中央空調(diào)系統(tǒng)能效分析及評價技術(shù)

葉飛

摘 要：依據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、研究文獻、試驗數(shù)據(jù)，該文提出了中央空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度指標(biāo)、能效比模型、制冷系統(tǒng)能效比模型、冷凍水輸送系數(shù)模型、空調(diào)末端能效比模型。基于上述指標(biāo)和模型，構(gòu)建了中央空調(diào)運行能效評價指標(biāo)體系和對應(yīng)的能效診斷方法。

關(guān)鍵詞：溫濕度指標(biāo) 能效比模型 制冷系統(tǒng)能效比模型 冷凍水輸送系數(shù)模型 空調(diào)末端能效比模型

中圖分類號：TB657 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0079-03

在發(fā)達(dá)國家中，暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的65%，若以建筑能耗占總能耗的35%計算，暖通空調(diào)能耗占總能耗的比例高達(dá)23%。空調(diào)也是通信機房和基站中的最主要的耗電設(shè)備，空調(diào)系統(tǒng)能耗占整個通信行業(yè)能耗的40%以上。目前，我國大多數(shù)公共建筑中應(yīng)用的中央空調(diào)機組普遍處于設(shè)計選型不合理、運行能耗高、自動化水平低、維修率高、使用壽命短的困境，節(jié)能潛力很大。

1 技術(shù)原理

如圖1所示，水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)由中央空調(diào)主機、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)等部件構(gòu)成。

2 能效標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

（1）國外能效標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

美國的最低能效要求MEPS制度于2000年開始實施。

日本的空調(diào)能效法以“平均能效比COP”作為評價對象，要求4.0 kW以下壁掛機從2003年開始實施，其它機種2006年之后實施；2010年新的空調(diào)節(jié)能法采用季節(jié)能效比“APF”作為節(jié)能評價指標(biāo)。

歐盟2012年頒布了空調(diào)的ERP生態(tài)設(shè)計實施條例，規(guī)定了空調(diào)的生態(tài)設(shè)計的要求、合格評定的方式、市場監(jiān)管中的驗證程序等等，空調(diào)器能耗與效率的測量和計算。

澳大利亞設(shè)備能效委員會2010年提出了有關(guān)空調(diào)最低能效要求的法規(guī)影響評估報告，強化了空調(diào)的最低能效標(biāo)準(zhǔn)水平。

（2）我國能效標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

空調(diào)行業(yè)常見的能效比指標(biāo)主要是EER和COP，EER是空調(diào)器的制冷性能系數(shù)，也稱能效比，表示空調(diào)器的單位功率制冷量。COP是制冷（熱）循環(huán)中產(chǎn)生的制冷（熱）量與制冷（熱）所耗電功率之比，分為制冷和制熱時的COP，制冷時的性能系數(shù)也稱ERR。EER和COP越高，空調(diào)器能耗越小，性能比越高。

3 能效模型及評價指標(biāo)

依據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、研究文獻，該文主要建立用于中央空調(diào)能效分析的模型、指標(biāo)及限值[1-2]。

3.1 能效比模型及指標(biāo)

當(dāng)輸入能源全部為電能時，能效比模型定義如式（1）。

式（1）中：EERs為空調(diào)系統(tǒng)能效比；Q為空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量，單位為千瓦時（kWh）；ΣNi為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備，包括冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔、空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備等的總電耗，單位為千瓦時（kWh）。

EERs指標(biāo)用于評價空調(diào)系統(tǒng)的整體運行效率，EERs指標(biāo)值越高，越節(jié)能。

3.2 制冷系統(tǒng)能效比模型

當(dāng)使用電驅(qū)動冷水機組時，采用制冷系統(tǒng)能效比模型評價制冷子系統(tǒng)的經(jīng)濟運行情況，如式（2）所示。

式（2）中：EERr為制冷系統(tǒng)能效比；ΣNj 為制冷系統(tǒng)主要設(shè)備的電耗，單位為千瓦時（kWh）。

當(dāng)系統(tǒng)采用水冷冷水機組，并采用蒸發(fā)式冷卻塔冷卻時，應(yīng)采用式（3）計算。

式（3）中：Nchiller、Ncp、Nct分別為冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔能耗，單位為千瓦時（kwh）。

3.3 冷凍水輸送系數(shù)模型

式（4）中：WTFchw為冷凍水輸送系數(shù)；Nchp為冷凍水泵總能耗，單位為千瓦時（kWh）。

3.4 空調(diào)末端能效比模型

式（5）中：EERt 空調(diào)末端能效比；ΣNt為各類空調(diào)末端的年電耗，單位為千瓦時（kWh）。

4 能效評價指標(biāo)體系

基于上述提出的能效指標(biāo)，該文構(gòu)建了中央空調(diào)運行能效評價指標(biāo)體系，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的一級指標(biāo)、室內(nèi)環(huán)境二級指標(biāo)不提供計算方法和限值，只是用來表征其下屬指標(biāo)的分類。

