淺談全熱回收空調冷水機組加輔熱鍋爐系統設備選型與自動控制

The Equipment Selection and Automation System of Total Heat Recovery Air Conditioning Unit with Auxiliary Heat Boiler System

付國才，胡浩，趙旭

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淺談全熱回收空調冷水機組
加輔熱鍋爐系統設備選型與自動控制

The Equipment Selection and Automation System of Total Heat Recovery Air Conditioning Unit with Auxiliary Heat Boiler System

付國才，胡浩，趙旭

1 引言

全熱回收空調冷水機組是在集中空調機組供冷時，回收冷水機組的冷凝熱量制出50～60℃生活熱水的螺桿空調冷水機組。我們在近期完成的三亞海棠灣某酒店項目，針對當地全年幾乎每天都使用空調的氣候特點，從綜合節能節水和綠色建筑的角度出發，采用了浙江中控的PCS-300系列樓宇自控系統和全熱回收空調冷水機組，實際運行取得顯著節能效果。通過近3年建設和應用全熱回收空調冷水機組的實踐，為保證需求和取得最大節能效果，在應用全熱回收空調冷水機組加輔熱鍋爐系統的自動控制時，需重點做好以下技術工作。

2 全熱回收空調冷水機組加輔熱鍋爐系統設備選型

2.1 機組設置

三亞海棠灣某酒店項目設計計算冷負荷8500kW、熱水需求量為800t/d、生活熱水溫度為50～60℃、熱水流量200m?/h。具體選用機組見表1。

表1 實際工程選配機組參數表

2.2 水泵的選擇

2.2.1 系統流程圖及其工藝流程說明

設計系統流程示意如圖1所示。

2.2.2 機組選配

按照目前市場空調制冷機組的性能參數，可列出不同機型各額定制冷量性能參數表（見表2、表3、表4）。

圖1 全熱回收冷水機組+輔助鍋爐系統流程示意圖

表2 離心冷水機組技術參數

表3 螺桿冷水機組制冷工況下技術參數

表4 螺桿機冷水組全熱回收（即制冷工況下制出7℃/12℃冷水同時制出55℃熱水）工況下技術參數

圖2 三種機組的性能曲線圖

注：L1＃離心式冷水機組; L2＃螺桿冷水機組（制冷工況）; L3＃螺桿冷水機組（全熱回收工況）。

由圖2可以看出：

采用單冷空調螺桿機組的能效比最低；

采用全熱回收螺桿冷水機組的能效比最高。

在選用全熱回收螺桿冷水機組時，可根據計算的冷、熱負荷進行選配，若要達到明顯的節能效果，離心機組制冷量應該基本接近計算冷負荷。根據需求，供熱水量選用全熱回收機組的制冷量應該小于離心機組制冷量的40%。這樣，在需要制熱水時，可以保證離心冷水機組在60%以上的負荷率上運行，此時離心冷水機組的能效比與滿負荷條件下的能效比幾乎相同，避免因啟用全熱回收機組使離心機組在低負荷低效率的狀態下運行。

3 采用中控PSC-300樓宇自控系統進行自動控制設計3.1 系統工藝流程分析

通過對該系統的工藝進行深入的分析，由于實際運行需求的冷負荷會隨天氣溫度、濕度變化，我們采取離心機組在60%以上的負荷率運行為條件，根據實際需求不同的冷負荷變化，編制了所選機組運行控制流程表（見表5）。

從表5中可以看出，該系統控制邏輯相當復雜，在選擇控制系統時，系統穩定性是第一考慮要素。

3.2 控制系統設計

結合被控系統的工藝流程和機組運行控制流程表，對以下設備進行監控。

1）鍋爐系統

鍋爐自動控制系統是鍋爐廠家完成的，通過485軟接口的方式，開放給中控PSC-300樓宇自控系統。主要監控鍋爐系統開關控制、排煙溫度、電動閥門的開關狀態、循環泵的運行狀態、故障狀態，通過安裝壓力傳感器、水管溫度傳感器和一氧化碳傳感器，來監測鍋爐系統管道節點的壓力、溫度和鍋爐房內的一氧化碳含量。例如：板換一次側供回溫度、壓力、電動調節閥的控制和開度反饋；板換二次側供回溫度和壓力。根據二次側供水溫度，控制一次側電動調節閥的開度，來保證二次側供水溫度的恒定。根據一氧化碳的含量，聯動控制鍋爐房內送、排風機，保證鍋爐房內一氧化碳含量在安全值以內。

