中央空調系統技術經濟分析

趙金金 曹紅奮

上海海事大學

中央空調系統技術經濟分析

趙金金 曹紅奮

上海海事大學

首先介紹了國內外空調節能發展現狀，然后從冷卻水系統、冷凍水系統、空氣處理系統、和空調其他系統四個方面對中央空調節能進行了分析。并以南方某辦公大樓為例，對主要能耗部分做了節能計算，可供類似中央空調設計計算借鑒和參考。

中央空調；節能；經濟分析

Abstract: The article introduces current situations of domestic and oversea air-conditioning energy saving development then carries out analysis on cooling water, chilled water, air handling system and other systems of central air-conditioning system. Based on some office building in southern China as case study, the author calculates main energy consumption to give reference to similar central airconditioning system design calculation.

Key words: Central Air-Conditioning, Energy Saving, Economic Analysis

隨著國民經濟的發展、人民生活水平的提高，空調的應用已越來越普及，但是空調的能耗也相當驚人，如一些發達國家用于空調(包括供暖)所消耗的能量約占總消耗量的1/3，有的甚至達到消耗能量的45%。我國的一些安裝空調設備的生產單位所消耗的能量也相當可觀，有的單位用于空調冷凍的用電量占全場用電量1/3，甚至更高。因此，降低空調的能耗意義重大。

本文結合工程案例從冷卻水系統、冷凍水系統、空氣處理系統和空調其他系統四個方面對中央空調節能進行了分析，并對主要能耗部分做了節能計算，以改善整個空調系統節能效果。

1 中央空調節能技術分析

1.1 冷卻水系統節能分析

冷卻水系統主要由冷卻塔、換熱器、循環水泵、壓力過濾器和補水池組成，冷卻水系統節能主要從冷卻水供冷技術和循環水泵入手。

冷卻水供冷技術又稱為免費供冷技術，它是指在室外空氣濕球溫度較低時，關閉制冷機組，利用流經冷卻塔的循環水直接或間接地向空調系統供冷，提供建筑物所需要的冷量，從而節約冷水機組的能耗。一般情況下，由于冷卻水泵的揚程不能滿足供冷要求、水流與大氣接觸時的污染問題等，較少采用直接供冷方式。采用間接供冷時，需要增加板式熱交換器和少量的連接管路，但投資并不會增大很多。以美國的圣路易斯某辦公實驗綜合樓為例，1986年將大樓的空調水系統改造成能實現冷卻塔間接免費供冷的系統，當室外溫度干濕球溫度分別降到15.6℃和7.2℃時轉入免費供冷，據此每年可節約運行費用達到125 000美元。

循環水泵的節能主要是采用變頻水泵，根據冷卻水與冷媒的熱交換量調整水泵功率，即調整水泵電機的轉速。電機耗電量決定于其輸出功率，輸出功率P與電機轉速n的3次方正比，P∝n3，而電機轉速n與供電頻率f成正比，n∝f，即水泵的輸出功率與其轉速n和頻率f的數學關系式為

由式（1）可知電機轉速稍有下降，即稍微降低供電頻率，輸出功率將大幅下降。水泵電動機的功率與水量及轉速的關系如表1[1]所示。

表1 水泵電動機的功率與水量及轉速的關系

由表1可以看出，當水泵電動機的轉速降低10%，水量減少10%，功耗將會下降26.1%，節能效果非常突出。

1.2 冷凍水系統節能分析

空調系統的負荷由于影響因素的變化而總是處于變化狀態，且系統絕大部分時間都在低于額定負荷情況下運行。要適應負荷的變化，必須對空調冷凍水的流量作相應調節。

變水量的4種基本控制方法如圖 1所示用三通閥的控制方式對于空氣處理設備雖可實現變水量，但對整個水系統而言，則是定水量方式。因此，水泵的動力不可能節省，用雙通閥的控制方式是改變管路性能曲線，以使系統的工作點發生變化，結果是流量減少，壓力增加，水泵的動力降低有限。轉速控制是改變水泵性能的方法，隨著轉速下降，流量和壓力均降低，而水泵動力以轉速比三次方的比例減少，所以這種方式具有極好的節能性。臺數控制是目前采用較多的控制方式。它簡便易行，其節能及經濟效果十分顯著，此外，還可以采用相互結合的控制方式，如臺數+轉速控制等[2]。

