郭 杰 嚴(yán)良文 李 文 叢 閱

（浙江桐鄉(xiāng)新鳳鳴集團）（上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院)

目前民用、商用建筑使用的中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在能耗偏高的問題，空調(diào)年耗電量超過400億kW·h。在許多地區(qū)的電網(wǎng)中，空調(diào)制冷負(fù)荷比重超過30%～40%，是眾多能耗當(dāng)中重要的一部分[1-4]。統(tǒng)計資料表明，在建筑物的總運行能耗中空調(diào)系統(tǒng)占到30%～50%，而為整個冷水循環(huán)系統(tǒng)提供動力的冷水循環(huán)泵耗電量又占空調(diào)系統(tǒng)耗電量的18%左右，即循環(huán)水泵耗電量占建筑物總能耗的5.4%～9.0%，這是一個非?？捎^的數(shù)字[4]。在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計及設(shè)備選型中均以最大負(fù)荷作為設(shè)計工況，而實際運行中空調(diào)負(fù)荷則隨多種因素波動，有時工作負(fù)荷甚至還不到設(shè)計負(fù)荷的10%，大量能源被浪費。我國目前中央空調(diào)水送能耗與重視節(jié)能設(shè)計、節(jié)能管理的歐美等發(fā)達國家，特別是日本相比，差距較大。以日本綠色飯店空調(diào)水送能耗評定指標(biāo)為例，其規(guī)定值不大于28.6 W/kW，而統(tǒng)計表明，我國目前普遍為 59～143 W/kW，是日本的2～5倍。這說明平均有60%以上的電能被浪費[5]。

在能源問題日漸突出的今天，對空調(diào)的水系統(tǒng)進行節(jié)能改造變得非常普遍。當(dāng)然這一部分確實有很多的 “能”可以節(jié)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計原則是按照最極端的天氣情況選擇制冷機組及匹配循環(huán)水系統(tǒng)，甚至還使用安全系數(shù)放大系統(tǒng)負(fù)荷，但實際上一年之中絕大部分時間工作負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計的最大負(fù)荷，而水泵通常是全速運行輸送最大的流量，因而浪費了大量電能。（2）由于水力系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，設(shè)計工況與水泵實際運行工況存在較大偏差，循環(huán)水的實際輸送情況可能與設(shè)計不符，可能出現(xiàn)揚程偏高、流量偏大的情況，以及水泵處于低效區(qū)工作和水泵實際能量轉(zhuǎn)換效率差等情況，這些都會造成能源浪費。（3）由于空調(diào)所處地晝夜溫差、季節(jié)變化、人員流動等原因，使得空調(diào)工作負(fù)荷始終處于一定范圍的波動之中，而水泵無法跟隨負(fù)荷的波動調(diào)節(jié)自身的運行狀況，只能以工頻全速運轉(zhuǎn)輸送循環(huán)水。這些情況在現(xiàn)場中十分普遍，也引起了相關(guān)技術(shù)人員的注意。由于變頻節(jié)能技術(shù)已經(jīng)得到相當(dāng)大的推廣應(yīng)用，一些現(xiàn)場技術(shù)人員認(rèn)為，只要使用變頻技術(shù)就一定能節(jié)能，但對于是否適合于現(xiàn)場的實際情況，以及變頻后的節(jié)能效果是否明顯，往往疏于考慮。

1 中央空調(diào)水系統(tǒng)分析

中央空調(diào)的水系統(tǒng)是否需要做變頻改造，首先必須考慮空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷率的問題。一般空調(diào)系統(tǒng)是按照冷凍水和冷卻水進回水溫差為5～7℃設(shè)計的，因此系統(tǒng)的水流量就是按照最極端工況下的滿負(fù)荷情況來設(shè)計的，并匹配相應(yīng)的水泵。而實際運行過程中，由于受外界環(huán)境溫度、內(nèi)部人員流動等多方面因素的影響，實際測量冷凍水和冷卻水的進回水溫差大約只有1～2℃，這說明系統(tǒng)負(fù)荷非常小，而水系統(tǒng)機組卻處于全速運行狀態(tài)。當(dāng)然對于系統(tǒng)的負(fù)荷情況必須有一個長期全面的測量，才能將循環(huán)水系統(tǒng)流量降低到一個合理安全的范圍。同時，還需要綜合考慮制熱和制冷的工況，把握整個空調(diào)工作期間的運行情況和每天不同時段的負(fù)荷率。長期處于負(fù)荷低、波動大工況的系統(tǒng)是有很大的節(jié)能空間的。因此在決定對系統(tǒng)改造前，要全面地監(jiān)測冷卻水及冷凍水的進出口溫差，以及循環(huán)水流量、壓力等參數(shù)，針對空調(diào)系統(tǒng)實際運行負(fù)荷率及現(xiàn)場工況特點等情況制定周詳?shù)母脑旆桨?。同時需要特別注意：并不是水系統(tǒng)溫差小就一定說明負(fù)荷率低，有時由于系統(tǒng)運行年限已久、換熱系統(tǒng)結(jié)垢等原因，雖然溫差小，但是樓內(nèi)制冷效果并不好，對這種情況一定要區(qū)別對待。這種情況并不是由于負(fù)荷低而是由于換熱器換熱效果不佳造成了進回水溫差小，因此應(yīng)先對系統(tǒng)管道進行清洗后再考慮是否需要進行變頻改造。