2）生活水熱水系統

主要監控：循環加熱水泵運行狀態、故障狀態、手自動狀態、開關控制，板換一次側供回水壓力和溫度，板換二次側供回水壓力和溫度，保溫水箱溫度和液位，市政補水閥門的開關控制和開關狀態，變頻供水泵運行狀態、故障狀態、手自動狀態、變頻控制、變頻反饋。當水箱液位低于設定值時，打開補水閥，給保溫水箱進行補水。當水箱溫度低于設定值時，開啟加熱循環泵進行加熱；當溫度大于或等于設定值時，關閉熱水循環泵。

3）空調冷源系統

主要監控：冷卻塔運行狀態、故障狀態、手自動狀態、開關控制，冷水主機運行狀態、故障狀態、手自動狀態、開關控制、冷凝器飽和溫度、主機電流比、熱水出水溫度、熱水進水溫度、冷凍水出水溫度、冷凍水進水溫度、冷卻水出水溫度、冷卻水進水溫度，冷卻泵運行狀態、故障狀態、手自動狀態、變頻控制，冷凍泵運行狀態、故障狀態、手自動狀態、變頻控制等。

4 能效與經濟效益分析4.1 單臺全熱回收螺桿冷水機組生產1t 55℃熱水的能耗

4.1.1 產生1t 55℃熱水耗能理論值

從45℃加熱至55℃的1t生活熱水（以下簡稱1t 55℃的熱水）需耗能理論值是：

Q=C×m×ΔT=4.2×103J/(kg?℃)×1000kg×10℃=10×103kcal

式中：水的比熱容C=4.2×103J/(kg?℃)；

加熱水的質量m=1000kg；

加熱溫差ΔT=55℃－45℃=10℃。

4.1.2 熱回收機組產生1t 55℃生活熱水的耗電量

由表6可得出全熱回收冷水機組隨冷凝器出水溫度變化對應的輸入功率、制冷量、熱回收量變化曲線，如圖3所示。

由于圖3中輸入功率曲線、制冷量曲線、熱回收量曲線近似線性，在冷凝器出水溫度由45℃增加至55℃的過程中，按可算術平均值計算全熱回收機組在加熱1t55℃熱水過程中的近似參數：

輸入功率P1=373kW；

制冷量Q1=1208kW；

熱回收量Q2=1560kW。

由于1560kW=1560kJ/s；那么熱回收機組生產1t 55℃熱水所需運行時間：

表5 機組運行控制流程表

表6 400RT全熱回收冷水機組性能參數表

圖3 全熱回收冷水機組輸入功率曲線、制冷量曲線、熱回收量曲線圖

T1=42×103kJ÷1560kJ/s=26.9s=0.0075h

熱回收冷水空調機組生產1t55℃熱水的耗電量：

E=373kW×0.0075h=2.8kW?h（度）

4.2 天燃氣鍋爐生產1t 55℃熱水的能耗

根據現場安裝鍋爐的技術參數：

鍋爐100%負荷時的熱效率＞93%，保守取η1=95%；

燃燒器的燃燒效率＞99%，保守取η2=100%；

每立方天然氣的熱值ξ=9000kcal。

產生1t 55℃熱水鍋爐消耗熱量：

Q3 = Q1÷η1÷η2 =10×103kcal÷0.95 = 10526.32 kcal = 44.2×103kJ = 12.28 kW?h（度）

產生1t 55℃熱水鍋爐消耗天然氣體積V1 = Q3÷ξ= 1.17m?

4.3 熱回收冷水空調機產生1t 55℃熱水同時產生制冷能量對應離心機制冷耗能

熱回收機組產生1t 55℃熱水過程中同時產生制冷量Q1=1208kW。

由表2可得該制冷量對應的離心機組的型號是350RT，相應的離心機組輸入功率P2=232kW。如果不采用熱回收機組，那么對應熱回收機組產生1t 55℃熱水過程，350RT離心機組應運行時間T1，才能保證空調供冷，相應的耗電量：

E1 = P2×T1 = 232 kW×0.0075h = 1.74 kW?h（度）

4.4 離心機組冷卻水耗水量

4.3條說明如果不采用熱回收機組，應需要350RT離心機組運行時間T1才能保證空調供冷，由表2可查出350RT離心機組每小時消耗的冷卻水量W=252m?/h。那么對應熱回收機組產生1t 55℃熱水過程，350RT離心機組應運行時間T1耗冷卻水量：

W1 = W×T1 = 1.89m?