5 基于評價指標(biāo)體系的診斷方法

采用圖2所示能效評價指標(biāo)體系進行運行能效診斷時，應(yīng)注意以下幾個方面。

（1）指標(biāo)的全年累計工況限值適用于節(jié)能評估（全年工況測評），典型工況限值適用于節(jié)能檢測（單點工況測試）。

（2）各指標(biāo)計算所需的流量、溫度、電量等信息由現(xiàn)場布置的傳感器采集，再通過現(xiàn)場總線匯集到客戶側(cè)主站。

（3）空調(diào)系統(tǒng)能效比指標(biāo)反映系統(tǒng)的整體能效特性，超標(biāo)說明系統(tǒng)整體有能效問題；其下屬子指標(biāo)體現(xiàn)具體部件的能效問題，例如當(dāng)冷凍水輸送系數(shù)超標(biāo)時，說明冷凍水輸送系統(tǒng)存在能效問題。

（4）當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個指標(biāo)超標(biāo)時，客戶側(cè)主站發(fā)送能效報警，并提醒工作人員按照典型問題檢查空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)。表1、表2給出了冷卻水輸送系數(shù)指標(biāo)、冷水機組運行效率指標(biāo)偏低的可能原因[3-4]。

（5）根據(jù)上述指標(biāo)的計算和分析，給出空調(diào)系統(tǒng)的能效診斷意見，制定節(jié)能改造措施，如更換水泵電機、提高制冷工況下的房間預(yù)設(shè)溫度、系統(tǒng)維護等。對提出的節(jié)能措施，要綜合考慮改造成本、節(jié)能效果，進行技術(shù)經(jīng)濟性分析。

冷卻水泵揚程過高冷卻水回路存在不合理阻力部件，導(dǎo)致冷卻水泵揚程偏大定流量運行的冷卻水泵，當(dāng)揚程超出正常情況下的數(shù)值時，應(yīng)該檢查冷卻水環(huán)路壓降過濾器清洗工作不夠，壓降過大；閥門調(diào)節(jié)失靈，管路中的閥門常年處于半開或開度很小的狀態(tài)；水泵選型過大后為防止燒泵，關(guān)閉閥門，調(diào)整水泵工作點。

冷卻水供回溫差過小由于實際流量偏大，導(dǎo)致供回水溫差過小根據(jù)運行記錄或一段時間內(nèi)的測量結(jié)果，判斷溫差是否偏小冷卻水定流量運行，部分負(fù)荷下會出現(xiàn)小溫差現(xiàn)象；水泵選型過大，工作點右偏，導(dǎo)致流量偏大；冷機旁通，一機對兩泵，導(dǎo)致小溫差工況運行；水力調(diào)節(jié)不勻，或者部分末端旁通，造成小溫差工況運行。

冷卻水泵效率低水泵的額定效率一般在70%以上，實測中很多水泵的效率小于50%比較冷水機組COP全年累計值與當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)水泵選型過大，工作點偏離，導(dǎo)致效率降低

設(shè)備自身參數(shù)（如額定制冷量、性能等）與實際需求不匹配冷水機組偏離最佳工況點比較最大冷負(fù)荷工況下的冷水機組COP瞬時值與冷水機組額定COP 冷水機組設(shè)計時選型偏大，冷水機組性能老化。

設(shè)備運行管理時存在的問題冷機COP偏低比較冷水機組COP全年累計值與當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)多臺冷機運行時策略過于保守，冷卻塔效率偏低導(dǎo)致冷卻水回水溫度偏高等。

設(shè)備自身參數(shù)（如額定制冷量、性能等）與實際需求不匹配，冷水機組偏離最佳工況點，比較最大冷負(fù)荷工況下的冷水機組COP瞬時值與冷水機組額定COP 冷水機組設(shè)計時選型偏大，冷水機組性能老化。

設(shè)備運行管理時存在的問題冷機COP偏低，比較冷水機組COP全年累計值與當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)多臺冷機運行時策略過于保守，冷卻塔效率偏低導(dǎo)致冷卻水回水溫度偏高等。

參考文獻

[1] GB/T 17981-2007，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟運行[S].2007.

[2] GB12021.3-2010，房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級[S].2010.

[3] 劉阿祺.冷卻水輸送系數(shù)的獲取方法及其在節(jié)能診斷中的應(yīng)用[C]//全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會論文集.2008.

[4] 常晟，王鑫，等.大型公共建筑制冷機COP的實測與應(yīng)用[C]//全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會論文集.2008.