中央空調系統節能改造的探討

摘要：在一些較為久遠的建筑里，其大多數的空調設備都已老化，由于以前的技術水平不高和長期的運行造成了磨損，這些建筑的空調系統效率較為低下，經常發生故障事故。如何在對設備進行改造時融入節能的理念，是工程師們必須考慮的問題。本文結合某建筑物空調系統節能改造實際工程，對幾種技術的改造進行比較，論證其在節約能源和環境保護方面的顯著效果。

關鍵詞：空調系統；節能；技術

1 空調系統節能技術

某建筑物為 28層，建筑面積 48700m2，中央空調面積34000 m2，原設計采用2 臺4t/h 的燃油鍋爐作為整幢建筑的冬季采暖和生活熱水熱源，采用3臺1758kW 螺桿冷水機組為夏季制冷。客房末端為風機盤管和風柜，冬季采暖熱水口進出口溫度為 35℃/42℃，夏季制冷冷凍水進出口溫度為15℃/8℃，燃油鍋爐、冷水機組等附屬設備均位于地下 1 層內，冷卻塔位于28層。年耗柴油 480t，運行費用計408萬元，全年耗電量630萬kWh，產生費用560萬元。出于節能、環保等方面因素的考慮，對空調系統進行改造，對蓄冷空調技術、固體蓄熱技術、空氣源熱泵集中供熱技術等 3 種方案進行對比分析，最終確定該建筑的空調系統節能改造技術方案。

1.1 冰蓄冷空調技術

冰蓄冷空調技術是在電力負荷很低的夜間用電低谷期，采用電制冷機制冰，將冷量以冰的方式儲存起來，在電力負荷較高的白天，把儲存的冰量釋放出來，滿足建筑物空調負荷的需要，冰蓄冷技術是“平衡用電負荷”的有效方法。

該系統需在原有3臺制冷量為1700kW冷水機組上，新增1套冰蓄冷空調系統，包含冰蓄冷雙工況主機（蓄冰工況和空調工況）、蓄冰槽、冰蓄冷板換、乙二醇水泵、負載泵及自控系統。系統采用部分負荷蓄冰，制冷主機與蓄冰系統串聯，串聯系統主機上游的形式，提高了主機的運行效率，通過控制閥門開斷控制系統準確運行，系統原理圖如圖1所示。

圖 1 冰蓄冷空調系統原理圖

根據建筑物逐時空調負荷情況的不同，系統有4種運行方式，即：1）22：00～8：00，該地區的電力低谷期，雙工況機組蓄冰，乙二醇溶液在雙工況機組和蓄冰設備之間循環，通過低溫的乙二醇溶液將蓄冰設備內的水制成冰；2）電力平峰期，雙工況機組單獨供冷，蓄冰設備與系統隔離開，雙工況主機在空調工況運行，通過板式換熱器向空調系統提供冷凍水；3）負荷較低時段，蓄冰設備單獨供冷，避免了在電力高峰期內開啟主機以及主機的低效運行，該時段，蓄冰設備的總融冰供冷量為空調系統負荷的全部；4）空調冷負荷較大時段，雙工況機組和蓄冰設備聯合供冷，雙工況機組處于空調工況，雙工況機組出口的乙二醇和蓄冰設備融冰后的乙二醇溶液混合進入板換。

雙螺桿式雙工況機組的制冷量為1470kW，當機組在空調工況下時，輸出能量為1470kW，當機組在蓄冰工況時，輸出能量為958kW。

系統夏季末端側供水溫度為7/12℃，板換一次側供水溫度為4/10.5℃，二次側供水溫度7/12℃。并且在相同的負荷條件下，板式換熱器的進出口處乙二醇溶液的溫差較大，溶液的流量較小，乙二醇循環泵較小，系統的設備投資和運行費用相對較少。

1.2固體儲熱技術

固體蓄熱技術即自儲熱電鍋爐是利用午夜后低谷電將儲熱介質（RHM）加熱到數百度高溫儲存熱量，非低谷時通過自控裝置將熱量按需要釋放，根據用戶的需要并參考環境溫度自動地快捷靈敏地控制鍋爐出水溫度，充分利用低谷電給提供生活熱水，也是“平衡用電負荷”的有效方法。

自儲熱電鍋爐系統是一種新型的電儲熱系統，采用高密度鐵基合金作為儲熱材料，將加熱、儲熱、取熱、換熱及控能功能組合在一臺無壓的一體化結構內，形成一個可儲、可取、可控的系統，系統結構圖如圖2所示。它包含內外循環2個系統，內循環系統由儲能材料、加熱器、取熱器、高效換熱器、儲液罐、智能控制器和換熱器組成，外循環系統由高效換熱器、換熱器、外部管道和散熱器組成，2個系統通過高效換熱器和換熱器相互傳遞熱量。

圖 2 自儲熱電鍋爐結構圖

儲熱時，利用加熱器將儲熱材料進行加熱，取熱時由取熱器中的介質將熱量取出后，傳送至高效換熱器，進行熱交換后加熱外部管道中的介質傳遞至散熱器，進行個供暖或供給生活熱水。其中，4塊固體蓄熱模塊每天在谷電時段蓄熱10h，每塊模塊的蓄熱量為1550kWh，總計蓄熱量為6220kW h，總蓄熱功率為620kW。