4.5 能效比較

生產1t 55℃生活熱水，采用全熱回收空調冷水機組與采用離心機組+鍋爐方式的能效比：

λ1=（Q3+E1）÷E =（12.28+1.74）÷2.8 = 5

即生產1t 55℃生活熱水，選擇全熱回收機組比離心機組+鍋爐組合系統節能5倍。

4.6 經濟效益比較

4.6.1全熱回收機組運行費用

當地電費按0.6元/（kW?h）計算，全熱回收冷水空調機組制冷同時生產1t 55℃生活熱水消耗的電費：

表7 機組投資成本

S1=0.6×E=0.6×2.8=1.68元

4.6.2離心機組+鍋爐傳統方式的費用

1）天然氣的價格每立方米4.8元，生產1t55℃生活熱水天然氣費：

S2=4.8×V1=4.8元/m?×1.17m?=5.62元。

2）350RT離心機組消耗的電費：S3=0.6×E1=0.6×1.74=1.04元。

3）離心機組耗水費：當地水費每噸4元，離心機組耗水費：S4=4×W1=4×1.89=7.56元。

4）生產1t55℃生活熱水，選擇全熱回收機組比離心機組+鍋爐組合系統節省費用比：λ2=（S2+S3+S4）÷S1=（5.62+1.04+7.56）÷1.68=8.46（倍）節省費用：S5 =（S2+S3+S4）－S1 = （5.62+1.04+7.56）－1.68 = 12.54 （元）。

5 投資回報分析

5.1 年消耗費用計算

1）本項目每天消耗800t 55℃生活熱水。每年冷水機組運行時間不少于340天（以下按340天計算）。

采用熱回收機組一年共生產55℃熱水W55℃熱= 272000t；耗電費S電1=W55℃熱×S1= 456960元。

2）采用離心機組+鍋爐傳統組合系統方式，鍋爐一年共生產55℃熱水W55℃熱=272000t需耗天然氣費S氣=W55℃熱×S2=1528640元（鍋爐運行340天算）；離心機組一年耗電費S電2= W55℃熱×S3 = 282880元。

另外，離心機組一年消耗冷卻水量W年冷卻水= 514080t，所耗水費S年水=W年冷卻水×S4 = 2056320元。

5.2 投資回收期

5.2.1 全熱回收機組成本投資（見表7）

由表6計算，可得全熱回收+輔助鍋爐+自動控制系統方案比離心機組+鍋爐傳統組合要多投資：

S多投資= 230萬元

4.2.2投資回收期計算

由4.1中計算，可得出采取兩臺全熱回收機組（含輔助鍋爐+自動控制系統）比采取離心冷水機組+鍋爐傳統組合，在滿足900RT離心機組70%的冷負荷和生產800t55℃熱水需求量的條件下，每年可節省費用S年省=（2×S電2+ 2×S年水+S氣）－2×S電1=5293120元，約529萬元。

由：投資回收期Y= S多投資÷S年省（2）

多花費的投資為230（萬元），計算出這部分費用的回收期Y = 230÷529=0.43（年）。

6 結束語

在熱帶地區，集中空調+熱水供應系統中，使用全熱回收螺桿冷水機組（帶輔助鍋爐或冷媒）比使用離心式冷水機組+鍋爐更能節能和增加效益。主要是因為熱回收機組在熱帶地區一年中運行時間長達300天以上，以及一套完整的穩定性要求極高的自動控制系統。

在北方地區，由于全熱回收機組運行的天數遠遠少于300天，因此，不建議使用全熱回收機組。

全熱回收螺桿冷水機組配套選擇使用了高效的計算機自動控制系統，使其能更加有效運行。

【摘要】綠色建筑實現綠色節能，提供舒適、健康、高效的工作生活環境，從綠色建筑概念逐漸延申至實現真正的建筑綠色節能。中控PCS-300系列的樓宇自控系統和全熱回收空調冷水機組在項目上的實際運行取得了顯著節能效果。

FU Guo-cai,HU Hao,ZHAO Xu

（浙江中控自動化儀表有限公司）（Zhejiang Central Control Automation Instrument Co.,Ltd.）

【Abstract】The implementation of the green energy saving,green building provides a comfortable,healthy and efficient working environment,gradually deepening from the concept of green building to realize the real green energy-saving buildings.Zhongkong PCS-300 series of building automation system and the total heat recovery air-conditioning chiller on the project of energy saving effect have been made in the actual operation.

【關鍵詞】樓宇自控；熱回收空調機組；綠色建筑

【Keywords】building automation; heat recovery air conditioning unit; the green building、