摘要：本文結(jié)合既有建筑的中央空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行狀況，分析與討論了水系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)。既有中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)有：主機(jī)變頻、空調(diào)泵變頻、水蓄冷、高效泵。非線性、大滯后的中央空調(diào)水系統(tǒng)適合采用智能控制算法。
　　關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；節(jié)能；改造
　　引言
　　對(duì)近幾年來(lái)多宗中央空調(diào)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查與初淺分析，筆者認(rèn)為存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)冷熱源總裝機(jī)容量偏大，投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)一般占裝機(jī)容量的1/3～3/4，單臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷一般在60％以下；(2)沒有安裝低負(fù)荷運(yùn)行的小機(jī)組；(3)水系統(tǒng)一般為定流量系統(tǒng)，供回水溫差在1～4.40℃；(4)部分離心機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(4月、5月、9月、10月)喘振，有的機(jī)組甚至無(wú)法正常運(yùn)行；(5)空調(diào)水泵揚(yáng)程選擇偏大，導(dǎo)致單臺(tái)水泵無(wú)法正常工作；（6）主機(jī)、冷卻、冷凍水泵終端設(shè)備等彼此匹配性差；（7）系統(tǒng)降效快。究其主要原因有：（1）設(shè)計(jì)人員遷就業(yè)主“寧左勿右”、“只高不低”，政府投資的工程尤甚；（2）業(yè)主忽視了空調(diào)系統(tǒng)維護(hù)清洗。
　　1冷源改造技術(shù)
　　對(duì)于冷源機(jī)房容量選擇大，通過(guò)臺(tái)數(shù)控制不能滿足安全、高效運(yùn)行的情況，成熟的改造技術(shù)有：制冷機(jī)組變頻控制；水蓄冷；增加低容量機(jī)組；擴(kuò)大空調(diào)區(qū)域（例如，某政府高校約3萬(wàn)平米的綜合樓的中央空調(diào)系統(tǒng)建成后，又將該系統(tǒng)惠及另外三棟共約900平米的學(xué)員樓）等。以下結(jié)合有關(guān)工程討論冷源改造技術(shù)。
　　1．1制冷機(jī)組變頻改造
　　1.1.1制冷機(jī)的性能系數(shù)COP現(xiàn)狀
　　2007年就22棟國(guó)家政府機(jī)構(gòu)辦公樓和大型公共建筑。通過(guò)測(cè)試或根據(jù)運(yùn)行記錄計(jì)算機(jī)組的性能系數(shù)COP，其機(jī)組的COP普遍低于公共建筑的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。
　　案例一：A辦公樓安裝了3臺(tái)500RT的離心式冷水機(jī)組(2001年投入運(yùn)行)，壓縮機(jī)功率340kW。
　　3臺(tái)機(jī)組通常只運(yùn)行1臺(tái)，即使在天氣炎熱的情況下，也僅開啟2臺(tái)。通過(guò)測(cè)試，制冷機(jī)組的COP在3.50～4.14之間，低于公共建筑的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，也低于設(shè)計(jì)工況的COP。
　　案例二：B酒店的制冷機(jī)組為工頻離心式機(jī)組(2001年投入運(yùn)行)，共有4×400USRT的機(jī)組，負(fù)荷最大時(shí)運(yùn)行2臺(tái)，機(jī)組的設(shè)計(jì)能效比為5.43。根據(jù)2007年10月22～31日對(duì)制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的測(cè)試，1#機(jī)組的負(fù)荷率在41％～76％之間變化，COP值在3.33～4.27之間，低于公建標(biāo)準(zhǔn)。2#機(jī)組的負(fù)荷率在38％～86％之間變化，其中，在80％～86％的負(fù)荷率為10.93％，60％～69％負(fù)荷率的概率最大(34.82％)。COP值在2.88～4.62之間，低于公建標(biāo)準(zhǔn)。
　　1.1.2制冷主機(jī)COP節(jié)能改造
　　冷水機(jī)組99％以上的時(shí)間運(yùn)行在部分負(fù)荷工況。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開度來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組輸出冷量的恒速離心機(jī)，最高效率點(diǎn)通常在70％～80％負(fù)荷左右，負(fù)荷率80％時(shí)對(duì)應(yīng)的COP為5.885，負(fù)荷率100％時(shí)對(duì)應(yīng)的COP為5.33，負(fù)荷率40％時(shí)COP為5.1，隨著負(fù)荷降低，單位冷量能耗增加較顯著。
　　
　　圖1COP與恒速、變頻負(fù)荷率的關(guān)系
　　從圖1中可看出，變頻運(yùn)行的制冷機(jī)，其最高效率點(diǎn)可以在部分負(fù)荷下，如40％～50％負(fù)荷左右，50％負(fù)荷對(duì)應(yīng)的COP為11.95。機(jī)組變頻控制還能提高機(jī)組的功率因數(shù)，優(yōu)化機(jī)組啟動(dòng)性能，避開喘振點(diǎn)，提高機(jī)組可靠性。
　　案例三：C有限公司的中央空調(diào)采用了2臺(tái)650冷噸離心式制冷機(jī)組。于2005年8月20日投
