中央空調節能理論與實踐探討

馬力

（國網江蘇省電力有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215004）

1 中央空調系統節能的途徑和方法

（1）使用可再生能源作為中央空調的能源動力。在進行中央空調節能改造的過程中，可以充分的利用好中央空調系統周邊的資源環境，根據實際情況確定中央空調系統的能源供應。隨著科學技術的快速發展，太陽能技術、地熱能技術、風能技術快速發展，可以初步取代一些不可再生能源的作用。尤其是太陽能技術，已經開始廣泛的應用于城市能源供應之中。除此之外，針對一些集中用電很多的建筑群，可以應用地熱或水源熱泵空調系統，充分的考慮到建筑物內部的經濟效益，促進中央空調系統節能效率的提升。

（2）改善建筑物保溫效果。目前，很多的建筑物的保溫層難以有效的發揮對中央空調系統調節的室內溫度的維持效果，就很難對已經取得的溫度效果進行長時間的保持，最終造成大量的能源浪費。針對這樣的情況，在進行中央空調的節能設計的過程中，還需要充分的重視到對建筑物的保溫效果的提升，減少建筑物內部的能量損失，為促進中央空調系統的節能效果提升發揮作用。具體的來說，可以對建筑物的門窗所占據的面積比例進行調節，并在建筑物墻面上加蓋保溫層，增設窗戶外的遮陽窗簾，改善建筑物保溫效果，提高中央空調系統節能效率。

（3）加強對中央空調系統的運行管理。在進行中央空調節能改造的過程中，在中央空調系統的管理過程中還需要加強安全質量的管理監督，特別是對復雜的中央空調系統之中的閥門部分進行定期檢查，防止出現安全事故。與此同時，通過對閥門部分的安全檢查，也能夠有效的避免閥門漏氣所帶來的不必要的能量消耗，進而提升中央空調系統的節能效率。對水的管路也要加強巡視，防止水垢形成，導致導熱效率降低，電耗增加。

（4）采用自動控制措施，采集冷凝水，冷凍水溫度，流量，室溫等，根據溫度調節水泵功率，減少水泵的電耗，并且實時監測中央空調系統運行狀態。下面具體記錄對一家電子工廠中央空調改造實踐，探討上述原則的應用。該廠主營半導體生產等相關業務，辦公室區域面積約2200m2，生產區域面積10000m2，公司的中央空調系統配備兩臺冷水主機和兩套風冷模塊機組，給生產車間和辦公樓供冷和供暖，其中風模塊為熱泵型。通常情況下，制冷優先開啟冷水主機，只有在夏季供冷不足時才增加風冷模塊供冷，冬季開啟風冷模塊給辦公室供暖，極端低溫下，才會向生產車間供暖。空調設備配置情況及系統說明如表1。

表1 中央空調配置情況說明

中央空調系統管路連接和區域劃分情況說明冷水主機與冷卻水泵，冷卻塔一一對應連接，冷水主機和風冷模塊均是先與各自配套的冷凍水泵相連再接入末端側的供回水主管。

空調系統使用及能耗情況說明，中央空調系統即制冷又制熱，生產車間需要在春夏秋3 季供冷，辦公室需要夏天供冷，冬天供暖。根據系統運行記錄及操作管理人員的溝通，空調系統主要耗能設備的使用和能耗情況如表2。

表2

AHU，FAU，CAU 等空調設備均自帶電動調節閥，可自動調節流量大小；辦公室區域及房間內的風機盤管均未配電動閥，為常流水狀態。

生產車間空調系統的使用主要為春，夏，秋3 季的供冷，冬季極端低溫的情況下短暫供暖，辦公室區域空調系統的使用為夏季供冷和冬季供暖。春，夏，秋3 季的供冷狀態下優先開啟冷水主機，夏季冷水主機全開供冷不足的情況下加開1 臺風冷模塊，冬季則由風冷模塊運行制熱工況供熱。四臺冷凍水泵與主機一一對應，常用的3 臺水泵為變頻水泵，變頻功能僅用于啟動時保護電機的安全，2 臺冷卻水泵與主機一一對應，均配變頻裝置，僅用于啟動時保護電機的安全。

冷卻塔風機為工頻，設置有外界環境溫度自動控制風機啟停，當外界環境溫度低于15℃自動停風機，春秋季時，冷卻塔運行工況良好，但夏季開啟風冷模塊時冷卻水的進出水溫度為35/40℃，冷卻效果不好，空調系統主要耗能設備的年度能耗預估表如表3，單位，kW·h。

2 空調系統年度費用估算

中央空調系統主要深一年能耗為表4 所示。

3 冷凍泵的分析建議

表3

現場說明，空調系統常用的冷凍泵和冷卻泵都做了變頻，變頻器僅用于變頻啟動，保護電機在啟動時安全，正常運行時為工頻運行。使用分析，空調系統大部分時間處于部分負荷運行狀態，并且是隨車間內外環境時時變化的，大部分情況下水系統為大流量小溫差運行，工頻運行供冷流量（或熱量）和實際需求之間的在大部分時間是匹配，尤其是在冬季供暖時主機的負荷長期不足50%的情況下，存在“大馬拉小車”一類的嚴重浪費。建議：冷凍水泵的變頻控制交由變流量控制軟件動態控制，以實時監測的末端流量和冷（熱）量為依據控制水泵的運行頻率，確保供給與需求之間實時的高度匹配，從而節省水泵運行能耗

