摘要：本文結合既有建筑的中央空調水系統的設計與運行狀況，分析與討論了水系統的節能改造技術。既有中央空調水系統的節能技術有：主機變頻、空調泵變頻、水蓄冷、高效泵。非線性、大滯后的中央空調水系統適合采用智能控制算法。
　　關鍵詞：中央空調；節能；改造
　　引言
　　對近幾年來多宗中央空調系統的統計調查與初淺分析，筆者認為存在以下幾個問題：(1)冷熱源總裝機容量偏大，投入運行的臺數一般占裝機容量的1/3～3/4，單臺機組的負荷一般在60％以下；(2)沒有安裝低負荷運行的小機組；(3)水系統一般為定流量系統，供回水溫差在1～4.40℃；(4)部分離心機組在低負荷運行時(4月、5月、9月、10月)喘振，有的機組甚至無法正常運行；(5)空調水泵揚程選擇偏大，導致單臺水泵無法正常工作；（6）主機、冷卻、冷凍水泵終端設備等彼此匹配性差；（7）系統降效快。究其主要原因有：（1）設計人員遷就業主“寧左勿右”、“只高不低”，政府投資的工程尤甚；（2）業主忽視了空調系統維護清洗。
　　1冷源改造技術
　　對于冷源機房容量選擇大，通過臺數控制不能滿足安全、高效運行的情況，成熟的改造技術有：制冷機組變頻控制；水蓄冷；增加低容量機組；擴大空調區域（例如，某政府高校約3萬平米的綜合樓的中央空調系統建成后，又將該系統惠及另外三棟共約900平米的學員樓）等。以下結合有關工程討論冷源改造技術。
　　1．1制冷機組變頻改造
　　1.1.1制冷機的性能系數COP現狀
　　2007年就22棟國家政府機構辦公樓和大型公共建筑。通過測試或根據運行記錄計算機組的性能系數COP，其機組的COP普遍低于公共建筑的強制性標準。
　　案例一：A辦公樓安裝了3臺500RT的離心式冷水機組(2001年投入運行)，壓縮機功率340kW。
　　3臺機組通常只運行1臺，即使在天氣炎熱的情況下，也僅開啟2臺。通過測試，制冷機組的COP在3.50～4.14之間，低于公共建筑的強制性標準，也低于設計工況的COP。
　　案例二：B酒店的制冷機組為工頻離心式機組(2001年投入運行)，共有4×400USRT的機組，負荷最大時運行2臺，機組的設計能效比為5.43。根據2007年10月22～31日對制冷機組運行參數的測試，1#機組的負荷率在41％～76％之間變化，COP值在3.33～4.27之間，低于公建標準。2#機組的負荷率在38％～86％之間變化，其中，在80％～86％的負荷率為10.93％，60％～69％負荷率的概率最大(34.82％)。COP值在2.88～4.62之間，低于公建標準。
　　1.1.2制冷主機COP節能改造
　　冷水機組99％以上的時間運行在部分負荷工況。通過調節導流葉片開度來調節機組輸出冷量的恒速離心機，最高效率點通常在70％～80％負荷左右，負荷率80％時對應的COP為5.885，負荷率100％時對應的COP為5.33，負荷率40％時COP為5.1，隨著負荷降低，單位冷量能耗增加較顯著。
　　
　　圖1COP與恒速、變頻負荷率的關系
　　從圖1中可看出，變頻運行的制冷機，其最高效率點可以在部分負荷下，如40％～50％負荷左右，50％負荷對應的COP為11.95。機組變頻控制還能提高機組的功率因數，優化機組啟動性能，避開喘振點，提高機組可靠性。
　　案例三：C有限公司的中央空調采用了2臺650冷噸離心式制冷機組。于2005年8月20日投
