中央空調裝置節能策略和運用分析

摘 要：近年來，我國大力倡導節能減排、提倡綠色生活，中央空調的節能優化是一大重要方向。文章首先針對中央空調在我國建筑工程中的發展應用展開分析，詳細分析了中央空調裝置節能策略，最后圍繞案例分析中央空調裝置節能策略的運用情況，以供參考。

關鍵詞：中央空調;發展;節能策略;運用

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.036

節能減排是國家重要的政策，近年來，國家頒布了一系列節能的規定，促進產品使用能耗的降低。從建筑能耗的角度分析，隨著人們對室內舒適度、空氣品質要求的不斷提高，中央空調系統的應用范圍不斷擴大，由此增加了建筑能耗，如何降低中央空調的能耗，成為目前研究的重點問題之一。

1 中央空調在建筑工程的發展概述

基于社會經濟的快速發展，人們的生活質量不斷提高，更加追求建筑環境舒適性，在各個方面開始諸多嘗試，進一步改善生活、工作環境。從大量高檔住宅、寫字樓、大型商業中心的建設與投入使用情況看，早期主要通過自然通風、電動風扇實現溫度調節，發展至今，空調設備已經實現了普及。

目前，中央空調系統以其設備集中、便于維護、操作方便、能效高等優點在各種建筑工程中得到了大規模的推廣運用，但是，此系統運行能耗巨大，據統計，大型公共建筑中央空調夏季運行能耗占建筑能耗50%～70%，由此，建筑行業節能中，中央空調能耗控制是一大關鍵[1]。

中央空調系統主要組成如圖1所示，其設計往往難以滿足建筑的最大負荷，并留有10%～20%設計負荷余量。因此，中央空調多數處于部分負荷狀態，系統設計負荷與實際運行負荷極不匹配。

建筑負荷是一個逐時多變的參數，受到人員流動、氣象參數、建筑圍護結構等多種因素的影響，實際運行往往缺少對空調系統的運行管理方法，難以根據實際負荷相應地調節空調系統的運行狀態，導致空調系統綜合運行能效低，造成能源白白浪費。因此，要根據末端用戶的實時冷負荷情況給出優化控制策略，動態地調節系統各設備的運行參數，使空調系統時刻處于高能效運行狀態[2]。

2 中央空調裝置節能策略分析

2.1 冷水機組運行策略優化

2.1.1單臺機組冷量優化分配

根據空調系統的實際運行情況分析，當建筑負荷發生變化時，優先采取調節單臺機組制冷量的方式滿足建筑物的冷負荷需求。現階段，各類冷水機組運行中可根據外界環境的氣象變化，合理調節運行狀態，將冷凍出水的溫度控制在設定的范圍內。

以單臺水冷螺桿式冷水機組為例，主要包括以下幾種節能手段：滑閥調節、塞柱閥調節、變頻調節。滑閥調節、變頻器調節可使壓縮機輸氣量在10%～100%內連續調節。塞柱閥調節可使壓縮機輸氣量在不同區間有級調節（如25%、50%、75%、100%）。

螺桿式冷水機組滑閥調節原理如圖2所示。其中，圖2（a）為機組滿載情況下，排氣端滑閥全開，排出體積為VC的氣體;圖2（b）為機組部分負載情況下，此時吸入氣體部分經過旁通返回吸氣段，排出體積為VP的氣體，減少了能量傳遞。相關學者研究顯示，采用變頻調節技術的機組長期處于部分負載率工況下，可獲得更佳的節能效果。

2.1.2 多機組聯合運行策略優化

多臺機組同時運行的情況下，需根據建筑物的實際負荷率、機組運行臺數、負荷分配情況進行調整，提高機組能效，降低系統能耗[3]。

以兩臺螺桿式冷水機組聯合運行為例，主要運行控制策略如下：

第一，平均負載法：基于建筑不同負荷率下，均由2臺機組承擔建筑所需冷負荷，且采用相同的機組負載率。

第二，機組平均負荷法：僅1臺機組運行滿足建筑所需冷負荷（要求機組的運行負載率在100%以下），此時建筑負荷全部由1臺機組承擔;當1臺機組運行無法滿足建筑負荷需求時，則啟動2臺機組并在相同負載率下運行[4]。

