空调节能改造技术

【摘 要】空调系统现已广泛应用,但空调是现代建筑中耗能巨大的必备配套设备,节能改造势在必行,通过对几个案例的概括总结,着重从理论应用、经济效益两方面分析对空调系统进行合理的节能改造的必要性及其未来发展的长远性.

【关 键 词】空调系统节能改造

引言

随着科技的不断发展和生活水平的不断提高,无论是在企业的工艺生产中还是民用建筑中,空调系统的应用越来越普及,空调系统的能耗一般占整个建筑耗能的50%以上.但目前实际情况是,空调系统是按满足用户最大需求而设计,所有的空调系统长时间处在部分负荷下运行.据统计,67%的工程设计热负荷值为94-165W/m2,而实际上83%的工程热负荷只有58-93W/m2,满负荷运行时间每年很短.由于能源十分紧张,同时暖通空调的能耗在国民经济总能耗中所占比重越来越大,所以节能改造势在必行,但采取何种的节能改造技术是经济、合理的以及其未来发展的空间,是目前我们需要研究探讨的.

1.常用节能改造技术

目前常用的节能改造技术变频泵、蓄冷空调、优化机组和末端设备、维护结构保温隔热、内外遮阳技术、节能灯广泛使用等,而现在具有广泛应用前景的有正在发展应用的模糊控制技术、环保节能的碳氢冷媒的应用、磁悬浮技术,高效换热器技术、过冷器技术、直流变频技术等.

1.1变频泵

风机水泵节电原理是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量,这是一个节电的有效途径.

由流体力学可知,P（功率）等于Q（流量）xH（压力）,流量Q与转速N的一次方成正比,压力与转速N的平方成正比,功率与转速N的立方成正比.如果水泵的效率一定,当要求流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降,即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系.

目前,国内通过采用变频调速技术后,电机水泵的转速普遍下降,延长了设备的使用寿命,降低了设备的维修费用.同时,由于变频启动和调速平稳,减少了对电网的冲击.变频调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能,提高了电机水泵的可靠性.

实际案例1某大楼空调旧空调系统有4台螺杆机组,每台制冷量为1019kw,机组每天从早上8：00到晚上18：00运行10个小时,另有四台冷冻水泵和四台冷却水泵,负荷率75%.全年运行360天,将机房原来的八台泵改装为变频泵,并对节能改造前后做经济分析对比.

表1常规空调系统与改造后的空调系统经济分析对比表

名称常规空调系统改造后的空调系统

日用空调制冷量（kwh）30570

年空调系统用电量（万kwh）184.89152.06

年空调系统节电量（万kwh）32.83

年空调系统节能量（tce）40.35

年空调系统节电费（万元）33.06

投资费用（万元）66.12

回收周期（年）2.

1.2蓄冷空调

采用蓄冷空调系统符合下列条件之一：

（1）执行峰谷电价,且差价较大的地区

（2）非全日制空调工程或间歇使用且时间较短的空调工程

（3）空调负荷峰谷悬殊且在电力低谷时段负荷较小的的连续空调工程

（4）无电力增容条件或限制增容的空调工程

（5）某一时段限制空调制冷用电的空调工程

（6）要求部分时间段备用（应急）冷源的空调工程

（7）要求供应低温冷水或采用低温送风的空调工程

（8）区域性集中供冷的空调工程

水蓄冷：

水蓄冷是利用低温水进行蓄冷,利用水温变化储存的显热量（418kJ/（kg.℃））-显热式蓄冷,一般蓄冷温度为4-6℃,通常蓄冷温差为5-10℃,单位蓄冷能力比较低,一般为5.8-11.6kwh/m3.水蓄冷可直接与常规空调系统匹配,无需其他专门设备.其优点制冷机蓄冷时效率衰减少、供冷速度快、系统运行安全可靠且利用峰谷电价差在夜间蓄冷,平衡电网负荷节省系统运行费用.缺点是由于水的蓄冷密度低,一般只能利用8℃温差,故系统占地面积大、冷损耗大、防水保温麻烦等.

蓄冷类型的选用：

（1）全蓄冷―在电网高峰时段内,蓄冷提供全部的空调负荷.运行费用低,设备投资高,适宜短时段空调或限制制冷用电负荷的空调工程.

（2）部分蓄冷―在电网高峰时段内,蓄冷设备提供部分的空调负荷.设备投资低,能充分发挥所有设备能力,宜优先采用.

实际案例2某企业原有两台分别为1218kw和696kw两台螺杆机,全天24小时运行,夏季几乎满负荷运行,冬季负荷也在50%以上.厂家要求改进加入水蓄冷系统,另外加入一台新的制冷机,蓄冷水池利用绿化地的面积,可利用的面积较大.设计方案是将原有的一台旧的机组用来在电价谷段时夜间蓄冷,新加的制冷机（磁悬浮离心机组1009kw）全天24小时运行,696kw的机组与新制冷机在高负荷时共同供冷满足供应,蓄冷池在用电高峰时段放冷,采用部分蓄冷策略,放冷之前先由磁悬浮机组供冷70%,其余部分由蓄冷池放冷供给.多余的蓄冷量在平价时段释放.