　　入使用，冷水機(jī)組用于生產(chǎn)車間空調(diào)，24h不間斷運(yùn)行，負(fù)荷穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)出水溫度，夏天2臺(tái)運(yùn)行，冬天單臺(tái)運(yùn)行。l#機(jī)于2007年9月改造為變頻制冷機(jī)組。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行實(shí)踐，無(wú)論是在大負(fù)荷運(yùn)行或是小負(fù)荷運(yùn)行(只要符合變頻條件)，都比工頻機(jī)組節(jié)能。根據(jù)2007年10月15日10：10～l0月16日10：10的測(cè)試，2臺(tái)機(jī)組負(fù)荷率在60％～67％。每天節(jié)省1439kWh，節(jié)能率為20.85％。該機(jī)組工頻運(yùn)行的COP為7.03，變頻時(shí)COP為l0.05，即機(jī)組工頻運(yùn)行時(shí)的COP低，機(jī)組的節(jié)能效果好。如果5～10月(合計(jì)6個(gè)月)按開2臺(tái)制冷機(jī)組計(jì)算(考慮0.8的安全系數(shù))，1l～次年4月(合計(jì)6個(gè)月)運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組，電費(fèi)為0.55元/kwh，每年可為公司節(jié)省18.2萬(wàn)元，實(shí)際運(yùn)行表明，節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用大于l8.5萬(wàn)元。主機(jī)變頻改造的經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能效益如表1所示。
　　表1主機(jī)變頻改造的經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能效益
　　5～10月節(jié)電量/kWh 11～次年4月節(jié)電量/kWh 全年節(jié)電量/kWh 全年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用/萬(wàn)元
　　207216 129510 336726 18.5
　　1.1.3水蓄冷改造
　　利用既有的常規(guī)冷水機(jī)組，改造為水蓄冷的系統(tǒng)。其方法是利用消防水池、原有蓄水設(shè)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(shè)備。此項(xiàng)改造技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)設(shè)備安全運(yùn)行。避免“大馬拉小車”；
　　(2)節(jié)能。系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間大幅度增加，制冷效率可以提高5％～8％；
　　(3)經(jīng)濟(jì)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(huì)創(chuàng)造節(jié)能效益，而且創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益可用于其他節(jié)能改造項(xiàng)目，解決節(jié)能改造資金瓶頸問(wèn)題；
　　(4)社會(huì)效益。平衡電網(wǎng)負(fù)荷，充分發(fā)揮電站的發(fā)電效益，減少電廠投資，凈化環(huán)境。
　　案例四：D科技大樓原為常規(guī)的中央空調(diào)系統(tǒng)(能源合同管理項(xiàng)目)，制冷機(jī)組為離心式制冷機(jī)組，
　　制冷量600冷噸。2008年改造為水系統(tǒng)中央空調(diào)，改造項(xiàng)目投入運(yùn)行后，通過(guò)測(cè)試，得出以下幾點(diǎn)：
　　(1)滿足設(shè)計(jì)要求。低谷時(shí)段所蓄的冷量，可以滿足該大樓白天3-4h空調(diào)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(chuàng)造了社會(huì)效益和環(huán)境效益。
　　(3)經(jīng)濟(jì)效益：在高溫條件下，每天節(jié)約電費(fèi)1988元；在一般氣候下，節(jié)約1885元。
　　(4)空調(diào)節(jié)能。節(jié)約電量3.6萬(wàn)kwh(不計(jì)發(fā)電廠的節(jié)煤量)，占原用電量的5.70％；電費(fèi)
　　33675.3元，占總節(jié)約費(fèi)用(75萬(wàn)元)的4.49％。
　　(5)保證并提高機(jī)組的安全可靠運(yùn)行系數(shù)。
　　1.1.4增加小容量機(jī)組
　　案例五：E辦公樓設(shè)計(jì)時(shí)為三大一小制冷機(jī)組，業(yè)主為了節(jié)省投資改為3臺(tái)大機(jī)組，投入運(yùn)行后，在低負(fù)荷時(shí)，機(jī)組無(wú)法啟動(dòng)或者喘振。通過(guò)增加2臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組才滿足大樓的正常供冷以及設(shè)備的正常運(yùn)行。
　　2空調(diào)循環(huán)泵改造技術(shù)
　　2.1空調(diào)循環(huán)泵變頻改造的條件
　　根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)的特點(diǎn)，借助智能自控技術(shù)、高速可靠的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及先進(jìn)的控制軟件，對(duì)空調(diào)水泵采用基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能控制變頻技術(shù)。主要應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)跟蹤空調(diào)負(fù)荷，減少冷凍水、冷卻水用量，減少能耗與運(yùn)行費(fèi)用；減少空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備的振動(dòng)和磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)的“軟啟動(dòng)”、“軟停機(jī)”，減少電流對(duì)電機(jī)的沖擊；提高電機(jī)的效率，改善其運(yùn)行條件；降低電機(jī)和冷卻塔的噪聲。
