能量的浪費。例如，某時刻某個空調區域會議室將停止使用，空調器冷凍水路被切斷，但新風仍然向空調房間輸送，使得新風機組的能耗并沒有因為該空調區域停止使用而下降，造成能源的浪費。由于采用了聯動風閥，使得各空調區在無人或不使用的條件下，切斷送入該空調區的新風，進而減少了系統的總新風量，減少了新風負荷。利用總風量控制法計算出各個空調區末端的系統總送風量，并計算出合適的風機轉速，采用變頻技術就能夠最大限度的實現節能。

【參考文獻】

[1]蘇楊.智能建筑離生活有多遠[J].百科知識，2000，（03）.