淺析中央空調系統節能運行

張 鵬

（濟南市節能監察支隊，濟南 250000）

淺析中央空調系統節能運行

張 鵬

（濟南市節能監察支隊，濟南 250000）

文章介紹了中央空調系統在制冷機運行控制、冷卻塔運行、冷卻水系統與制冷機組運行聯動、冷凍泵變頻改造等節能管理和節能技術改造的相關措施，表明了加強中央空調系統的節能運行管理是實現公共建筑節能現實可行的措施。

中央空調系統；冷卻塔；變頻改造；節能管理

空調主要用于對室內空氣狀況的調節，包括溫度、濕度、潔凈度和風速等。中央空調系統就是集中式空氣調節系統。隨著經濟的發展，中央空調系統越來越普及，單機制冷量為3517KW的大型機組使用廣泛，單機制冷量1100KW以上的中小機組更是比比皆是。所以在當前節能工作日趨緊迫，民用建筑節能刻不容緩之際，中央空調系統節能必將成為民用建筑節能的工作重點。

既有的中央空調系統的節能措施主要有兩種：一是節能改造，通過投入資金使用新產品新技術對原有設備進行更新或是通過改造的進行增加原有設備的使用性能來達到節能降耗的目的；二是節能管理，通過加強運行人員的設備管理操作水平，崗位責任心等在不更動設備的基礎上，利用科學的管理方法，不需要投入資金達到節能的目的。

1 節能管理

1.1 提高中央空調制冷機組啟停溫度

中央空調制冷機組采用溫控運行，機組出廠設定值為7、12℃，即冷凍水高溫到達12℃時自動開機，降溫至7℃時自動停機。這樣的出廠設定模式，在實際運行會出現能源浪費現象。因為基于人體的舒適度指數由環境溫度、相對濕度、風速等綜合因素來決定。一般人體感覺環境的舒適的溫度在22～26℃之間，在此區間時溫度對人體舒適度的感知影響并不明顯。同時如環境的相對濕度在30%～85%之間時，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，環境濕度對人體舒適度的影響越來越大，此時影響人體舒適度的感知重要因素變成了空調系統的送風速度，風速增大舒適度增加。所以空調系統運行溫度的設定，應當綜合考慮溫度、相對濕度、送風速度等因素的綜合影響。

我們可以利用舒適度公式，通過該參數的不同變化，對空調系統設定溫度對人體感知的影響進行定量的直觀分析，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為環境溫度；rh為環境相對濕度；v為送風速度；一般F在51～78之間時，人體感覺較為舒服，最佳舒適度數值在60左右。對舒適度產生影響的參數中，最重要的是溫度，其次是濕度，影響最小的是送風速度。室內空調運行是的送風速度為1m/s～2m/s，因此將風速取值為1.5m/s，將公式簡化為：

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

下面我們以公式（2）進行分析計算，將房間相對濕度設定為50%，取溫度值為24℃進行舒適度計算F=66.55.再取溫度值為26℃進行舒適度計算F=69.16，差值為2.61；將房間相對濕度設為60%，取溫度值為24℃進行舒適度計算F=67.496；再取溫度值為26℃進行舒適度計算F=70.304，差值為2.808；再將房間相對濕度設為70%，取溫度值為24℃進行舒適度計算F=68.442，再取溫度值為26℃進行舒適度計算F=71.488，差值為3.046。可見在相同濕度下，溫度相差2℃對舒適度指數影響相差在數值3左右。表示溫度升高2℃，人體的舒適度感覺不會產生明顯影響。所以可以在不影響人們舒適度的前提下，適當提高制冷機組的啟停溫度設置為9，14℃。

同時，提高制冷機組的蒸發溫度，可以提高蒸發器的壓力，降低機組壓縮機的工作壓頭，提高制冷系數。根據統計顯示，中央空調制冷機組設定的蒸發溫度每提高1℃，空調系統的電能消耗可以降低8%～10%，所以運行時適當提高機組蒸發溫度的設定值，能夠取得很好的節能效果。

