空調節能改造技術

【摘要】中央空調系統現已廣泛應用，但中央空調是現代建筑中耗能巨大的必備配套設備，節能改造勢在必行，通過對幾個案例的概括總結，著重從理論應用、經濟效益兩方面分析對中央空調系統進行合理的節能改造的必要性及其未來發展的長遠性。

【關鍵詞】空調系統 節能改造

引言

隨著科技的不斷發展和生活水平的不斷提高，無論是在企業的工藝生產中還是民用建筑中，空調系統的應用越來越普及，中央空調系統的能耗一般占整個建筑耗能的50%以上。但目前實際情況是，空調系統是按滿足用戶最大需求而設計，所有的空調系統長時間處在部分負荷下運行。據統計，67%的工程設計熱負荷值為94-165W/m2，而實際上83%的工程熱負荷只有58-93W/m2，滿負荷運行時間每年很短。由于能源十分緊張，同時暖通空調的能耗在國民經濟總能耗中所占比重越來越大，所以節能改造勢在必行，但采取何種的節能改造技術是經濟、合理的以及其未來發展的空間，是目前我們需要研究探討的。

1.常用節能改造技術

目前常用的節能改造技術變頻泵、蓄冷空調、優化機組和末端設備、維護結構保溫隔熱、內外遮陽技術、節能燈廣泛使用等，而現在具有廣泛應用前景的有正在發展應用的模糊控制技術、環保節能的碳氫冷媒的應用、磁懸浮技術，高效換熱器技術、過冷器技術、直流變頻技術等。

1.1變頻泵

風機水泵節電原理是用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量，這是一個節電的有效途徑。

由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）x H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力與轉速N的平方成正比，功率與轉速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，當要求流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降，即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。

目前，國內通過采用變頻調速技術后，電機水泵的轉速普遍下降，延長了設備的使用壽命，降低了設備的維修費用。同時，由于變頻啟動和調速平穩，減少了對電網的沖擊。變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能，提高了電機水泵的可靠性。

實際案例1某大樓中央空調舊空調系統有4臺螺桿機組，每臺制冷量為1019kw，機組每天從早上8：00到晚上18：00運行10個小時，另有四臺冷凍水泵和四臺冷卻水泵，負荷率75%。全年運行360天，將機房原來的八臺泵改裝為變頻泵，并對節能改造前后做經濟分析對比。

表1 常規空調系統與改造后的空調系統經濟分析對比表

名稱常規空調系統改造后的空調系統

日用空調制冷量（kwh）30570

年空調系統用電量（萬kwh）184.89152.06

年空調系統節電量（萬kwh）32.83

年空調系統節能量（tce）40.35

年空調系統節電費（萬元）33.06

投資費用（萬元）66.12

回收周期（年）2.

1.2蓄冷空調

采用蓄冷空調系統符合下列條件之一：

（1）執行峰谷電價，且差價較大的地區

（2）非全日制空調工程或間歇使用且時間較短的空調工程

（3）空調負荷峰谷懸殊且在電力低谷時段負荷較小的的連續空調工程

（4）無電力增容條件或限制增容的空調工程

（5）某一時段限制空調制冷用電的空調工程

（6）要求部分時間段備用（應急）冷源的空調工程

（7）要求供應低溫冷水或采用低溫送風的空調工程

（8）區域性集中供冷的空調工程

水蓄冷：

水蓄冷是利用低溫水進行蓄冷，利用水溫變化儲存的顯熱量（418kJ/（kg.℃））-顯熱式蓄冷，一般蓄冷溫度為4-6℃，通常蓄冷溫差為5-10℃，單位蓄冷能力比較低，一般為5.8-11.6kwh/m3.水蓄冷可直接與常規空調系統匹配，無需其他專門設備。其優點制冷機蓄冷時效率衰減少、供冷速度快、系統運行安全可靠且利用峰谷電價差在夜間蓄冷，平衡電網負荷節省系統運行費用。缺點是由于水的蓄冷密度低，一般只能利用8℃溫差，故系統占地面積大、冷損耗大、防水保溫麻煩等。

蓄冷類型的選用：

（1）全蓄冷—在電網高峰時段內，蓄冷提供全部的空調負荷。運行費用低，設備投資高，適宜短時段空調或限制制冷用電負荷的空調工程。

（2）部分蓄冷—在電網高峰時段內，蓄冷設備提供部分的空調負荷。設備投資低，能充分發揮所有設備能力，宜優先采用。

實際案例2 某企業原有兩臺分別為1218kw和696kw兩臺螺桿機，全天24小時運行，夏季幾乎滿負荷運行，冬季負荷也在50%以上。廠家要求改進加入水蓄冷系統，另外加入一臺新的制冷機，蓄冷水池利用綠化地的面積，可利用的面積較大。設計方案是將原有的一臺舊的機組用來在電價谷段時夜間蓄冷，新加的制冷機（磁懸浮離心機組1009kw）全天24小時運行，696kw的機組與新制冷機在高負荷時共同供冷滿足供應，蓄冷池在用電高峰時段放冷，采用部分蓄冷策略，放冷之前先由磁懸浮機組供冷70%，其余部分由蓄冷池放冷供給。多余的蓄冷量在平價時段釋放。