　　入使用，冷水機組用于生產車間空調，24h不間斷運行，負荷穩定，標準出水溫度，夏天2臺運行，冬天單臺運行。l#機于2007年9月改造為變頻制冷機組。經過一年多的運行實踐，無論是在大負荷運行或是小負荷運行(只要符合變頻條件)，都比工頻機組節能。根據2007年10月15日10：10～l0月16日10：10的測試，2臺機組負荷率在60％～67％。每天節省1439kWh，節能率為20.85％。該機組工頻運行的COP為7.03，變頻時COP為l0.05，即機組工頻運行時的COP低，機組的節能效果好。如果5～10月(合計6個月)按開2臺制冷機組計算(考慮0.8的安全系數)，1l～次年4月(合計6個月)運行1臺機組，電費為0.55元/kwh，每年可為公司節省18.2萬元，實際運行表明，節省的運行費用大于l8.5萬元。主機變頻改造的經濟效益與節能效益如表1所示。
　　表1主機變頻改造的經濟效益與節能效益
　　5～10月節電量/kWh 11～次年4月節電量/kWh 全年節電量/kWh 全年節省的運行費用/萬元
　　207216 129510 336726 18.5
　　1.1.3水蓄冷改造
　　利用既有的常規冷水機組，改造為水蓄冷的系統。其方法是利用消防水池、原有蓄水設施或建筑物地下室等作為蓄冷容器，增加放冷泵、充冷泵、板式換熱器設備。此項改造技術具有如下優點：
　　(1)設備安全運行。避免“大馬拉小車”；
　　(2)節能。系統高負荷運轉時間大幅度增加，制冷效率可以提高5％～8％；
　　(3)經濟效益。投資一般3～4年可以回收。水蓄冷不僅能為用戶、為社會創造節能效益，而且創造的經濟效益可用于其他節能改造項目，解決節能改造資金瓶頸問題；
　　(4)社會效益。平衡電網負荷，充分發揮電站的發電效益，減少電廠投資，凈化環境。
　　案例四：D科技大樓原為常規的中央空調系統(能源合同管理項目)，制冷機組為離心式制冷機組，
　　制冷量600冷噸。2008年改造為水系統中央空調，改造項目投入運行后，通過測試，得出以下幾點：
　　(1)滿足設計要求。低谷時段所蓄的冷量，可以滿足該大樓白天3-4h空調所需的冷量。
　　(2)移峰填谷。在高溫條件下，水蓄冷可以移峰888kWh，減少平谷段860kWh，增加1554kWh低谷段電量；在一般溫度下，水蓄冷可以移峰684kWh，減少平谷段1034kWh，增加1414kWh低谷段電量，創造了社會效益和環境效益。
　　(3)經濟效益：在高溫條件下，每天節約電費1988元；在一般氣候下，節約1885元。
　　(4)空調節能。節約電量3.6萬kwh(不計發電廠的節煤量)，占原用電量的5.70％；電費
　　33675.3元，占總節約費用(75萬元)的4.49％。
　　(5)保證并提高機組的安全可靠運行系數。
　　1.1.4增加小容量機組
　　案例五：E辦公樓設計時為三大一小制冷機組，業主為了節省投資改為3臺大機組，投入運行后，在低負荷時，機組無法啟動或者喘振。通過增加2臺風冷熱泵機組才滿足大樓的正常供冷以及設備的正常運行。
　　2空調循環泵改造技術
　　2.1空調循環泵變頻改造的條件
　　根據空調水系統的特點，借助智能自控技術、高速可靠的網絡通訊技術及先進的控制軟件，對空調水泵采用基于計算機網絡的智能控制變頻技術。主要應具有以下優點：實時跟蹤空調負荷，減少冷凍水、冷卻水用量，減少能耗與運行費用；減少空調水系統設備的振動和磨損，延長設備的使用壽命；可以實現對水泵電機的“軟啟動”、“軟停機”，減少電流對電機的沖擊；提高電機的效率，改善其運行條件；降低電機和冷卻塔的噪聲。
　　2.2工程實例概述