圖1 變水量控制方式

1.3 空氣處理系統節能分析

空氣處理系統的主要任務是將處理過的空氣與新風混合后送到房間。空氣處理系統的主要能耗體現在空氣處理機組的功率以及送風量的大小上。

選用空氣處理機組時，應注意機組風量、風壓的匹配，選擇最佳狀態點運行。不宜加大風機的風壓，風壓提高，風機耗功率顯著增加。

選用空氣處理機組時應選用漏風量及外形尺寸小的機組。國家標準規定在700 Pa壓力時的漏風量不應大于3%，目前很多廠家的產品漏風量均在5%以上，有的甚至高達10%。實測證明：漏風量5%，風機功率增加16%；漏風量10%，風機功率增加33%；漏風量達到15%時，風機功率增加50%[3]。

空氣輸送系數（ATF）為單位風機消耗功率所輸送的顯熱量，選擇機組時應校核和比較ATF的大小，選擇ATF較大的機組。

送風量是根據房間的需求進行配送的。傳統的空調系統使用的送風模式是定風量送風，當房間負荷小于額定負荷時會造成能源浪費，因此應根據房間負荷的變化調整送風量，此即變風量送風。風量控制原理圖如圖2所示，根據室內溫度的設定值和實測值的差值向風量控制器回路設定風量，風量控制回路再根據設定風量和實測風量的差值給末端風閥控制信號，以此來調節送風量，達到對室內溫度的控制[4]。

從流體力學原理可知，風機的風量與風機的轉速成正比，風機的風壓與風機的轉速的2次方成正比，風機的功率與風機的轉速的3次方成正比。隨著風機轉速的下降，風機調節范圍 變寬，附加損失減小，變風機轉速（變頻調速）節能效果好。

1.4 空調其他系統節能分析

空調其他系統主要由送回風管道、冷水泵及末端送風裝置組成，能耗主要由冷水泵和送風管道引起，水泵的節能已闡述，這里就只分析送回風管道節能措施。送回風管道附加在空調系統上的能耗主要是管道的沿程阻力和局部阻力帶來的，沿程阻力和局部阻力的公式分別為式（2）和式（3）。

式中：

②扎筋立模：按照圖紙和規范要求，綁扎鋼筋，并固定好位置；待鋼筋綁扎后，檢查鋼筋是否齊全，經現場工程師檢驗后開始立模；鋼模立好后，用鋼管、對銷螺栓進行固定。確保模板具有足夠的剛度和強度，防止混凝土澆筑時變形過大。

hf-沿程阻力損失；hj-局部阻力損失；λ-沿程阻力系數；ζ-局部阻力系數；l-管道長度；d-管道當量直徑；v-流體速度；g-重力加速度。

由式（2）知，沿程阻力損失與管道長度l、流體速度v的2次方成正比，與管道的當量直徑成反比；由式（3）知，局部阻力損失與流體速度v的2次方成正比。此外λ不是一個常數，它與流體的性質、管道的粗糙程度以及流速和流態有關；影響局部阻力系數ζ的因素有管徑大小的改變、管徑方向的改變以及閥門等配件的安裝。因此，在設計風管時應注意以下問題：

（1）避免風管過長；

（2）管材的內壁保證光滑，減少直角轉角的使用；

（3）盡量做到風管阻力平衡，避免后期加設平衡閥使局部阻力系數增大；

（4）盡量減少使用漸變管；

（5）風管設計的風速不宜過大。

圖2 變風量控制原理圖

2 廣州某辦公大樓節能經濟分析

該建筑總建筑面積為22 245 m2，首層占地面積為3 000 m2，建筑物總層數為13層，該建筑功能以辦公為主，采用的送風方式為風機盤管加新風系統。本設計中整棟建筑的最大冷負荷為1 635 kW，新風冷負荷為809.19 kW。選用的制冷機組、水泵以及空氣處理機組的型號分別列于表2、表3和表4中。

表2 冷水機組選型

表3 水泵選型

表4 空氣處理機組選型

針對此辦公大樓，下面從冷卻水系統、冷凍水系統、空氣處理系統以及空調其他系統對其進行經濟計算。

首先針對冷卻塔節能技術進行計算。冷卻塔節能技術的使用時間受季節影響，使用時間段基本為過渡季節，考慮到廣州氣候的特殊性，一年中可使用冷卻塔節能技術的天數為60 d左右。空調系統每天的使用時間為10 h，電價為0.71元/kWh，由表2可知兩臺冷水機組的功率為620kW，一年中可節省的電費為264 120元。

