水冷中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

摘要：為實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)綠色運(yùn)行目標(biāo)，通過研究水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，涉及系統(tǒng)優(yōu)化策略、設(shè)備選型、水系統(tǒng)管路優(yōu)化、自動系統(tǒng)應(yīng)用及參數(shù)設(shè)定。通過分析能耗點(diǎn)、精細(xì)控制末端設(shè)備、合理選型、優(yōu)化管路設(shè)計(jì)及建立能效管理中心等方法，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能效顯著提升。研究表明，綜合多方面優(yōu)化可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，并且該系統(tǒng)未來具有更多的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù)[A3]" 水冷中央空調(diào)系統(tǒng) 綜合能效 設(shè)備選型

Research on Energy-Saving Technology for Water-Cooled Central Air Conditioning System

CHEN Fang

Beijing Hengpu'an Digital Technology Development Co.， Ltd.， Beijing， 100176 China

Abstract：In order to achieve the green operation goal of the central air conditioning system， the energy saving technology of the water-cooled central air conditioning system is studied， which involves the system optimization strategy， equipment selection， water system pipeline optimization， automatic system application and parameter setting. Through the analysis of energy consumption points， fine control of terminal equipment， reasonable selection， optimization of pipeline design and the establishment of energy efficiency management center， it was found that the energy efficiency of the system is significantly improved. The research shows that the comprehensive optimization can effectively reduce the operation cost of the system， and the system has more energy saving technology application potential in the future.

Key Words： Energy-saving technologies; Water-cooled central air conditioning systems; Comprehensive energy efficiency; Equipment selection

[wl4]"水冷中央空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中扮演著至關(guān)重要的角色，為室內(nèi)環(huán)境提供舒適的氣候條件。然而，隨著能源消耗的不斷增加，如何提升這些系統(tǒng)的能效成為了一個(gè)亟待解決的問題。從技術(shù)現(xiàn)狀來看，積極優(yōu)化裝置功能與性能已成為實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)節(jié)能改造方案存在盲目性，經(jīng)常出現(xiàn)不合理規(guī)劃情況，導(dǎo)致裝置的節(jié)能效果并不理想。而對于企業(yè)而言，節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用不僅可以降低運(yùn)行成本，還能夠減少對環(huán)境的負(fù)面影響。為實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能改造的目標(biāo)，應(yīng)基于水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀積極完善節(jié)能系統(tǒng)方案，并通過一系列操作性強(qiáng)、節(jié)能效果顯著的技術(shù)措施。本文將通過幾點(diǎn)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，探討水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，從多個(gè)方面提出優(yōu)化方案。

1.系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化策略[wl5]

水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的效率提升受多種因素影響，需要指定合適的優(yōu)化策略。節(jié)能工作需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行的能耗點(diǎn)、運(yùn)行故障點(diǎn)、改造投入、實(shí)際需求等，避免盲目改造。

1.1方案設(shè)計(jì)

• [wl6]"冷水機(jī)組優(yōu)化方案。水冷冷水機(jī)組能耗占比通常能到制冷機(jī)房的50%左右，通常被視為最大節(jié)能點(diǎn)。但大部分的冷水機(jī)組的都有一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)負(fù)荷控制能耗。對于系統(tǒng)有多臺冷水機(jī)組的情況，還可以根據(jù)負(fù)荷控制冷水機(jī)組臺數(shù)，讓冷水機(jī)組保持比較高的負(fù)荷率，冷水機(jī)組效率會比較好，整體提升的空間有限。

當(dāng)然，冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間過長，會出現(xiàn)效率下降明顯、故障率較高等情況，更換新型冷水機(jī)組、高效的機(jī)組對系統(tǒng)效率提升有很大幫助。

• 空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備是空調(diào)系統(tǒng)的使用端，在保證末端必要的舒適度情況下，降低使用端的使用量，提高使用效率，能夠影響到生產(chǎn)端（冷水機(jī)房）的能耗。例如：及時(shí)關(guān)閉不使用的空調(diào)；采用控制設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)末端的使用量；合理調(diào)節(jié)送風(fēng)溫濕度；合理調(diào)節(jié)新風(fēng)量等。