第三，逐臺啟動法：僅1臺機組運行滿足建筑所需冷負荷時，控制策略與平均負荷法相同;當1臺機組運行無法滿足建筑負荷需求時，維持第1臺機組滿負載運行，同時啟動第2臺機組，承擔剩余的建筑負荷需求。

對于中央空調系統運行而言，無論采用何種運行策略，根本目的在于降低建筑能耗，確保機組建筑不同負荷情況下的運行效率，對此，要做好綜合分析與選擇，獲得最佳節能效果。

2.2 冷凍水系統運行策略優化

中央空調系統運行情況顯示，如果建筑物負荷率在25%以下，則空調冷凍水系統將產生“大流量、小溫差”的運行工況，提高冷凍水的供水溫度，可提高機組COP，降低冷凍水系統的運行能耗，且此方法不僅可以減少低負荷率情況下的系統耗電量，還可用于其他負荷率的情況下。

建筑物運行中，空調系統的運行工況調整存在落后建筑負荷變化的情況。基于室外溫度可反映建筑冷負荷變化情況，可監測室外溫度的變化，并提前設定不同機組的冷凍水供水溫度值。同時，由于冷凍水的供水溫度直接影響室內溫濕度，必須在維持室內舒適性的前提下合理調節冷凍水的供水溫度。

2.3 冷卻水系統運行策略優化

在建筑物冷負荷需求一定的情況下，可在確保機組安全的基礎上，適當減小冷卻水的流量、維持冷卻塔較大風量運行，由此獲得較低溫度的機組冷卻進水，提高機組的運行性能。此方法主要是通過增大冷卻循環水的供回水溫差，實現冷卻水系統的變溫差、變流量運行。通過冷卻水供回水溫差的提高，可減小冷卻水的流量，降低冷卻循環水泵的能耗[5]。

同時，機組的冷卻進水較低的情況下，有利于提高機組性能，然而冷卻水的流量減小也將影響機組換熱性能，不利于機組能效。對此，必須綜合考慮水泵變頻運行效率、冷水機組安全運行最小的流量要求，一般情況下水泵頻率至少為30 Hz。

3 中央空調裝置節能策略的運用分析

3.1 某中央空調系統運行基本情況

配置上存在“大牛拉小車”。此中央空調系統是1997年建造制劑樓時設計的，配置是溴化鋰機組SX2—1115、冷卻泵37 kW/34 m/300 m3、冷卻塔350型15 kW風機、冷凍泵37 kW/47 m/300 m3組成中央空調系統。2003年，由于鍋爐的搬遷，由溴化鋰機組更換成水冷機組FTW—130，該機組為雙機頭90 kW（單機頭45 kW）冷卻98 m3、冷凍79 m3，但循環系統并沒做任何改動。

控制上單機啟停、星三角降壓啟動。中央空調機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風機與生產樓層風機均為單機直接啟停，均為人工操作。每次啟動后都要由車間通知方可停機，造成很大的能源浪費，特別是單個樓層生產時問題尤為突出[6]。

變壓器的運行載荷過重。現在使用的變壓器的容量為400 kVA，變壓器的效率一般為0.8，電容柜補償無功，可將功率因數提高到0.9，根據公式：P=S×COSφ，變壓器有功功率為360 kW;從2003年更換成電能水冷式空調機組后，只要空調系統運行，就占據了變壓器額定容量的37%～50%（單機頭137 kW，雙機頭179 kW）。

