中央空调系统的节能方案探讨

摘要： 分析了影响空调系统能源消耗的关键因素，并从系统的选择、设备的选配及系统的 运行管理等方面提出了切实可行的空调节能方案，对空调系统的设计及运行管理中的节能具有一定参考价值。
    关键词： 节能方案 运行管理 设备选配
    1. 影啊空调系统能源消耗的关键因素
    随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调应用日益广泛、普及，空调用电占总用电总量的比例在不断上升，空调能耗已占总能耗20％左右，因而空调节能意义巨大。同时，在空调系统的设计及设备选型中均以最大负荷作为设计工况，市实际运行中空调负荷则随多种因素而变化，最小时甚至还不到设计负荷的10％，存在很大的能源浪费现象。因此，空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空调节能的关键。
    2. 系统的节能运行方案
    空调系统的节能主要可从以下几个方面考虑：系统的选择、设备的选配及系统的运行管理。
    2.1 系统的选择
    首先，在空调系统设计之初选定空调方案（系统方式）时，即应将节能作为重要依据之一。中央空调能耗一般包括三部分：空调冷热源；空调机组及末端设备；水或空气输送系统。这三部分能耗中，冷热源能耗约占总能耗的一半左右，是空调节能的主要内容。
    2.1.1 采用冰蓄能系统
    冰蓄冷技术是利用峰谷电价的差别将用电高峰时的空调负荷转移到电价较为便宜的夜间，从而节约运行费用。
    对于传统的冰蓄能系统，主机所耗的总能量变化不大，因而可节约运行费用但不节能；如采用再冷式冰蓄能系统则因采用了新型的冰剥离法，而减少了剥离能耗，即可节约运行费用又可节能。采用冰蓄能系统时，具体地有下面几种方案可供选择：
    “全部蓄能系统”：当电价在峰、谷时段里有差别时，可将全部负荷转移到廉价电费的时间里运行。这种方式常用于改建工程，它可利用原有的冷水机组，只需加设蓄冷设备和有关的辅助装置；这种方式也适用于需要瞬时大量释冷的特殊建筑物，如体育馆建筑物等。
    “部分蓄能系统”：冷水机组连续运行，它在夜间用来制冷蓄能，在白天利用蓄存的制冷量为建筑物提供制冷。将运行时数从 14 h扩展到24 h，可以得到最低的平均负荷。需电量费用大大地减少，而冷水机组的制冷能力也可减少50％～60％或者更多一些。在新建的建筑中，这是最实用的、投资有效的负荷管理方案。通过杭州市几个工程如：建行杭州分行办公大楼、杭州市新景福百货大楼的实践表明该系统节能（经济指标）可在25％ ～35％ 之间。
    2.1.2 采用变风量系统，以减少空气输送系统的能耗
    全空气空调系统设计的基本要求，是要确定向被空调房间输送的、经过一定处理的空气数量，用以吸收室内的余热和余湿，从而维持室内所需要的温、湿度。当室内余热值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可采用两种方法：
    1.定风量：将送风量L固定，而改变送风温度；
    2.变风量：将送风温度值固定，而改变进风量。
    考虑到现代化楼宇的空凋要求，正从集中式控制向各个房间进行独立、个别控制的方面发展。变风量空调（VAV）控制系统可以克服定风量系统的诸多缺点，它可以根据各个房间温度要求的不同进行独立温度控制，通过改变送风量的办法，来满足不同房间（或区域）对负荷变化的需要。同时，采用变风量系统可以使空调系统输送的风量在建筑物中各个朝向的房间之间进行转移，解决一天中同-u，-t间各朝向房间的负荷并不都处于最大值的问题，从而减少系统的总设计风量。这样，空调设备的容量也可以减小，既可节省设备费的投资，也进一步降低了系统的运行能耗。有资料显示，采用变风量系统可节省能源达到30％，并可同时提高环境的舒适性。该系统最适合应用于楼层空间大而且房间多的建筑。尤其是办公楼，更能发挥其操作简单、舒适、节能的效果。因此。变风量系统在运行中是一种节能的空调系统。
    2.1.3 利用能量回收系统节能
    在室内外温差较大的情况下，可在系统中增设热回收系统，可得到较为明显的节能效果。
    2.1.4 根据国家能源政策、能耗指标和当地能源条件合理选择冷热源