　　2.2工程實(shí)例概述
　　案例六：某高層商用寫字樓，總建筑面積3.8萬(wàn)m2。大樓的中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用2臺(tái)600RT離心式冷水機(jī)組供冷，冬天由1臺(tái)2.5t的燃油鍋爐供暖，其他輔助設(shè)備如表2所示。
　　表2冷源系統(tǒng)主要設(shè)備
　　設(shè)備 主要參數(shù) 數(shù)量
　　冷機(jī)機(jī)組 制冷量600冷噸（2110kW）,壓縮機(jī)功率374kW 2臺(tái)
　　冷凍水泵 立式離心泵：流量未知，楊程未知，電機(jī)功率55kW 2臺(tái)
　　由于氣候狀況與室內(nèi)熱源變化，改造前，5月、9月運(yùn)行1臺(tái)主機(jī)，冷卻水泵2臺(tái)，1臺(tái)冷凍水泵，1臺(tái)冷卻塔(4臺(tái)風(fēng)機(jī))；7月、8月運(yùn)行2臺(tái)主機(jī)，2臺(tái)冷凍泵，4臺(tái)冷卻泵，4臺(tái)冷卻塔(6臺(tái)風(fēng)機(jī))。控制水平停留在人工操作運(yùn)行臺(tái)數(shù)，水系統(tǒng)流量?jī)H能在50％或100％運(yùn)行。針對(duì)“大流量，小溫差”運(yùn)行狀況進(jìn)行節(jié)能改造，對(duì)2臺(tái)冷凍水泵、2臺(tái)冷卻泵變頻調(diào)速控制(設(shè)計(jì)要求，為避免變頻水泵空轉(zhuǎn)與倒流，不允許工頻泵與變頻泵同時(shí)運(yùn)行)。冷熱源控制系統(tǒng)的通信協(xié)議采用過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS，控制器的算法采用模糊控制，水泵的運(yùn)行狀態(tài)以及中央空調(diào)系統(tǒng)中的主要過(guò)程參數(shù)實(shí)現(xiàn)界面集中監(jiān)控。
　　2．3改造效果分析
　　2.3.1測(cè)試結(jié)果
　　通過(guò)測(cè)試，可以得出以下幾點(diǎn)：
　　(1)節(jié)能。節(jié)能效果如表3所示。從表3中可看出，制冷系統(tǒng)總節(jié)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(jié)省了水泵的用電量，而且提高了機(jī)組的能效比，1#機(jī)組能效比提高了12.79％，2#機(jī)組能效比提高了10.51％。
　　表3改造后系統(tǒng)各部分節(jié)能率
　　制冷機(jī)組 冷卻水泵 冷凍水泵 制冷系統(tǒng)
　　9.13% 43.52% 72.33% 24.85%
　　注：室外溫度為33℃
　　(2)具有經(jīng)濟(jì)效益。寫字樓中央空調(diào)部分年用電58萬(wàn)元左右，按改造后年節(jié)省24.85％的費(fèi)用計(jì)算，則每年至少節(jié)省l4.41萬(wàn)元。投資3～4年完全能回收。
　　(3)降低了冷凝溫度，提高了機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。1#、2#機(jī)組分別降低了1T、1.1T。
　　(4)增大了供回水溫差。1#機(jī)組：變頻運(yùn)行，冷卻水溫差為3.0℃，冷凍水溫差3.6℃；工頻運(yùn)行，1#機(jī)組冷卻水溫差為2.4℃，冷凍水溫差1.812。2#機(jī)組：變頻運(yùn)行，冷卻水溫差為2.4℃，冷凍水溫差3.7℃；工頻運(yùn)行，2#機(jī)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(jī)組減少了27.25％．2#機(jī)組減少了27.93％。
　　(6)提高室內(nèi)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(shuō)明
　　經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行正常，但有兩點(diǎn)需要說(shuō)明。
　　(1)實(shí)際節(jié)電率為20.5％。主要原因?yàn)椋焊脑烨埃�中央空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況處于節(jié)約型節(jié)能，也就是說(shuō)，在某些時(shí)段不滿足室內(nèi)空氣舒適度的要求(設(shè)備停止運(yùn)行)；改造后，系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)舒適度運(yùn)行，提高了環(huán)境服務(wù)質(zhì)量。
　　(2)沒有考慮具體工程的實(shí)際情況，冷卻水泵的頻率下限值調(diào)得太低。因?yàn)槲沂械?月濕度大，焓值高，導(dǎo)致機(jī)組頻繁啟停。重新設(shè)定冷卻水泵的頻率下限值，機(jī)組工作正常。
　　3結(jié)論
　　通過(guò)以上的討論，既有中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)有：主機(jī)變頻、空調(diào)泵變頻、水蓄冷、高效泵。非線性、大滯后的中央空調(diào)水系統(tǒng)適合采用智能控制算法。多項(xiàng)工程節(jié)能改造表明：中央空調(diào)水系統(tǒng)的各項(xiàng)節(jié)能率為20.5％～31％，不到3年即可回收節(jié)能投資，而且空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行正常，室內(nèi)溫濕度滿足要求。
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