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大型商用水系统中央空调节能措施浅析

2019-10-12 14:59:17浏览:14 来源:清洗联盟   

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大型商用水系统中央空调节能措施浅析

大型商用水系统中央空调由于制冷量大,越 来越广泛地应用于企事业单位办公区、写字楼、 酒店、商场等公共场所。中央空调在设计时,往 往是按照当地气象资料 ( 最高/最低气温) 和建 筑物的特点,并考虑最大能量 ( 冷量/热量) 需 求,预留 10% ~ 20% 的余量而设计的。而实际 运行中,中央空调制冷主机和冷却水系统设备的 功耗与空调系统负荷以及室外湿球温度有关,即 实际上绝大部分时间里运行负荷均远低于设计负 荷,随着中央空调负荷的变化,制冷主机、冷冻 水泵、冷却水泵可能偏离最佳运行工况,导致中 央空调能耗高、效率低。加之我国的建筑围护结 构保温隔热性能差,使得建筑耗能 ( 采暖、空 调等) 总量占到中国能源消费总量的相当比例。 因此,我国政府针对这种情况提出,在夏热冬冷 的地区,在 1980—1981 年当地代表性住宅建筑 夏季空调加上冬季采暖能耗 ( 折算成每平方米 建筑面积每年用于夏季空调和冬季采暖能耗的电 能) 的基础上节约 65% 的节能目标。 如今,随着人们对高品质健康生活的追求, 高端办公写字楼、酒店等商用建筑采用的中央空 调已经成熟地进入到 “四恒一净”的状态,即 “恒温、恒湿、恒氧、恒静” + “空气净化”, 这种中央空调系统可以实现最佳舒适度,提升建 筑物的整体档次。 

1 大型水系统中央空调的工作原理 水系统中央空调主要由制冷主机、冷 却 ( 冻) 水泵、冷却 ( 冻) 水管道、冷却塔等组 成,其工作原理如图 1 所示。制冷主机将低压气 态制冷剂压缩进入冷凝器并冷凝成高压液体,在 冷凝过程中制冷剂释放出大量热能,冷却水吸收 制冷剂冷凝释放出的大量热量后,被冷却水泵送 到冷却塔上,由冷却塔风机加速将冷却水中的热 量散发到大气中,冷却水降温后送回主机冷凝 器; 冷凝器中的高压液态制冷剂在流经蒸发器时 汽化,吸收冷冻水中的大量热量,使冷冻水降 温,降温后的冷冻水由冷冻水泵加压送入房间进 行热量交换后又回到蒸发器,如此循环往复。

2 中央空调系统能耗分析

2. 1 建筑外围护结构的能耗损失

随着我国经济近 40 a 的高速增长,各类写 字楼、酒店、商场等商用建筑如雨后春笋般地建 成,但由于国家建筑节能规范标准制定的延后, 以及建筑节能材料因成本费用等方面的原因而没 有大量应用,造成我国单位面积空调所耗能源相 当于纬度相近发达国家的 2 ~ 3 倍,直接影响中 央空调的容量和投入成本。截至 2018 年,我国 建筑采暖、空调能耗约占建筑总能耗的 60% ~ 70% ,而建筑耗能在我国能源消费总量中的份额 已超过 27% 。

2. 2 制冷主机的效率

制冷主机的能耗主要体现在空调压缩机,空 调压缩机的功耗约占空调总能耗的 60% 以上, 其运行效率对空调机组总体能耗影响很大。如今 新型制冷剂的应用,不仅可提高空调能效比,还 可减少对大气层的破坏。

2. 3 电机消耗的电能

在中央空调水系统中,包含了各类冷却 ( 冻) 水泵、冷却塔、末端设备风机等动设备, 其能耗主要是驱动上述设备的交流电机消耗的电 能,这些设备的总能耗约占空调系统总能耗的 30% ~ 35% 。

2. 4 冷却塔的冷却效率

冷却水在冷却塔中冷却,其冷却效果直接决 定着空调机组能耗的高低。

2. 5 空调管路系统

空调管路负责输送冷却 ( 冻) 水,其管路 选材、管程管网优化、管径大小设计及保温效果 也在很大程度上决定着空调机组能耗的高低。

2. 6 空调末端设备及新风系统

中央空调末端设备包含风机盘管、空气处理 机组、风柜等。作为空调末端设备的重要组成部 分———新风系统设备主要安装在建筑公共区域, 通过风管输送到各个房间,负责处理室内空气的 含氧量以及控制室内空气中甲醛等有机物含量、 PM2. 5 等指标。空调末端设备及新风系统的运 行状况也在很大程度上决定着中央空调系统能耗 的高低。

2. 7 楼宇自控系统

大型商用水系统中央空调的组成设备数量 多,管路复杂,楼宇自控系统作为其大脑和神经 系统,其设计合理完善与否对中央空调系统的能 耗也有较大的影响。经验和测试数据表明,1 套 合理完善的楼宇自控系统可以降低整个中央空调 系统总能耗的 30% 左右。 2. 8 其他方面 使用管理不善、用户维护意识淡薄等也会造 成中央空调系统能耗增高。