下面針對冷卻水系統和冷凍水系統中的主要耗能部件水泵進行經濟計算。

傳統的中央空調所使用的水泵為定頻水泵，本設計采用的是變頻水泵，變頻水泵的優點主要體現在以下幾點。

（1）電動機可以實現軟起動，既降低起動能耗，又可避免對電網產生沖擊；

（2）水泵的機械使用壽命得以延長，降低水泵維護率和工人的勞動強度，從而獲得更多的經濟效益；

（3）通常情況下，采用變頻節能控制技術以后，每臺電動機的節電率可達到20%～30%。

該空調系統一年使用的天數為240 d，日運行時間為10 h，電價為0.71元/kWh，按節電量20%計算，水泵采用兩用一備，故一年可節省的電費為102 240元。市場上IS125-100-315C型號的水泵均價在2 000元左右，本設計中共采用了6臺，總價為12 000元，而水泵一年的節電量至少為102 240元，使用不到一個周期即可得到投資回報。

在空調系統設計過程中，設備選型時一般均會加大風機的送風量和風壓，這樣做的目的一般有兩個：一是為了滿足使用者的需要；二是加大風機的送風量和風壓，這樣可以彌補空調系統在設計上的阻力不平衡，考慮到風量的分配不均以及施工質量驗收規范規定的允許漏風量，風機風量的富余量一般控制在5%～10%，壓力損失附加值為10%～15%，又由于空氣處理機組定型時，風機的實際風量比額定風量大5%左右，最后的空氣處理機組的實際風量比原設計值大10%～15%，暫取最小值10%。

由表4可算出空氣處理機組的總功率為

32×10+57.1×12+64.9×1=1070.1 kW

由于實際功率比原設計功率大10%，則實際增加功率值為107.1 kW，一年中使用的時間為240 d，每天使用10 h，電價按0.71元/kWh計算，則一年增加的電費為

107.1 ×240×10×0.71=182498.4元

又由于空調機組風量的增加，在夏季，將造成冷卻水泵、冷機、冷卻塔的超時間運轉；在冬季，造成電加熱器等設備耗電量增加。如綜合考慮上述情況，費用將會更多。而且由于實際風量的增加，使系統偏離了設計要求的運行工況，給調節帶來不少的麻煩。

綜上所述，問題的關鍵在于對漏風量進行控制，控制主要有以下幾點。

（1）對一線工藝制作流程的控制，保證成型產品具有良好的保密性。

（2）對進場原材料的控制，控制原材料的質量是控制漏風量的重要保證，如板材的厚度、平整度，密封墊的彈性和寬度等，把好質量關。

（3）對制作過程進行嚴格的檢查，中間過程檢查是必不可少的控制手段，早發現，早處理，向制作工人傳遞質量意識，并采用一定的經濟手段使制作工人不敢放松對質量的要求。

（4）對空調系統的嚴密性進行嚴格的檢測，施工質量驗收規范對空調系統的嚴密性檢測已有明文的規定，根據系統的工作壓力，將漏風量的測定分為三個級別[5]：A.高壓系統（大于1 500 Pa）必須進行全面測試；B.中壓系統（大于500 Pa而小于1 500 Pa）在全部系統嚴格燈光檢漏合格下，實行抽檢20%，但至少測試一個系統；C.低壓系統（小于500 Pa）允許使用漏光檢測方法代替漏風量測。

總之，如果能有效地控制漏風量，使之達到設計要求和規范規定的允許漏風量，不但可以節約工程的一次性投資，降低系統運行成本，而且易于運行調節和維護，延長系統的使用壽命。

空調其他系統的經濟計算主要從材料買進價格和安裝入手，只要保證買進價格實惠，安裝流程及工藝按照國家規定的標準進行即可達到節能的目的。

3 結語

在我國全面建設資源節約型、環境友好型社會的進程中，空調作為高耗能電器，其節能技術必將越來越受到重視。相信在不遠的將來，經過一代代工程技術人員的努力，空調節能技術將會進一步提升，為我國的可持續發展帶來新契機。

[1] 翟力, 黃文美, 宋桂英. 智能樓宇中央空調節能控制研究[J]. 電氣應用, 2011, 30(18): 32-34.

[2] 張建一, 李莉. 制冷空調節能技術[M]. 北京 機械工業出版社,2011:23-24, 161-188.

[3] 譚文波. 建筑中央空調節能初探[J]. 制冷與空調 (四川), 2008 (z1): 22-23.

[4] 朱建紅, 潘麗萍, 邱天博. 中央空調空氣處理監控設計[J]. 自動化與儀器儀表, 2015 (11): 248-252.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中華人民共和國建設部.通風與空調工程施工質量驗收規范[S].北京: 中國標準出版社, 2002.

Economic Analysis on Central Air-Conditioning System Technology

Zhao Jinjin, Cao Hongfen
Shanghai Maritime University

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.013