對于現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)，大都帶有自控系統(tǒng)，但很多系統(tǒng)存在末端調(diào)試不到位的情況，需要根據(jù)實(shí)際情況精細(xì)調(diào)節(jié)配置自控系統(tǒng)。

1. 節(jié)能優(yōu)化改造思路

每個(gè)系統(tǒng)均有各自的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改造和投入，不一定需要改造和高投入。優(yōu)化可以從局部點(diǎn)入手，增加一些簡單措施就能夠?qū)崿F(xiàn)一些功能，再逐步完善，如使用小型控制器對AHU增加簡單的溫度控制；而且現(xiàn)有大部分系統(tǒng)都已配備自動控制設(shè)備，但存在著調(diào)試不佳和后期故障等問題，重新根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)試、修改參數(shù)就能達(dá)到很好的效果。

1. 關(guān)注整體節(jié)能效果

空調(diào)系統(tǒng)是個(gè)整體，節(jié)能需要關(guān)注整體效果，而不是單個(gè)設(shè)備的能耗。對于中央空調(diào)的生產(chǎn)端（通常包括冷水機(jī)組、循環(huán)水泵及冷卻塔等）的能耗需要整體計(jì)量來觀察能耗情況。

一般的中央空調(diào)系統(tǒng)通常缺乏對制冷量的計(jì)量措施，即流量計(jì)、能量計(jì)等措施，無法對制冷系統(tǒng)的制冷量進(jìn)行計(jì)量，無法對制冷效率進(jìn)行測算。節(jié)能量比較時(shí)較為困難，在計(jì)算節(jié)能量時(shí)可以比較在室外濕球溫度、末端使用量類似情況下的能耗。

2.設(shè)備的選擇策略

在水冷中央空調(diào)系統(tǒng)中，設(shè)備選型對于整個(gè)系統(tǒng)的能效表現(xiàn)影響很大。

2.1冷水機(jī)組選型

在新建項(xiàng)目或更換冷水機(jī)組的工程中，應(yīng)做好冷水機(jī)組的選型[wl7]"，在效率、調(diào)節(jié)性能、品牌、故障率、保養(yǎng)費(fèi)用幾點(diǎn)中做好平衡。為了確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與高效運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)預(yù)算優(yōu)選一級能效、變頻水冷機(jī)組，并且機(jī)組的控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)冷凍水、冷卻水的流量變化。將其數(shù)量控制在2[A8]"～4臺之間，這一配置旨在確保至少有1臺機(jī)組能夠滿足系統(tǒng)的最低負(fù)荷需求，同時(shí)兼顧高效與節(jié)能。同時(shí)，要注意冷水機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器的水阻力，水阻力大小會直接影響水泵揚(yáng)程計(jì)算，影響水泵的功率；同時(shí)，由于水阻力大小取決于設(shè)備換熱器容量，選擇設(shè)備時(shí)也要同時(shí)兼顧成本。

2.2循環(huán)水泵的選型方案

循環(huán)水泵的選型則需要綜合考慮流量、揚(yáng)程、效率等因素。但相較于其他參數(shù)，水泵揚(yáng)程作用尤為重要。選型前應(yīng)根據(jù)管路和設(shè)備情況精確計(jì)算揚(yáng)程，避免選擇過大的水泵^[1]。雖然水泵能夠通過變頻調(diào)節(jié)流量，但很多情況下水泵都在部分負(fù)荷運(yùn)行，合理的揚(yáng)程選擇能夠使水泵低負(fù)荷時(shí)的頻率不至于過低。大部分定頻水泵能夠適應(yīng)變頻頻率調(diào)節(jié)使用，部分水泵甚至可以達(dá)到20 Hz。另外，水泵選型中也要注意水泵的效率，盡量選擇高效水泵。

