中央空調能耗分析 中央空調節能措施普及

中央空調是現代建筑中不可缺少的能耗運行系統。中央空調系統在給人們提供舒適的生活和工作環境的同時，又消耗掉了大量的能源。據統計，我國建筑物能耗約占能源總消耗量的30%。在有中央空調的建筑物中，中央空調的能耗約占總能耗的70%，而且呈逐年增長的趨勢。因此，如何高效利用中央空調系統的能源和節能就成為迫切需要解決的問題。

正常運行的中央空調系統，其耗能主要有兩個方面：一方面是為了供給空氣處理設備冷量和熱量的冷熱源耗能;另一方面是為了輸送空氣和水，風機和水泵克服流動阻力所需的動力耗能。中央空調系統的耗能量受很多因素影響，許多運行環節都有節能措施，因此，中央空調節能是一項綜合性的工程。以下就冷熱源耗能和動力耗能兩方面介紹幾種常用的節能措施。

　1、冷熱源耗能節能措施

　　1.1溫濕度控制

從中央空調系統空氣處理過程可以看出，夏季室內溫度越低、相對濕度愈低，系統設備耗能愈大;冬季室內溫度越高、相對濕度愈高，系統設備耗能愈大，相應地初投資和運行費用也隨之增大。

由于每個人對舒適感的要求標準差別很大，故對民用中央空調可有一個范圍較寬的舒適區。在該舒適區范圍內，夏季降溫時，取較高的溫濕度值;冬季采暖時，取較低的溫濕度值，可獲得一定的節能效果。建筑內溫濕度的變化與建筑節能有著緊密的相關性，根據經驗統計資料表明，如果在夏季將設定值溫度下調1℃，將增加9%的能耗;如果在冬季將設定值溫度上調1℃，將增加12%的能耗。因此將建筑內溫濕度控制在設定值精度范圍內是大樓中央空調節能的有效措施。

為降低能耗，空調房間室內溫濕度基數，在滿足生產需要和人體健康的情況下，夏季盡可能提高，冬季應盡可能降低。現在有些業主盲目追求“夠冷”境界，大幅度提高室內溫濕度設計標準，這樣做，不僅無謂地浪費大量能源，而且還會產生舒適感的負面效應。

空調系統溫濕度控制精度越高，舒適性越好，同時節能效果也越明顯。而空調系統前端所測信號準確性直接影響到中央空調系統的精確控制程度。所以，所測信號，尤其是溫濕度這樣的模擬信號，必須盡可能準確。

還有，一定要選用高控制精度的BAS對中央空調進行控制。因為，BAS采用DDC(直接數字控制器)直接控制電動水閥閥門的開度，而無須中間調節器;另外，DDC內含有豐富的計算控制軟件，如比例積分微分(PID)算法、模糊控制算法、遺傳算法等，來保證控制的精確度。

　　1.2冷源效率控制

評價冷源制冷效率的性能指標是制冷系數(COP，Coefficient Of Performance )。制冷系數指單位功耗所能獲得的冷量。制冷系數與制冷劑的性質無關，僅取決于被冷卻物的溫度T0和冷卻劑溫度Tk， T0越高，Tk越低，制冷系數越高。所以空調系統冷機的實際運行過程中不要使冷凍水溫度太低、冷卻水溫度太高，否則制冷系數就會較低，產生單位冷量所需消耗的功量多，耗電量高，增加建筑的能耗。提高冷源效率可采取以下措施：

　1)降低冷卻水溫度

由于冷卻水溫度越低，冷機的制冷系數就越高。冷卻水的供水溫度每上升1℃，冷機的COP下降近4%。降低冷卻水溫度就需要加強冷卻塔的運行管理。首先，對于停止運行的冷卻塔，其進出水管的閥門應該關閉。否則，因為來自停開的冷卻塔的水溫度較高，混合后的冷卻水水溫就會提高，冷機的制冷系數就減低了。其次，冷卻塔使用一段時間后，應及時檢修，否則冷卻塔的效率會下降，不能充分地為冷卻水降溫。