3 中央空调系统节能措施

3. 1 采用变频技术控制电机

据电机学的基本原理,三相异步电机的定子 转速可以通过公式 n = 60 f /p ( 式中: n 为电机 的转速; f 为工作电源的频率; p 为磁极的对数) 进行表达,三相交流电机转速随电机频率的改变 而变化。而电机额定输出功率的表达式为 P = T ·n /9550 ( 式中: P 为电机额定输出功率; T 为 转矩; n 为电机的转速) ,表明电机的转速与电 机的输出功率成正比。因此,可采用变频技术来 改变电机的转速,从而达到调整电机输出功率的 目的。 为保证设备运行的可靠性,在电机设计确定 功率时,都会留有一定的余量,而电机不需要一 直在满负荷下运行,以免造成电能的浪费。因 此,可通过调整输入电机电源的频率来控制电机 功率,进而实现节能。通过对机组压缩机电机及 各类冷却 ( 冻) 水泵电机及冷却塔风机电机进 行加装变频柜等技改后,可以实现电机变频启动 ( 保证配电电网电压波动) 和运行,实现中央空 调机组的水流量和通风量与空调实际负荷完美匹 配,从而可降低中央空调系统总能耗 20% ~ 30% 。

3. 2 提高制冷主机的效率

制冷主机包含空调压缩机、冷凝器、节流装 置、蒸发器四大组件,是大型商用水系统中央空 调系统最核心的部分,而功率消耗最高的压缩机 的作用是将从蒸发器来的制冷剂由低温低压气体 压缩成高温高压气体,要想提高空调压缩机的效 率,关健在于空调压缩机的机械结构设计和机组 控制系统。压缩机主要有活塞式、涡旋式、螺杆 式、离心式 4 种类型,大型中央空调制冷机组主 要采用螺杆式压缩机 ( 综合能效系数 COP 可达 到 5 倍) 和离心式压缩机 ( 综合能效系数 COP 可达 6 ~ 7 倍) ,可以获得比其他类型压缩机更 高的能效比。而空调机组控制系统采用 PLC 程 式控制器后,可使制冷机组具有高效率、高寿 命,以实现节能。 制冷剂是通过自身可逆的相变而实现能量传 递的重要媒介,其性能 ( 主要指标包括饱和蒸 气压、比 热、粘 度、导 热 系 数、表 面 张 力 等) 对于制冷机组的制冷速度和制冷效果有着较大的 影响。 如今,制冷剂品种随中央空调的发展而变得 越来越安全、环保,我国承诺履行世界 《蒙特 利尔议定书》,加速淘汰含氢氯氟烃 ( HCFC) 的制冷剂,到 2030 年停止 HCFC 的使用。最新 应用的碳氢制冷剂 R290 完全不损害臭氧层,无 温室效应,同时其热力学特性也得到了前所未有 的提高,能在给定的温度区域内以更高的循环效 率运行,单位容积制冷量更大。制冷剂在常温条 件下应为气态且不易压缩成液体,好的制冷剂可 实现中央空调系统节能 20% 左右。

3. 3 降低冷却塔的能耗

冷却塔是中央空调机组冷却水系统最主要的 换热设备之一,其作用是将冷却水中的热量散入 大气中。冷却塔分为干式冷却塔和湿式冷却塔 2 种,合理选择冷却塔的型式可有效降低中央空调 机组的能耗。干式冷却塔中,空气与水的换热是 通过金属管组成的散热器表面传热,将管内水的 热量传输给散热器外流动的空气; 湿式冷却塔 中,水和空气的换热方式是流过水表面的空气与 水直接接触,通过对流传热和蒸发把水中的热量 传递给空气。很显然,湿式冷却塔的换热效率远 高于干式冷却塔。因此,在条件允许的情况下, 应优先选择湿式冷却塔。 此外,冷却塔在使用过程中换热效率下降还 有以下一些原因: 冷却塔中填料滋生细菌产生的 生物膜与灰尘、藻类结合形成附着物,附着于冷 却塔填料上,从而降低冷却塔的换热效果,且填 料结垢和淤泥、杂物堵塞还会影响冷却塔中水的 分布和通风; 进风窗水垢和空气中的杂物混合堵 塞进风口,影响通风; 水槽中的水垢和淤泥太多 可能导致喷头堵塞,影响冷却塔中水的分布和喷 淋效果,使得循环水冷却效率下降。因此,为提 高冷却塔的冷却效率,通常采取 2 种方式: 一是 定期用中性除垢剂清洗填料,清洗过后再添加缓 释阻垢剂,延缓填料结垢; 二是在冷却水管道中 安装磁场水处理装置,通过其产生的磁场分解水 垢,从而达到保持冷却塔清洁、高效的目的。


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