雖然變頻可以降低水泵的能耗，但不能忽視另一個問題：當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降低后，流量隨之下降，此時制冷機組的COP下降，導(dǎo)致能耗加大，因此改造之前需要衡量這兩方面的得失。隨著制冷劑技術(shù)的發(fā)展，蒸發(fā)器和冷凝器的循環(huán)水流量可以在一定范圍內(nèi)變化，例如日立水冷螺桿式冷水機組允許蒸發(fā)器、冷凝器水流量在額定流量的30%～130%之間變化，該范圍內(nèi)的流量變化引起的制冷機組COP下降不超過10%。因此水泵能耗占整個系統(tǒng)能耗的比例越大，改造后節(jié)能的幅度就越大，反之亦然。20%左右為臨界狀態(tài)，在泵能耗占系統(tǒng)總能耗20%以上時，變頻改造才能達到節(jié)能的目的[6]。

通常情況下，必須準(zhǔn)確評估水泵當(dāng)前狀態(tài)下的運行工況，并預(yù)測改造后的運行情況?？梢允褂帽銛y式流量計方便地測量管路內(nèi)循環(huán)水流量，還可以利用現(xiàn)場水泵進出口的壓力表確定管路及水泵的運行情況。以單泵運行為例，首先可以通過下式計算管路系統(tǒng)的阻力系數(shù)γ：

式中H2——水泵輸出壓力（揚程）；

H1——水泵輸入壓力 （揚程）；

ΔH——系統(tǒng)背壓 （封閉管路系統(tǒng)ΔH=0，開式系統(tǒng)ΔH為進出口液面高度差）。

求得γ后，即可根據(jù)公式H=ΔH+γQ2繪制出以流量Q為橫坐標(biāo)、揚程H為縱坐標(biāo)的管路特性曲線（見圖1中曲線1）。如果以5℃溫差作為調(diào)節(jié)參數(shù)控制流量，可以使用下式預(yù)估改造后的流量Q′：

式中Q——系統(tǒng)改造前的實際流量；

Δt——改造前的循環(huán)水進出口溫差。根據(jù)預(yù)估的流量Q′，即可在管路曲線上找到水泵新的工況點 （Q′，H′）。同時也可以由離心泵相似定理通過下式繪制出該泵在變速條件下的性能曲線 (見圖1中曲線3）[7]：

圖1 水泵性能曲線與管路曲線

由于變速后水泵效率曲線基本不發(fā)生變化，即可在水泵的效率曲線 (見圖1中曲線4)上找到變速后水泵的機械效率。如果變速后水泵運行效率高，且在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)水泵都處于高效區(qū)，則不需重新選擇水泵。根據(jù)新的工況可以計算出改造后的水泵能耗。

2 水系統(tǒng)的改造

經(jīng)過前面的分析，空調(diào)系統(tǒng)存在各類不合理情況時，可以考慮采用變頻等方式來減小循環(huán)水系統(tǒng)的流量，以達到節(jié)能的目的。但改造工作并不是簡簡單單添加變頻器即可。例如，某中央空調(diào)系統(tǒng)進行變頻改造，即在原有水系統(tǒng)基礎(chǔ)上僅僅對冷凍水泵和冷卻水泵加裝變頻器，但由于該樓入住率低于預(yù)期設(shè)計水平，空調(diào)負(fù)荷率非常低，結(jié)果改造完成后發(fā)現(xiàn)變頻器始終工作在設(shè)定的最低限 （由于成本原因，電機沒有更換為變頻電機，仍使用現(xiàn)有的普通電機；考慮散熱等因素，變頻器低限設(shè)置在35 Hz），而且循環(huán)水系統(tǒng)熱負(fù)載能力還有富余。雖然這樣改造使得水泵耗電量下降了約2/3，但改造后的系統(tǒng)并不完善。如果在改造之初充分把握現(xiàn)場的負(fù)荷情況，加上對水泵以及管路的考慮，重新匹配水泵、優(yōu)化管路，則可以帶來更多的效益。所以為了實現(xiàn)節(jié)能量最大化，一定要根據(jù)水系統(tǒng)的實際運行情況因地制宜地進行改造。改造時，主要應(yīng)考慮以下幾方面問題：冷卻水和冷凍水進出口溫差、水泵運行情況、管路運行情況。