3.2 系統改造措施

3.2.1 設備選擇

循環泵：根據中央空調機組參數FTW—130—2冷卻水98 m3、冷凍水79 m3選擇合適的冷凍泵、冷卻泵作為冷凍系統、冷卻系統的循環泵。揚程選擇：更換循環泵，循環管路工況沒有發生任何改變，在此揚程以原泵的揚程作為參考。流量的選擇：根據機組設備提供的參數，水泵流量應為冷水機組額定流量1.1～1.2倍（1臺取1.1倍，2臺并聯取1.2倍），在此取1.15。經計算，選用22 kW/37 m/120 m3作為冷卻泵;22 kW/44 m/93.6 m3作為冷凍泵。

變頻器：本次選用ABB ACS510—1—046A—4變頻器作為冷凍泵、冷凍泵調速單元，其不但功能范圍廣、性能穩定、質量可靠，而且無須額外使用PLC。

PID溫控器：本次選用OHR—DN30模糊PID溫控器作為冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔分機溫控單元，抗干擾能力強，具有自整定功能，可自動調節最優參數，獲得更佳控制效果，控制溫度精度達±0.1 ℃。

3.2.2 系統節能改造

中央空調系統啟停由樓層風機發出信號控制，為確保無誤啟動，中央空調系統啟動時采用人工啟動。當樓層風機發出啟動信號時，中央空調系統方可人工啟動;當樓層風機停機時，中央空調系統根據要求自動停機。

冷凍循環泵、冷卻循環泵由變頻器和PID溫控器共同控制，PID溫控器采集冷凍水、冷卻水的回水溫度，回水的溫度通過信號形式輸入變頻器，變頻器根據實際溫度偏差決定冷凍水、冷卻水的流量[7]。

冷卻塔風機的啟停由PID溫控器控制，PID溫控器采集冷卻水溫度，采用溫控器的上下偏差報警功能控制冷卻塔的啟停。進入樓層風機盤管的冷凍閥由手動閥門改為電動閥門，其打開與關閉通過風機的啟動與停止控制[8]。

3.3 節能效果

本次節能改造構建了調整冷卻、冷凍水循環控制系統，通過減少空調機組設備的功率，減輕了變壓器的載荷，達到節能降耗目的。

此外，在空閑期通過自動控制系統對設備自動截流或停機，降低空調機組能耗。中央空調循環系統技改前后能耗對比如表1所示。

4 結語

綜上所述，基于綠色、環保、節能理念的推廣，對中央空調運行能耗控制提出了更高的要求。中央空調是現代建筑物中能耗最大的裝置，為實現節能降耗維持一個最佳的工作狀態十分重要，對此需加強各個組成部分節能改造，如冷水機組、冷凍水系統、冷卻水系統等，通過自動、協調控制，提高系統運行效率，減少能源消耗，獲得顯著的節能效果。

參考文獻

[1] 楊裔.中央空調節能技術綜述[J].現代信息科技，2019（13）：193-194.

[2] 植仲培.廣州大學城中央空調節能改造研究[J].機電工程技術，2019（6）：243-245.

[3] 陳柳枝.風機盤管自適應節能控制策略的研究與應用[J].低碳世界，2019（6）：43-44.

[4] 閆軍威，黃琪，周璇.基于Double—DQN的中央空調系統節能優化運行[J].華南理工大學學報：自然科學版，2019（1）：135-144.

[5] 周榮輝.探討中央空調冷凍機房節能控制系統的設計與應用[J].云南化工，2018（12）：142-143.

[6] 朱肖晶，朱兵，王科，等.中央空調節能控制系統的技術應用分析[J].電力需求側管理，2018（2）：25-28.

[7] 皮琳琳.高層樓宇中央空調的節能環保綜合策略研究[J].南方農機，2017（20）：85-86.

[8] 余雪，嚴良文，梅年豐，等.中央空調系統節能優化改造案例研究[J].計量與測試技術，2016（11）：53-55，59.

作者簡介：單卓（1976—），男，湖南衡東人，本科，工程師，研究方向：空調水暖安裝。