　2)提高冷凍水溫度

由于冷凍水溫度越高，冷機的制冷效率就越高。冷凍水供水溫度提高1℃，冷機的制冷系數可提高3%，所以在日常運行中不要盲目降低冷凍水溫度。首先，不要設置過低的冷機冷凍水設定溫度。其次，一定要關閉停止運行的冷機的水閥，防止部分冷凍水走旁通管路，否則，經過運行中的冷機的水量就會減少，導致冷凍水的溫度被冷機降到過低的水平。

　2、動力耗能節能措施

　　2.1輸送耗能控制

動力耗能主要是指系統運行中風機和水泵所消耗的電能。從風機和水泵的輸入功率計算公式：

　(1) (W):輸入功率; ：體積流量; ：壓頭; η：效率

由公式(1)可知，要減少功耗可以從以下三個方面來考慮：減少流量、降低系統阻力和提高風機、水泵的效率。在工程實踐中可采用以下措施：

　1)采用大溫差

如果系統中輸送冷熱能用的水(或空氣)的供回水(或送回風)溫差采用較大值，那么當它與原有溫差的比值為m，從流量計算公式知道，采用大溫差時的流量降為原來流量的1/m3 。這時，水泵或風機要求的功率將減小到原來的1/m3 。可見，加大溫差的節能效果是明顯的。

在滿足中央空調精度、人員舒適和工藝要求的前提下，應盡可能加大送風溫差。要注意的是：供、回水的溫度差不宜大于8℃。

　2)選用低流速

因為水泵和風機要求的功耗大致與管路系統中的流速成正比關系，因此，要取得節能的運行效果，在設計和運行時不要采用高流速。此外，干管中采用低流速還有利于系統的水力工況穩定性。例如：改變風機的轉速可以改變風機的性能參數，風機的功率與轉速成三次方的關系，而流量與轉速成一次方的關系，降低轉速以降低流量的同時可以大幅度降低能耗。當流量減少1/3時，能耗可減少約70.4%，當流量減少1/2時，能耗可減少約87.5%，且風機的效率基本不變，仍可穩定高效地工作。

　3)采用輸送效率高的載能介質

一般情況下，用水輸送冷熱能的耗能量比用空氣輸送的要小，并且輸送相同冷熱能所用水管的管徑要比風管小得多，所占用的建筑物空間也相應小很多。這也是近年來中央空調方式發展迅速的主要原因之一。

因此，對于集中冷凍方式，原則上應該把機房設備制備的冷凍水盡量輸送到各中央空調分區的附近或使用點上，通過末端非獨立式中央空調機組(如柜式空調機組、風機盤管)處理空氣，就地或供附近房間使用。

　2.2變風量系統控制

變風量系統就是針對送風系統耗電缺點的節能對策。變風量系統可分為兩種：一種為AHU風管系統中的空調機變風量系統(AHU—VAV系統);一種為FCU系統中的室內風機變風量系統(FCU-VAV系統)。AHU-VAV系統是在全風管系統中將送風溫度固定，而以調節送風機送風量的方式來應付室內空調負荷的變動。FCU-VAV系統則是將冷水供應量固定，而在室內FCU加裝無段變功率控制器改變送風量，亦即改變FCU的熱交換率來調節室內負荷變動。這兩種方式通過風量的調整來減少送風機的耗電量，同時也可增加熱源機器的運轉效率而節約熱源耗電，因此可在送風及熱源兩方面同時獲得節能效果。

　送入室內的冷量可按下式確定：

　　(2)

式中：C為空氣的比熱容，KJ/(Kg·℃);ρ為空氣密度，Kg/m3;L為送風量，m3/S;tn為室內溫度，℃ ;ts為送風溫度，℃;Q為吸收(或放入)室內的熱量，KW。