1.2 及時清洗冷凝器

冷凝器的作用是把高溫高壓的制冷蒸汽冷卻冷凝成液體，其對應的冷凝溫度是制冷循環中主要運行參數之一。冷凝溫度取決于冷卻水的水溫、水量、流速、冷凝面積、壓縮機排氣量，以及不凝氣體、油污、水垢等因素。從操作調節的角度，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，及時除垢、放油、排除不凝氣體；二是控制冷卻介質的流量，保證冷卻介質均勻地流過換熱器表面。

由于冷卻塔直接與環境相連，冷卻水循環系統是開放式系統，水質變化大，冷卻水含有的各種雜質會在冷凝器管壁形成水垢，由于水垢的導熱系數一般在1.7～2.3W/m·k，遠遠小于純銅的導熱系數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，導致冷凝溫度升高，冷凝壓力也隨之升高，冷凝壓力是直接關系著制冷機工作效率的重要因素，冷凝壓力越高，制冷機的效率就越低。一般的說，水垢厚度給整個制冷系統帶來的負面影響有：一是降低冷凝器的傳熱效果，導致冷凝溫度過高，排氣壓力過高，制冷效率降低；二是不能充分發揮冷卻水的冷卻作用，增加了冷卻水循環泵電耗；三是由于排氣溫度升高，致使一部分潤滑油汽化，繼續升壓嚴重影響循環系統的安全，這些結論都是定性的判斷，下面我們做一下定量的分析。

現在以水冷立式冷凝器為例，冷凝器的參數為面積F=150m2，管徑Φ51mm×3.5mm，冷卻水進口溫度ts1=26℃，出口溫度ts2=28℃，熱負荷φk=480Kw，一般冷凝器內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，根據傳熱計算式和氨熱力特性計算水垢厚度與傳熱系數的關系式如下：

隨著水垢的增厚，傳熱系數在不斷減小，數值見下表1。

表1

傳熱系數的變化對冷凝溫度的影響，對一個給定換熱面積的冷凝器，在運行中若保證冷凝負荷不變，即φk、F值不變時，根據傳熱公式φk=F·K·Δtm分析K與冷凝溫度tk的關系，式中Δtm=（ts2-ts1）/ln［（tk-ts1）/（tk-ts2）]利用上述同一假定參數代入公式可得：Ki=1600·ln［（tk-26）/（tk-28）]，在負荷與面積不變時，冷凝溫度越高，傳熱系數越小，數值見表2。

表2

冷凝溫度tk對COP的影響，通過對制冷系統熱力特性的計算機模擬，得到在蒸發溫度不變（t0=-15℃）條件下，氨單級壓縮系統制冷系數COP與冷凝溫度的關系，冷凝溫度越高，制冷系數越低，數值見表3［1]。

表3

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

將表1、表2、表3的數值代入得到COP隨水垢厚度的變化關系：

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

通過上式表明，在水垢形成初期（δ≤2mm），厚度的增加對COP的影響相當明顯，厚度每增加1mm，COP約降低5%～6%，冷凝器的污垢每增加0.1mm，熱交換效率就會降低15%～30%，耗電量則增加5%～8%左右。由于冷凝器管壁結垢，熱交換效率降低，冷凝效果不好，造成冷凝壓力過大，不但影響冷水機組的安全運行，而且加大了冷卻塔和冷卻水循環泵電耗。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。但是實際運行中很難實現，將溫差保持在1～2.5℃之內已比較理想，所以在運行時注意觀察冷凝水出水與冷凝器中制冷劑的溫差，一旦溫差過大應及時對冷凝器進行清洗，會達到很好的節能效果。

2 節能改造

2.1 安裝中央空調機組、冷卻水循環泵和冷卻塔風扇的聯動裝置

改造前冷卻泵和冷卻塔風扇需24小時運轉，改造后，將冷水機組、冷卻泵和冷卻塔風扇的手動控制改造為連鎖自動控制，冷水機組到開機溫度，先把啟動信號傳遞給冷卻泵和冷卻塔風扇，冷卻泵先啟動，冷卻塔風扇延時啟動，最終冷水機組啟動。而停機順序剛好與此相反。這樣改造可使2臺110KW的冷卻泵和4臺11.5KW冷卻塔風扇開機時間由原來的每天24小時運行變為每天10小時運行，每天節電2600度，每年按開機105天計算，每年節電27.3萬度。