2.3冷卻塔的選型方案

冷卻塔的選型同樣需滿足流量與熱力性能需求^[2]。冷卻塔選型應(yīng)注意：在進(jìn)出水溫度匹配下冷卻塔的循環(huán)量，一般應(yīng)達(dá)到冷水機(jī)組冷凝器的循環(huán)水量的1.2倍以上；冷卻塔循環(huán)量增大會使冷卻塔的容量增大，從而提高換熱效率，并且能在夏季高溫高濕情況下顯著降低下塔溫度，有利于設(shè)備運(yùn)行效率提高。由于冷卻塔投資相對較低，建議增大冷卻塔容量，后期運(yùn)行會達(dá)到比較好的效果。冷卻塔選型的另一個(gè)重要參數(shù)是冷卻塔選型時(shí)的濕球溫度，北京區(qū)域一般會按照28 ℃選型，選型濕球溫度高會提高冷卻塔的實(shí)際容量。

3.水系統(tǒng)管路優(yōu)化

3.1管路效能提升策略

在水冷中[wl9]"央空調(diào)系統(tǒng)的能效提升策略中，管路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化扮演著重要的角色。管路系統(tǒng)的阻力降低，可以直接降低輸送系統(tǒng)水泵的揚(yáng)程，從而使能耗顯著的降低。很多情況下，優(yōu)化水泵及水系統(tǒng)所產(chǎn)生的節(jié)能量比高效冷水機(jī)組產(chǎn)生的節(jié)能量更多，可以更加高效、環(huán)保的運(yùn)行^[3]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期階段，應(yīng)盡量避免重復(fù)設(shè)置水過濾器，以減少不必要的壓降和能耗。水過濾器作為系統(tǒng)中常見的阻力來源，其阻力值往往達(dá)到2～5 MPa[wl10]"的壓降。當(dāng)水泵與機(jī)組距離較近時(shí)，可以考慮僅設(shè)置一次過濾器，以避免過度增加系統(tǒng)阻力。同時(shí)，在設(shè)置全程水處理器后，應(yīng)避免再額外設(shè)置過濾器，以免形成冗余，增加不必要的能耗。

3.2管路阻力改進(jìn)策略

為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)阻力，可以采用低阻力過濾器替代傳統(tǒng)的Y形過濾器。擴(kuò)散過濾器、微泡排氣過濾裝置等低阻力過濾器，能夠在保證過濾效果的同時(shí)，顯著降低系統(tǒng)阻力。此外，在管路設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免直角三通和管道走向的突變。這些設(shè)計(jì)不僅會增加系統(tǒng)阻力，還可能影響水流的穩(wěn)定性。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量增加大半徑彎頭，減少直角彎頭，以降低水系統(tǒng)的阻力。

在確定水管管徑時(shí)，應(yīng)充分考慮管內(nèi)流速的影響。由于機(jī)房內(nèi)設(shè)備、管件較多，管道的阻力以局部阻力為主。為了減小阻力、降低水泵的揚(yáng)程，冷水機(jī)房內(nèi)的水管管徑應(yīng)按管內(nèi)阻力來確定。在條件允許的情況下，應(yīng)降低管道設(shè)計(jì)阻力。雖然在前期會增加設(shè)備投資，但全壽命周期的運(yùn)行會使運(yùn)行成本大大降低。

4.合理有效的自動系統(tǒng)

合理有效的自動系統(tǒng)對提升水冷中央空調(diào)系統(tǒng)能效至關(guān)重要。空調(diào)系統(tǒng)的大部分時(shí)間運(yùn)行在部分負(fù)荷，并且負(fù)荷隨天氣、人員等情況變化較大，合理有效的自動控制系統(tǒng)確保末端舒適度穩(wěn)定并避免不必要能耗。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知室內(nèi)外環(huán)境條件的變化，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度等多個(gè)維度，并據(jù)此自動調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式和設(shè)定參數(shù)^[4]。例如[A11]"：在室外溫度較高、室內(nèi)人員密集時(shí)，智能控制系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)，提高制冷效率，確保室內(nèi)溫度維持在舒適范圍內(nèi)。而在室外溫度適宜、室內(nèi)人員稀少時(shí)，系統(tǒng)則會自動調(diào)整至節(jié)能模式，降低能耗，實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用。