它代替原來的燃油電鍋爐，與設備間已有的容積式換熱器連接，在 22：00～8：00用電低谷期，開啟自蓄能電鍋爐，儲熱材料儲熱。白天蓄能電鍋爐停止用電，取熱水時先將容積式換熱器中貯存的熱水送至用戶，冷水補充到容積式換熱器后溫度會降低，此時開啟循環泵，將蓄能裝置中蓄存的熱量傳遞至容積式換熱器中加熱熱水，在熱水用水高峰期，全力放熱，最大放熱能力可達 1500kW，如此循環可始終保持容積式換熱器的熱水穩定55℃。

1.3 空氣源熱泵集中供熱技術

空氣源熱泵集中供熱技術是利用空氣中蘊含的大量低品位的熱量，通過少量的電能，將其轉化為高品位的熱能，投入1kW 的電能可得到3 ～4kW的熱能。

空氣源熱泵機組的性能與室外氣候有直接的關系，空氣源熱泵冷水機組供冷能力隨室外溫度的升高而降低，機組消耗功率隨室外環境溫度的升高而增加；空氣源熱泵熱水機組的制熱特性復雜，和盤管表面溫度與空氣溫度有直接關系，當盤管表面溫度低于空氣露點溫度時，空氣結露，盤管表面發生相變換熱，有利于提高熱泵機組的制熱能力，但當盤管表面溫度低于空氣冰點溫度（0℃以下）時，同時空氣中的相對濕度達到某一程度，盤管表面結霜，如不及時化霜，霜層會越結越厚，影響空氣實際流通量，阻礙了盤管上的熱交換，重者會結冰，壓縮機出現低壓保護停機。因此，必須定時化霜，目前多采用反向循環來化霜。

為滿足5600kW 熱負荷的用電需求，本系統選擇 5 臺理論制熱量為 1134kW 的 30XQ—1160空氣源熱泵機組，其具有高效、運轉寧靜、環境領先、安裝便捷、品質可靠等優點。為使投資利益最大化，節約成本，將原有燃油鍋爐供熱系統作為空氣源熱泵供熱系統的備用系統。

系統中通過負荷確定供熱管道的流量，從而確定各管段的直徑。設計流量G為：

（1）

式中：Q—設計熱負荷，取 Q = 3925kW；c—水的質量比熱：t1—熱網供水溫度，取 t1= 50℃；t2—熱網回水溫度，取t2= 45℃。

代入數據，得：G =810m3/ h。

查《供熱工程》，可得循環水主干線管徑選為D426X7，平均流速為 1.74m / s，平均比摩阻為72.4Pa /m。由以上計算，可選得供熱循環水泵，其規格為：設計工況點流量為 810m3/ h，設計工況點揚程為 20m，配套電機參考額定功率為 55kW，水泵效率大于 75%，為單級雙吸泵，由選定的熱泵機組可知，熱泵壓縮機最大運行電流為 397A 和485A，由此選擇電纜，分別為 NH—YJV22—0.6 /1.0kV 3X185 + 2 X 95 和 NH—YJV22—0.6 /1.0kV3 X240 +2 X140。

該系統不設鍋爐，機房占地面積小，不用消耗煤炭、石油、天然氣等寶貴的一次性不可再生資源。它制熱理論工況為：熱水進/出水溫度為 40℃ /45℃，環境干球溫度為 7℃，濕球溫度為 6℃。

2 方案對比

以工程節能改造工程為實例，從投資概算、運行費用、靜態投資回報期、占地面積等方面對 3 種技術方案進行了計算分析，結果如表 1 所示。

可以看到，固體蓄熱系統投資概算低，運行費用也低，投資回報期較短，設備占地面積也少，但是，它只能解決冬天采暖和生活熱水熱源，夏天制冷就需要另外設計制冷系統；冰蓄冷空調系統投資概算相對較高，系統運行費用也很高，所以，系統靜態投資回報期較長，并且系統占地面積很大；空氣源熱泵供熱系統盡管前期投資概算較高，但其改造后運行費用相對較低，靜態投資回收期相對較短，而且能實現一機三用，為冬季采暖、夏季制冷、全年提供生活熱水。

另外，空氣源熱泵集中供熱系統適用范圍廣，適用溫度范圍在 -10～40℃，可連續加熱，適合各類熱水工程使用，可實現無人值守，全自動運行，運行成本低，節能效果突出，空氣源熱泵可節省 70%的能源，與燃氣、電和電輔助加熱的太陽能熱水器相比，是燃氣熱水器的 1/2 左右、電熱水器的 1/3左右；環保型產品，無任何污染，無任何燃燒外排物，不會對人體造成損害，具有良好的社會效益；方便，空氣源熱泵占地空間小，外形與空調室外機相似，可直接保溫水箱或與工暖管網連接，適合大中城市的高層建筑；安全性能好，無任何漏電、漏氣安全隱患；使用壽命長、維護費用低，使用壽命長達15a 以上，設備性能穩定，運行安全，自動化程度高。最終綜合考慮選擇空氣源熱泵集中供熱技術作為空調系統的節能改造方案。

3 結束語

空氣源熱泵集中供熱系統投入使用后，經過1a 左右的運行，運行狀況穩定，使用效果良好，經過測算，同樣效果下運行費用降低 30%，節能效果顯著，達到了預期設計的目標。