　　案例六：某高層商用寫字樓，總建筑面積3.8萬m2。大樓的中央空調系統冷熱源采用2臺600RT離心式冷水機組供冷，冬天由1臺2.5t的燃油鍋爐供暖，其他輔助設備如表2所示。
　　表2冷源系統主要設備
　　設備 主要參數 數量
　　冷機機組 制冷量600冷噸（2110kW）,壓縮機功率374kW 2臺
　　冷凍水泵 立式離心泵：流量未知，楊程未知，電機功率55kW 2臺
　　由于氣候狀況與室內熱源變化，改造前，5月、9月運行1臺主機，冷卻水泵2臺，1臺冷凍水泵，1臺冷卻塔(4臺風機)；7月、8月運行2臺主機，2臺冷凍泵，4臺冷卻泵，4臺冷卻塔(6臺風機)。控制水平停留在人工操作運行臺數，水系統流量僅能在50％或100％運行。針對“大流量，小溫差”運行狀況進行節能改造，對2臺冷凍水泵、2臺冷卻泵變頻調速控制(設計要求，為避免變頻水泵空轉與倒流，不允許工頻泵與變頻泵同時運行)。冷熱源控制系統的通信協議采用過程現場總線PROFIBUS，控制器的算法采用模糊控制，水泵的運行狀態以及中央空調系統中的主要過程參數實現界面集中監控。
　　2．3改造效果分析
　　2.3.1測試結果
　　通過測試，可以得出以下幾點：
　　(1)節能。節能效果如表3所示。從表3中可看出，制冷系統總節電率為24.85％。冷凍水泵、冷卻水泵采用了模糊變頻控制，不僅節省了水泵的用電量，而且提高了機組的能效比，1#機組能效比提高了12.79％，2#機組能效比提高了10.51％。
　　表3改造后系統各部分節能率
　　制冷機組 冷卻水泵 冷凍水泵 制冷系統
　　9.13% 43.52% 72.33% 24.85%
　　注：室外溫度為33℃
　　(2)具有經濟效益。寫字樓中央空調部分年用電58萬元左右，按改造后年節省24.85％的費用計算，則每年至少節省l4.41萬元。投資3～4年完全能回收。
　　(3)降低了冷凝溫度，提高了機組安全運行的可靠性。1#、2#機組分別降低了1T、1.1T。
　　(4)增大了供回水溫差。1#機組：變頻運行，冷卻水溫差為3.0℃，冷凍水溫差3.6℃；工頻運行，1#機組冷卻水溫差為2.4℃，冷凍水溫差1.812。2#機組：變頻運行，冷卻水溫差為2.4℃，冷凍水溫差3.7℃；工頻運行，2#機組冷卻水溫差為1.6℃，冷凍水溫差2.3℃。
　　(5)減少了水流量。1#機組減少了27.25％．2#機組減少了27.93％。
　　(6)提高室內溫度的控制精度。在變頻控制下，房間溫度24．2℃；工頻控制下，房間溫度23.9℃。
　　2.3.2考核說明
　　經過近一年的運行，系統運行正常，但有兩點需要說明。
　　(1)實際節電率為20.5％。主要原因為：改造前，中央空調水系統的運行狀況處于節約型節能，也就是說，在某些時段不滿足室內空氣舒適度的要求(設備停止運行)；改造后，系統根據室內舒適度運行，提高了環境服務質量。
　　(2)沒有考慮具體工程的實際情況，冷卻水泵的頻率下限值調得太低。因為我市的5月濕度大，焓值高，導致機組頻繁啟停。重新設定冷卻水泵的頻率下限值，機組工作正常。
　　3結論
　　通過以上的討論，既有中央空調水系統的節能技術有：主機變頻、空調泵變頻、水蓄冷、高效泵。非線性、大滯后的中央空調水系統適合采用智能控制算法。多項工程節能改造表明：中央空調水系統的各項節能率為20.5％～31％，不到3年即可回收節能投資，而且空調系統運行正常，室內溫濕度滿足要求。
　　參考文獻
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