4 空調主機的分析建議

現場說明，夏季制冷時，同時運行兩臺冷水主機和風冷模塊，冷卻塔在機房墻體拐角的兩邊，冷卻塔冷卻效果差，冷水主機的冷卻水供回水溫度為35 和40℃，運行的主機均為高負載運行。

使用分析：風冷模塊開啟后，風冷模塊和冷水主機的冷卻塔相互影響，導致冷水主機和風冷模塊運行的能效明顯差于通風良好情況下的表現，同時主機的負載率均高于正常情況下，且風冷模塊負載率越高，影響越大。現場主機均為人工啟停，無自動判定空調系統負荷的措施，多臺機組根據各自的冷凍出水溫度同時加減載，沒有充分利用冷水機組的高能效和盡量避免風冷模塊冷凝散熱量對所有主機能效影響。系統在風冷模塊開啟時主機運行效率低且可能存在減機不及時，運行臺數多于實際所需的情況。

對多臺主機進行基于COP 優化的群控技術，實時監測末端負荷和外界環境溫度，優先開啟冷水主機，在風冷模塊運行時，在滿足末端負荷的前提下，通過控制各主機的供回水量的分配，保證按冷水主機滿載運行，風冷模塊補充不足冷量的模式運行。充分利用冷水主機系統的高能效，弱化風冷模塊的低效率和對所有能效的影響，車間和辦公室區域供回水管路控制方面的分析建議。

二樓從主機房接入的冷凍水供回水主管分出5 個供冷支路，除其中1 個支路僅連接1 個AHU（自身帶電動調節閥），其他支管上僅設置了手動的開關閥，辦公區域的末端幾乎全部是風機盤管，其他3 個區域則為空調箱和風機盤管混合，以空調箱為主要，空調箱本身均配有電動調節閥，風機盤管為常流水狀態。使用分析，在支管上未設置流量調節裝置，其中的風機盤管供冷區域更是常流水狀態，在末端部分負荷運行或部分末端設備運行時，系統會因為水力不平衡和負荷變化不一致造成區域之間的冷量不平衡，末端的供冷量會出現大于實際所需要的冷量，造成冷量和主機耗功的浪費，夏季夜晚辦公室不辦公的情況下最為明顯。建議：針對其中的4 個（最后一個為單獨一臺帶電動調節AHU 支路的不需要）：供冷支路進行冷量平衡控制，在每個供冷支管上設置動態流量和水力調節裝置，實現在保證每個環路最不利端壓差的情況下調節每個區域的能量分配，壓縮出系統供冷中的富余，達到節能的目的。

表4

空調系統運行管理的分析建議，整個空調供冷系統部分水泵和風機雖做了變頻處理，但運行頻仍是人工設置。整體的管理均是由管理員根據自身的經驗及日常溫度對中央空調進行的，未配置其他智能化的管控平臺。

分析說明：中央空調系統由主機、水泵、冷卻塔、空調箱末端等眾多動力設備組合而成，且供冷分為多個區域，因外界環境，車間運行等多個因素是動態變化的，要想實現系統各個設備及整體的運行狀態與實際的冷量需求匹配從而實現節能，單靠人工操作存在很大的局限性和滯后性，需要增加智能集中控制和遠程控制系統。建議：增設遠程能源管理中心，實現對機房冷源設備進行遠程智能管理和控制，提高管理水平的同時監控整個中央空調系統的能耗。

5 中央空調系統節能設計方案

現運行的中央空調增加控制系統功能，以提高空調的運行效率，冷凍機房現場設置各支管路冷量平衡的系統專用智能工作站，同時實時監測各區域溫度，溫差，壓差及室外環境溫度，結合模糊預判斷技術調節各區域的供水流量和供冷量。在冷凍機房現場增設冷凍水泵專用智能工作站，對冷凍泵現有控制柜智能改造，增設專用控制器及能耗監測裝置對冷凍泵進行變流量控制，在每個供冷區域冷熱量平衡的情況下根據兩者之間的壓差控制冷凍泵的頻率和臺數，從而控制冷凍水的變流量，達到節能的目的。在冷凍機房現場增設主機群控專用智能工作站，根據主機的負荷率與cop 及功率的性能曲線關系，進行運行工況優化控制，通過外圍的冷凍水流量，溫差及壓差的調節機制，優先開啟和運行冷水主機，且在風冷模塊和冷水主機同時運行時保證冷水主機滿載運行，風冷模塊補充不足，保持主機運行在高效區間，起到節能控制的目的。中央空調值班室設置系統能源管理控制中心，通過主機連接器與4 臺主機實現通訊，通過網絡連接器與系統專用中央控制盤（現場智能工作站）實現通訊，實現對整個中央空調設備的遠程智能管理及節能優化。