如果把送風溫度設為常數，改變送風量L，也可得到不同的Q值，以維持室溫不變。變風量控制可采用根據室內負荷的變化，自動調節送風量的送風裝置。當室內負荷減少時，它可保持送風參數不變(不需再熱)，通過自動減少風量來保持室內溫度的穩定。這樣，不僅可節約定風量系統為提高送風溫度所需的再熱量，而且還由于處理的風量減少，可降低風機功率電耗及制冷機的冷量。據多種資料介紹，變風量較之定風量方式一般情況下節能可達30%～50%。

　2.3變頻控制

大部分建筑物一年中只有幾十天時間中央空調處于比較大負荷。中央空調冷負荷始終處于動態變化之中，如每天早晚、氣候情況、客流量、活動內容等各種因素的變化，實時影響中央空調冷負荷。一般，冷負荷在5～60%范圍內波動，大多數建筑物每年至少70%是處于這種情況。而大多數中央空調，因系統設計多數以比較大冷負荷為比較大功率驅動。這樣，造成實際需要冷負荷與比較大功率輸出之間的矛盾，造成了巨大的能源浪費。采用變頻控制的方式，可解決此矛盾。

　1) 風機水泵類變頻控制

因為過去交流電機本身不調速，中央空調系統對空氣和水流量的控制不得不依賴擋板和閥門來調節，許多電能被白白浪費在擋板和閥門上。如果對風機水泵進行變頻調速，把浪費在擋板和閥門上的能量節省下來，每臺水泵平均節能效果就很可觀。

對于風機水泵來說，根據流體力學原理，在相似工況下運行時的參數存在以下關系[2]：

　(3)

其中：Q1、H1、N1、n1 ：分別為轉速改變前的流量、揚程、功率、轉速;

Q2、H2、N2、n2 ：分別為轉速改變后的流量、揚程、功率、轉速。

由公式(3)可知，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，消耗的功率與轉速的三次方成正比。對于變頻調速來說，轉速n基本上與電源頻率f成正比，當電源頻率f降低時，電動機轉速也降低，所需的功率就隨轉速的三次方迅速降低，可見，節能效果十分顯著。以風機為例，如所需風量為額定風量的80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，而軸功率降51.2%;當所需風量為額定風量的50%時，而軸功率降12.5%。這種節電效果也非常可觀。實際證明，風機水泵類變頻控制節能40%～50%。

　2) 冷水機組變頻控制

由于壓縮機不排除在滿負載狀態下長時間運行的可能性，所以，只能按比較大需求來決定電動機的容量，故設計裕量一般偏大。在實際運行中，輕載運行的時間所占的比例是非常高的。采用變頻控制對壓縮機轉速進行調節，實現對制冷量的控制，讓冷凍機組始終處于比較佳(比較合理)的運行狀態。變頻控制提高了空調器的效率，改善了冷凍機組的運行效果，從而實現了節能。

變頻壓縮機的原理是通過調節壓縮機的轉速而調節壓縮機的單位時間內的排氣量，從而達到調節制冷量的目的。制冷量和壓縮機頻率的數學關系式如下：

　(4)

式中，n為轉速，f為電機的頻率，p為電機的極對數，s為電動機的轉差率，λ為泄漏系數，Ps為吸氣壓力，vh為吸氣容積，ni為多變指數，εi為壓比(排氣/吸氣)，δ0為相對壓力損失系數，Zs、Zd為實際氣體壓縮性系數，為平均能效比。

由公式(4)可知，制冷量與頻率成正比關系，所以采用變頻調節可實現對制冷量的控制，從而可達到節能效果。

有些調節方式(如調節閥門開度和改變葉片角度)，即使在需求量較小的情況下，也不能減少電動機的運行效率。采用了變頻調速后，在需求量較小時，可降低電動機的轉速，減少電動機的運行功率，從而進一步實現節能。實際證明，冷水機組變頻控制可節能20%～30%。

本文作者創新點是：對于中央空調系統的冷熱源耗能和動力耗能方面采用有效的節能措施，使系統的調整和控制更準確，能源的消耗更合理，運行和管理的費用更節省。這是中央空調系統高效節能、高回報率的具體體現，也是空調工程設計追求的目標。