    在制冷机组的选用中。根据“提高电力在终端能源消耗中的比重，降低煤炭在一次能源中的比重，有效利用石油和天然气资源”的国家能源政策，鼓励采用电制冷机组，限制采用燃煤锅炉的产品。同时，可积极发展太阳能空凋与燃气空调（直燃机）、合理利用其他热源。
    太阳能空调：建立在太阳能热水器应用的基础上的太阳能空调，可充分利用夏天的太阳能，具有很好的经济性。利用太阳能供冷与供热，不仅可以节省电力和常规能源，对环境保护尤其有重要意义。
    燃气空调：燃气空调具有削减夏季电力高峰、填补夏季燃气低谷的益处，1996已成为我国中央空凋市场的主导产品。
    土壤热源的有效利用：目前我国南方地区空调系统主要用空气源热泵作为冷热源，由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约，夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高，从而主机能耗增大。与地面上环境空气相比，地下5rn以下全年土壤温度稳定且约等于年平均温度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。土壤热源热泵的主要优点有：节能效果明显（可比空气源热泵系统节能约20％）；埋地换热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能耗；由于土壤具有较好的蓄热性能，可与太阳能联用改善冬季运行条件；埋地换热器在地下静态的吸放热，可减小空调系统对地面空气的热污染及噪音污染。水源热泵系统：水源热泵系统空调系统是一种水冷的整体式供冷／供热机组，可进行制冷／制热循环，因而是一种全年运行的空调设备。其制冷（热）性能受外界环境变化的影响较小，换热效率也高于空气热泵。水源热泵系统空调系统是一种极具特色的新新产品，具有不同于传统中央空调系统的诸多技术特点，是一个热回收和内部能量平衡的系统，尤其在过渡季其节能的效果非常显著。由于其设计安装简单、控制管理方便、总体造价较低，故目前常用于住宅小区。
    2.1.5 热电冷三联供（CCHP）系统
    这是一项较适合我国国情的、利国利民的系统工程，但在我国尚处于研究和建设的初步阶段，还有许多相关的政策的技术问题有待深入研究。
    2.2 空调系统设计中的设备节能选配方案
    2.2.1 离心式冷水机组的选择
    在空调系统的设计中，主张选用高能效制冷机，但也反对盲目追求能效。实际采用方法应结合中国当前经济发展水平、采用系统法选用高效离心式制冷机的方法。
    工况差异对蒸气压缩式水冷冷水机组满负荷效率存在很大的影响。故在选用冷水机组时，必须重视工况不同对冷水机组性能产生的影响，考虑并满足中国气候和水质条件的要求，以保证机组长期高效可*运行。
    2.2.2 末端设备
    国产风机盘管从总体水平看与国外同类产品相比差不多，但与国外先进水平比较，主要差距是耗电量、盘管重量和噪声方面。因此设计中一定注意选用重量轻、单位风机功率供冷（热）量大的机组。空调机组应该选用机组风机风量、风压匹配合理，漏风量少，空气输送系数大的机组。
    2.2.3 冷冻水泵
    在一般公共和民用建筑中空调水系统的能耗约占空调总能耗的15％ ～20％。因此，空调水系统的节能也具有十分重要的意义。水系统节能除了重视水系统设计，认真进行水系统各环路的设计计算，并采取相应措施保证各环路水力平衡外，采用变频调速水泵进行变流量运行，或采用冬、夏两用双速水泵是两种较为有效的节能措施。
    有资料表明，空调水系统采用变流量运行具有很大的节能潜力，变频器投资在1～2年内即可收回。
    冷却水泵变速驱动和风机起停控制是两种较为有效的节能运行方式。
    2.3 系统运行过程中的节能
    2.3.1 加强中央空调的运行管理，采用一定的计量方法
    在空调能耗中，有很大一部分是由于管理不善而引起的。各项调节和节能措施的实施，亦与操作人员的技术素质直接相关。故应加强对空调操作人员的培训，提高管理人员素质，实行空调操作人员操作证制度。另外，集中空调实行计量收费，是建筑节能的一项基本措施。目前在欧美等国热量计量已是成熟的技术，据国外调查资料表明：实行集中空调计量收费后，其节能率在8％ ～l5％ .