冷卻水和冷凍水已經(jīng)在前面討論過，而水泵以及管路往往是容易被忽視的問題，而這些問題將直接影響到改造效果。絕大部分循環(huán)水系統(tǒng)在設(shè)計時都留有過大的余量，實際運行中需要通過進出口閥門來控制輸出流量的大小，這時水流大部分動能白白耗在閥門阻力上了，而且初始的設(shè)計誤差會導(dǎo)致水泵當(dāng)前的工作狀況并不合理，運行效率低下。此外，原有的水泵并不一定適合變頻后狀態(tài)下的運行，也會造成水泵運行效率低下等問題。所以改造的時候要根據(jù)這些現(xiàn)場情況以及計算結(jié)果考慮水泵的更換與否。

既然改造為調(diào)速運行，就需要考慮使用合理的參數(shù)作為調(diào)節(jié)的根據(jù)，這個參數(shù)必須能夠恰當(dāng)?shù)胤从池?fù)荷情況。由于冷卻水管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定單一，基本上為一次循環(huán)，因此最好使用進出口溫差來調(diào)節(jié)。對于冷凍水部分則有多種選擇，目前還沒有統(tǒng)一的看法，有的使用出口溫度作為控制量，也有的使用進出口壓差或者進出口溫差作為控制量。雖然溫度能一定程度上反映負(fù)荷的波動情況，但其受外界環(huán)境、氣候因素的影響波動嚴(yán)重。夏天制冷時冷凍水出口溫度一般處于5～7℃，溫度并不能完全地反映負(fù)荷波動情況，但使用溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù)可以兼顧制冷機組的效率和用戶的舒適性。對于冷凍水為一次循環(huán)的系統(tǒng)，可以采用壓差或者溫差作為控制參數(shù)。以壓差為控制參數(shù)，即以制冷主機的出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據(jù)，使循環(huán)于各樓層的冷凍水能夠保持足夠的壓力，進行恒壓差控制。如果壓差值低于規(guī)定的下限值，電動機的轉(zhuǎn)速將不再下降。若壓差較小，說明系統(tǒng)負(fù)荷不大，可減小水泵的轉(zhuǎn)速，使壓差上升；若壓差較大，說明系統(tǒng)負(fù)荷較重，可增加水泵的轉(zhuǎn)速，使壓差下降。以溫差為控制參數(shù)，即對溫差進行檢測，以制冷主機的回水溫度和出水溫度之間的溫差信號為反饋信號，使循環(huán)于各樓層的冷凍水能夠保持足夠的低溫，進行恒溫差控制。若溫差較小，說明系統(tǒng)負(fù)荷不大，可減小水泵的轉(zhuǎn)速，使溫差上升；若溫差較大，說明系統(tǒng)負(fù)荷較重，可增加水泵的轉(zhuǎn)速，使溫差下降。不管使用何種調(diào)節(jié)方法，其流量調(diào)節(jié)的范圍不應(yīng)低于系統(tǒng)的報警閾值。嚴(yán)格地說，若不考慮冷凍水在傳輸途中的損失，制冷主機的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間中帶走的熱量。采用以溫差為主的控制方式，相比壓差更能反映系統(tǒng)的供冷負(fù)荷，非常適合對已有空調(diào)的變頻改造。以溫差為主的控制方式相比其他控制方式，既無需在各支路增加電動二通調(diào)節(jié)閥，又能保證系統(tǒng)運行的可靠性。也就是說，各支路沒有采用自主調(diào)節(jié)的電動二通閥門，閥門的開度還是根據(jù)初調(diào)節(jié)決定的。這樣經(jīng)過改造后的變流量系統(tǒng)，在泵進行調(diào)速時，流量還是按照原先的比例進行分配。在絕大多數(shù)情況下，各個房間的負(fù)荷急劇變化的情況很少出現(xiàn)，可以近似認(rèn)為是相似工況，所以按照過去比例分配流量是可行的[8]。對于冷凍水二次循環(huán)系統(tǒng)可采用不同的控制方式，一次循環(huán)水泵使用溫差作為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，二次循環(huán)水泵以進出口壓差為調(diào)節(jié)參數(shù)。

3 結(jié)論

本文對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造方法進行了論述。由于中央空調(diào)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，涉及到換熱器、冷凍機、水泵、電機、管路，任何一個參數(shù)的變化都會引起整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的改變，因此改造之前必須全面結(jié)合系統(tǒng)運行狀態(tài)，監(jiān)測水溫、流量、壓力等參數(shù)，通過這些參數(shù)來制定合理的改造方案，并預(yù)測改造后的運行情況，以判斷改造效果，從而作出合理的決策。

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