表2常規空調系統與改造后的方案經濟對比分析表

名稱常規空調系統改造后的空調系統

日用空調制冷量高峰負荷（kw）1627

年空調系統用電量（萬kwh）310.72276.30

年空調系統節電量（萬kwh）34.42

年空調系統節能量（tce）42.3

年空調系統節電費（萬元）78.86

投資費用（萬元）310

回收周期（年）3.9

注：以上運行費用包含主機、水泵及冷卻塔的運行費用，不含末端運行費用。

2.空調節能新技術

2.1系統模糊控制節能技術

探討研究將智能控制技術應用于中央空調系統的運行控制，對于實際現行中央空調系統的節能運行具有重要的實際意義。智能控制系統主要包括模糊控制系統、神經網絡控制系統和專家控制系統等，近年來研究較多的智能控制技術主要是模糊控制。

模糊控制系統是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯的規則推理為基礎，采用計算機控制技術構成一種具有反饋通道的閉環結構的數字控制系統。

模糊控制系統不依賴于系統精確的數學模型，特別適用于復雜系統（或過程）與模糊對象等采用：模糊控制中的知識表示、模糊規則和合成推理是基于專家知識或熟練操作者的成熟經驗，并通過學習不斷更新，因此，它具有智能性和自學習性；模糊控制系統的核心是模糊控制器，而模糊控制器均以計算機為主體，并兼有計算機控制系統的特點，如具有數字控制的精確性與軟件編程的柔軟性等。

模糊控制技術適用的系統一般具有非線性和時變性，而影響空調運行的因素有：

（1）外界氣候（溫度、濕度）

（2）室內人數，建筑物維護結構

（3）空調系統部件的特性（冷卻塔風機特性、冷卻、冷凍水泵特性、制冷主機特性）

模糊節能控制優勢在于全面采集空調系統運行的各種參數變量，不單關注壓力，或者只是溫度；模糊控制器實時進行冷量預測，從而及時對系統參數進行優化調整；模糊控制技術融合了變頻技術，對水泵和風機的轉速加以調節，有效降低空調水系統能耗。

綜上所述中央空調系統在各種負荷條件下，均處于最佳工作狀態，實現綜合優化節能。

實際案例3某酒店空調機房原有約克主機兩臺（一用一備），每臺制冷量為400RT，全年24小時運行，負荷率為75%。在原有常規主機加入一套智能控制系統原有空調系統進行經濟對比分析。

表3 常規空調系統與改造后的方案經濟對比分析表

名稱常規空調系統改造后的空調系統

年空調系統用電量（萬kwh）286.52214.89

年空調系統節電量（萬kwh）71.63

年空調系統節能量（tce）88.03

年空調系統節電費（萬元）72.35

投資費用（萬元）55

回收周期（月）9.1

2.2環保節能型冷媒改造技術

探討碳氫冷媒，碳氫冷媒相對于其他制冷劑在同等容量下重量輕，可減少壓縮機負荷及發熱量，延長設備壽命；其次它的潛熱大，吸熱放熱能力比其他制冷劑大；再有就是該冷媒分子小，同等容積下，分子數量比其他制冷劑多，可增加蒸發面積；還有就是它的油混率極高，可防止出現制冷劑與制冷劑潤滑油不兼容性所造成的問題。

全球暖化，制冷需求及電費每年不斷增加空調，用電比例約占整體的 30%-45%。但是傳統制冷劑CFC、HCFC、HFC破壞臭氧層，蒙特利爾協定已禁止使用含FC制冷劑，中國在2010-2013年逐步禁用。新一代高效制冷劑將逐漸代替傳統制冷劑。

用碳氫冷媒更換其他制冷劑相比其他傳統節能，比如引言中所述的變頻節能、水蓄冷節能、優化機組和末端設備節能，其投資成本低、投資回收期短、節電率相對較高且維護管理較簡易。節能環保，節電可達到15%-35%，對臭氧層的損壞潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）幾乎為零。

實際案例4某酒店制冷機房有兩臺螺桿式水冷中央空調，一臺運行一臺備用。原有空調適用冷媒為R22。每臺制冷量250冷噸，全年運行，負荷率70%。

表4常規空調系統與改造后的方案經濟對比分析表

名稱原有空調更換冷媒后的空調

更換冷媒空調匹數（P）300

年用電量（萬kwh）137.97113.14

年節電量（萬kwh）24.83

年節能量（tce）30.50

年節省電費（萬元）25.08

年節能量（tce）30.5

投資費用（萬元）11.4

回收周期（月）6

3.結論

通過以上四種空調系統改造節能技術，實際進行案例測試，其節能率分別為21.59%、12.46%、33.33%、21.95%。經分析，得出如下結論：

變頻技術已經普遍應用，節能效果已經得到普遍認可；蓄冷技術節能率不如其他三種節能技術高，但其利用峰谷電價政策可以節省大量的運行費用；模糊控制技術投資成本低、回收周期短、節能率高，目前有很好的應用前景。環保型碳氫冷媒投資成本低、回收周期短、節能率比較高，而且對臭氧層破壞的潛能值和全球變暖的潛能值幾乎為零，目前已有應用，未來的應用前景更廣泛。碳氫冷媒的應用將是未來節能改造的新星，至于它在推廣應用方面的限制正在一步一步突破，相信這將是未來節能改造技術推進的又一個具有挑戰力的新方向。

參考文獻：

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