    我国在计量方面也已取得了一定的成就。
    2.3.2 通过控制设备进行调节控制
    随着用能计量收费体制的改革，室内空调系统装配温控阀后整个空调系统如何正确配备控制设备是非常重要的。
    每一个有效节能的空调系统都应配置相应的调节控制设备，如自力式流量控制阀、压差控制阀、温度控制阀等等。在控制模式上需根据建筑物的具体功能、气候条件、使用状况等灵活处理，无统一的模式可循。如：①年运行管理问题，主要应考虑过渡季节的运行：室外新风的利用、新风量的确定等；② 日运行管理问题，主要应考虑随室外温度的变化采取不同的日节能运行模式，这可采用合理的自控系统及一定的手动调节装置来实现；③建筑预冷预热时间的合理选择。建筑预冷预热时间的选择将直接影响冷热设备的大小，从而影响初期投资。特别是对于大空间的体育场馆等蓄热量较大的建筑，如何做到既不影响正常使用，又能实现节能或节约投资，预冷预热时间的合理选择是关键。
    2.4 利用建筑构造实现节能
    如有条件，可在制定建筑方案阶段就有暖通专业人员参与，保证在不对建筑方案造成较大影响的前提下在建筑构造方面充分体现节能的要求、满足节能的需要。
    2.4.1 合理控制窗墙比、对外墙及屋顶的导热系数等提
    出具体要求通过外窗的耗热量占建筑物总耗热量的35％ 一45％ .故在进行前期建筑设计时，在保证室内采光的前提下，合理确定窗墙比将十分重要。
    2.4.2 提高门窗的气密性
    有资料表明，房间换气次数由0.8 h-1降到0.5 h-1，建筑物的耗冷可降低8％左右，因此设计中应采用密闭性良好的门窗。加设密闭条是提高门窗气密性的重要手段之一。
    2.4.3 使用环保、节能型建筑材料
    使用环保、节能型建筑材料，可有效减少通过围护结构的传热这一主要的空调负荷，从而各主要设备的容量，达到显著的节能效果。当然，这可能会在一定程度上增大初期投资，这可通过合理的技术经济比较后确定。
    2.4.4 “冷屋顶”节能
    “冷屋顶”（cool roofs）指具有高El射反射率的屋顶，通过在普通屋顶表面涂上浅色的、高反射率的屋顶，通过在普通屋顶的日射反射率，减少太阳热量的吸收，从而达到减少空调冷负荷、节约空调能耗的目的。
    采用“冷屋顶”节能可使空调负荷减少约10％-50％ .
    3. 结束语
    节能和环保是实现可持续发展的关键。空调领域作为一用能大户，其能耗已占总能耗的20％左右，故节能意义十分巨大。而从可持续发展理论出发，空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空调节能的关键，这对于节约能源、降低运行费用、促进国民经济发展具有十分重要的意义。作为一个暖通专业的工作者，在空调系统的设计、管理过程中，均应将对节能降消问题引起足够的重视，在各个环节中均应积极地争取挽回所有可能挽回的能量。并将能源消耗作为衡量系统优劣的一项重要指标。
    空调系统的节能可从以下几个方面进行考虑：系统的选择、设备的选配及系统的运行管理。具体节能方案应根据建筑物的结构、使用要求、环境条件等因素，通过广泛的调查研究后确定。只要各方共同努力，空调系统的节能降耗问题是不难解决的。