2.2 安裝循環泵變頻裝置

絕大多數中央空調系統均為定流量系統，并且按最大負荷設計，而系統90%的時間是在最大負荷的65%下運行，普遍存在流量大溫差小的問題，造成了能源的極大浪費。

2.2.1 水泵變頻的可行性

空調系統節能改造主要是對循環水泵進行改造。通過對水泵變頻改造將空調水系統的定流量改造為與實際運行負荷相匹配的變流量運行。

通常冷水機組是在定流量設計下運行的。保持定流量的原因是：（1）蒸發器（或冷凝器）內流速改變會影響其傳熱效果。（2）流速過低，流量過小會引起蒸發器凍管事故。

隨著可調節控制技術的不斷發展，各類型的冷水機組都具有制冷量調節功能，使制冷機組的制冷量隨著冷負荷的變化而變化，以達到室溫可控和節能的要求，保持冷水機組的高效運行。離心式冷水機組通過入口導流葉片的開啟度調節，調整范圍可在20%～100%。

實際的空調系統改造工程表明：水泵變頻改造，合理的調節和自動化控制，對冷水機組和水泵的運行產生有利的保護作用。其有以下優點：（1）實現水泵電動機啟動時，由0Hz至50Hz之間，負荷逐漸增加的“軟啟動”，減小電動機啟動沖擊電流，降低輸電線路負荷，延長電動機使用壽命；（2）提高電動機實際運行效率，改善電動機實際運行工況，使電動機運行更加經濟合理；（3）通過對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機的電耗。

2.2.2 空調水泵變頻節能原理

在空調水系統定流量設計中，水泵的選擇和冷水機組一樣，也是按空調系統最不利工況所需最大負荷來選取的。工頻運行負荷不發生任何變化，這樣隨著實際運行工況的變化必然會造成能源浪費。具體表現為：在工頻（50Hz）下運行的水泵，通常使空調供回水溫差在1～2℃下運行，與冷水機組設計的5～7℃的溫差相差甚遠，空調系統始終處于大流量、小溫差的狀況運行，造成冷凍水冷量的浪費。

空調變頻節能改造的依據是：空調系統都達不到滿負荷工況下運行，通過拉大供回水溫差（一般達到5℃左右），就可滿足負荷要求，可以減少循環水流量。水泵通過變頻，在小于工頻的工況下運行，降低水泵輸入功率，節約電能。

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

變頻改造前中央空調系統流量通過調節末端閥門開度來實現。閥門調節雖然能降低空調系統的流量，但是卻大大增加了系統的壓力，也就是說增加了系統的管路阻力，使系統節流損失增大。流量雖有減少，但水泵揚程增加，并且效率降低，水泵的輸入功率變化不大，節能效果有限。

而采用變頻技術，降低水泵的轉速，將改變水泵的性能特性曲線。當水泵流量為原來的75%時，水泵消耗功率僅為原來的42%，節約58%。而采用閥門調節時，僅節約5%左右。故采用變頻水泵，節能效果明顯。

2.2.3 變頻節能控制原理

空調水系統控制采用溫差控制原理，在每臺冷水機組蒸發器和冷凝器的進出口管路安裝溫度傳感器，用來檢測空調系統的實際負荷，設定系統正常工作溫差為5℃，并設定最高和最低運行水的溫差。當系統負荷增加時，溫差增大，則提高頻率，加大水泵轉速。反之，溫差變小，則降低頻率，減慢水泵轉速。控制系統原理如下：

3 小結

隨著社會的不斷發展，中央空調系統的節能運行必將越來越受重視，成為公共建筑節能的工作重點。以上僅以簡要介紹了一下比較簡單和成熟的中央空調系統節能運行的經驗和技術。而中央空調系統節能運行還有更多的新技術值得我們探討和研究，例如利用10KV高壓電動機替代離心式冷水機組380V壓縮機驅動電機的可行性研究和將變頻技術應用在離心式冷水機組的普及、推廣等。相信隨著中央空調系統節能技術的不斷成熟和推廣會帶來更廣闊的節能空間。

［1]莊友明.制冷系統冷凝器特性研究［J].集美大學學報（自然科學版），第8卷第1期，2003年3月