表2常规空调系统与改造后的方案经济对比分析表

名称常规空调系统改造后的空调系统

日用空调制冷量高峰负荷（kw）1627

年空调系统用电量（万kwh）310.72276.30

年空调系统节电量（万kwh）34.42

年空调系统节能量（tce）42.3

年空调系统节电费（万元）78.86

投资费用（万元）310回收周期（年）3.9

注：以上运行费用包含主机、水泵及冷却塔的运行费用,不含末端运行费用.

2.空调节能新技术

2.1系统模糊控制节能技术

探讨研究将智能控制技术应用于空调系统的运行控制,对于实际现行空调系统的节能运行具有重要的实际意义.智能控制系统主要包括模糊控制系统、神经网络控制系统和专家控制系统等,近年来研究较多的智能控制技术主要是模糊控制.

模糊控制系统是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑的规则推理为基础,采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统.

模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型,特别适用于复杂系统（或过程）与模糊对象等采用：模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验,并通过学习不断更新,因此,它具有智能性和自学习性；模糊控制系统的核心是模糊控制器,而模糊控制器均以计算机为主体,并兼有计算机控制系统的特点,如具有数字控制的精确性与软件编程的柔软性等.

模糊控制技术适用的系统一般具有非线性和时变性,而影响空调运行的因素有：

（1）外界气候（温度、湿度）

（2）室内人数,建筑物维护结构

（3）空调系统部件的特性（冷却塔风机特性、冷却、冷冻水泵特性、制冷主机特性）

模糊节能控制优势在于全面采集空调系统运行的各种参数变量,不单关注压力,或者只是温度；模糊控制器实时进行冷量预测,从而及时对系统参数进行优化调整；模糊控制技术融合了变频技术,对水泵和风机的转速加以调节,有效降低空调水系统能耗.

综上所述空调系统在各种负荷条件下,均处于最佳工作状态,实现综合优化节能.

实际案例3某酒店空调机房原有约克主机两台（一用一备）,每台制冷量为400RT,全年24小时运行,负荷率为75%.在原有常规主机加入一套智能控制系统原有空调系统进行经济对比分析.

表3常规空调系统与改造后的方案经济对比分析表

名称常规空调系统改造后的空调系统

年空调系统用电量（万kwh）286.52214.89

年空调系统节电量（万kwh）71.63

年空调系统节能量（tce）88.03

年空调系统节电费（万元）72.35

投资费用（万元）55

回收周期（月）9.1

2.2环保节能型冷媒改造技术

探讨碳氢冷媒,碳氢冷媒相对于其他制冷剂在同等容量下重量轻,可减少压缩机负荷及发热量,延长设备寿命；其次它的潜热大,吸热放热能力比其他制冷剂大；再有就是该冷媒分子小,同等容积下,分子数量比其他制冷剂多,可增加蒸发面积；还有就是它的油混率极高,可防止出现制冷剂与制冷剂润滑油不兼容性所造成的问题.

全球暖化,制冷需求及电费每年不断增加空调,用电比例约占整体的30%-45%.但是传统制冷剂CFC、HCFC、HFC破坏臭氧层,蒙特利尔协定已禁止使用含FC制冷剂,中国在2010-2013年逐步禁用.新一代高效制冷剂将逐渐代替传统制冷剂.

用碳氢冷媒更换其他制冷剂相比其他传统节能,比如引言中所述的变频节能、水蓄冷节能、优化机组和末端设备节能,其投资成本低、投资回收期短、节电率相对较高且维护管理较简易.节能环保,节电可达到15%-35%,对臭氧层的损坏潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）几乎为零.

实际案例4某酒店制冷机房有两台螺杆式水冷空调,一台运行一台备用.原有空调适用冷媒为R22.每台制冷量250冷吨,全年运行,负荷率70%.

表4常规空调系统与改造后的方案经济对比分析表

名称原有空调更换冷媒后的空调

更换冷媒空调匹数（P）300

年用电量（万kwh）137.97113.14

年节电量（万kwh）24.83

年节能量（tce）30.50

年节省电费（万元）25.08

年节能量（tce）30.5

投资费用（万元）11.4

回收周期（月）6

3.结论

通过以上四种空调系统改造节能技术,实际进行案例测试,其节能率分别为21.59%、12.46%、33.33%、21.95%.经分析,得出如下结论：

变频技术已经普遍应用,节能效果已经得到普遍认可；蓄冷技术节能率不如其他三种节能技术高,但其利用峰谷电价政策可以节省大量的运行费用；模糊控制技术投资成本低、回收周期短、节能率高,目前有很好的应用前景.环保型碳氢冷媒投资成本低、回收周期短、节能率比较高,而且对臭氧层破坏的潜能值和全球变暖的潜能值几乎为零,目前已有应用,未来的应用前景更广泛.碳氢冷媒的应用将是未来节能改造的新星,至于它在推广应用方面的限制正在一步一步突破,相信这将是未来节能改造技术推进的又一个具有挑战力的新方向.

[2]空调设备选型手册――SB01014,周邦宁主编,中国建筑工业出版社..

[3]泵与风机――2005-8,中国科学技术大学出版社.

[4]空气调节用制冷技术――2004-6,中国建筑工业出版社.

[5]董长进,浅议建筑空调与节能,中国高新技术企业,2010,（17）：110-111.

[6]徐启月,间接蓄冷直接供冷式水蓄冷系统,暖通空调,2011（06）.