大部分系統(tǒng)都已配備了自動控制設(shè)備，但很多設(shè)備由于調(diào)試時(shí)間不到位，現(xiàn)場人員培訓(xùn)不足等情況，無法正常使用、不切合實(shí)際情況或運(yùn)行情況不佳。這個(gè)需要操作人員和調(diào)試人員進(jìn)行長時(shí)間摸索和改進(jìn)，通常需要1～2 a。有條件的話，最好建立中央空調(diào)能效管理中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備能效與能耗，及時(shí)識別能效瓶頸并采取優(yōu)化措施。即冷水機(jī)組和其他設(shè)備上增加智能計(jì)量電表，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測能耗數(shù)據(jù)，管理人員可以直觀了解系統(tǒng)能耗狀況，制定合理節(jié)能措施。

5 設(shè)定合適的參數(shù)

5.1參數(shù)設(shè)定方案

參數(shù)的合理設(shè)[wl12]"定可以影響水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的能效水平，參數(shù)的精確控制是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的核心所在。在水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算和核對空調(diào)水系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)，同時(shí)精確計(jì)算水系統(tǒng)各環(huán)路的數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，夏季冷凍水系統(tǒng)的供回水溫差往往與設(shè)計(jì)值存在偏差。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，部分系統(tǒng)供回水溫差表現(xiàn)較好，可達(dá)4 ℃，但也有部分系統(tǒng)溫差僅為2～[A13]"2.5 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)中的5 ℃溫差。這種溫差的不一致，不僅影響了系統(tǒng)的制冷效率，還可能增加了不必要的能耗。

特別在冷水機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水系統(tǒng)的變頻控制對節(jié)能效果的影響尤為顯著^[5]。對于相同配置的制冷機(jī)組，在制訂具體的運(yùn)行方案時(shí)，必須充分考慮部分負(fù)荷下的性能差異。

5.2參數(shù)設(shè)定的注意事項(xiàng)

控制參數(shù)并不是恒定的，在不同的季節(jié)不同負(fù)荷下是可以調(diào)節(jié)的。例如：冷卻塔下塔溫度可以根據(jù)室外濕球溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；新風(fēng)量根據(jù)人員數(shù)量和室外情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；冷水機(jī)組的供水溫度根據(jù)負(fù)荷和除濕情況進(jìn)行調(diào)節(jié)等。

以江蘇某商業(yè)綜合體項(xiàng)目為例，空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化改造為項(xiàng)目節(jié)約了大量費(fèi)用，可見項(xiàng)目的節(jié)能空間較大。該項(xiàng)目于2017年進(jìn)行了全面的空調(diào)系統(tǒng)改造，通過優(yōu)化設(shè)備選型與控制策略，實(shí)現(xiàn)了能效的顯著提升與運(yùn)行成本的降低。相關(guān)結(jié)果顯示，在改造前的2016年8月，機(jī)房用電量為1 154 028 kWh，當(dāng)時(shí)室外平均氣溫為30.24 ℃。而自2017年改造完成后，機(jī)房整體用電量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。到2019年8月，用電量已降至675 295 kWh，室外平均氣溫為29.05 ℃。盡管運(yùn)行時(shí)間大致相當(dāng)，但耗電量相比2016年減少了478 733 kWh，耗電率降低了41.5%。[wl14]

6 結(jié)論

[wl15]"[A16]"水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究是一個(gè)復(fù)雜而重要的課題。通過制定合適的運(yùn)行策略、選擇更優(yōu)系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)定合適的參數(shù)、優(yōu)化管路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，可以顯著提升系統(tǒng)的能效并降低運(yùn)行成本。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，相信會有更多高效節(jié)能的技術(shù)應(yīng)用于水冷中央空調(diào)系統(tǒng)中，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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