关于中央空调节能的思考

　　近年来节能减排从中央到地方已成为较热门的课题，全国各地都开展了一些相关的活动[1]-[3]。笔者所在的单位响应国家号召，进行节能减排取得了比较好的效果。所在公司大楼被重庆市评比为重庆市绿色建筑。笔者由于参加了中央空调节能改造，感受较深。写出来与大家分享。

　　1 中央空调系统初步分析

　　由于传统的设计方法和管理模式，中央空调系统大多不能实现连续的动态调节，运行能耗较实际所需值偏大较多，这导致了很大的能源浪费。因此，对传统中央空调系统进行节能改造，从而降低能耗水平，减少企业运营成本，已经成为一种必要的选择。一般情况，中央空调系统在设计时必须按照天气最热，负荷量最大时设计，并且留有10%～20%的设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下的，存在较大的富余，所以节能的潜力很大。重庆地区空调设计温度与全年每月累计平均温度显示，5-9月夏季室外空调设计温度高于实际平均温度在5度以上;而冬季11月至次年4月，空调室外设计温度低于实际平均温度在7度以上(以上温度参数来源于国家气象局网、空调设计手册[4])。我们不难得出这样的结论：在相当一部分时间内，空调系统只是部分负荷运行，例如： 每年过渡季节，每天早晚， 一般天气情况等。美国制冷工程师协会给出的建筑物全年实际运行负荷的统计数据中指出：建筑物在全年90%的运行时间里，实际负荷低于设计负荷的75%。合理的控制与调节空调系统的实时负荷，使之长时间满足负荷运行，合理的调配空调设备工作状态是我们必须解决的问题。

　　一般情况下，中央空调系统中具有自动控制的冷冻主机的负荷能随室内温度的变化自动调节，而与冷冻主机相匹配的冷冻水泵、冷却水泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了电量的极大浪费。中央空调水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成的，因此，不可避免地存在较大载流量损失和大流量 、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。另外由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中央空调系统的运行质量。

　　2中央空调系统原设计存在的问题

　　以我公司的中央空调为例，其主机为开利直燃式机组，该机组冷暖两用，夏天制冷，冬天采暖。经本人在现场实地勘测和对收集的中央空调运行参数进行的详细分析,发现该中央空调系统变频系统存在着以下两个方面的弊端:

　　(1)该套变频控制系统采用的是1台45KW的SEIMENS-430变频器控制3台45KW冷冻水泵的运行，而另一台45KW的SEIMENS-430变频器只是切换使用。1台55KW的SEIMENS-430变频器同时控制3台55KW的冷却水泵，而另外一台55KW的变频器只是切换使用。该套变频控制系统采用PLC自动控制，它的控制逻辑是:当中央空调运行时,通过变频器启动1台冷冻水泵和冷却水泵在变频的方式下运行.(比如4月份,中央空调的负荷量较小,运行一台冷冻水泵和冷却水泵就能满足负荷要求时,冷冻水泵和冷却水泵在变频方式下运行,这能达到节能的目的).而当天气变热,空调负荷变大时,就会出现运行1台冷冻水泵和1台冷却水泵的时候,冷冻水和冷却水的流量略显不足,而同时运行2台冷冻水泵和2台冷却水泵时循环水流量明显过多而造成电能大量浪费的现象。这时节能控制系统中PLC的控制方式是把刚才变频运行的1#冷冻水泵和1#冷却水泵转换在工频状态下运行,同时再变频启动2#冷冻水泵和2#冷却水泵,用变频的方式调节2#冷冻水泵和2#冷却水泵的循环水流量。通过中央空调系统负荷量的变化来合理调节冷冻水和冷却水的实际需求量,以此达到最大限度的节约电能的目的.想法是好的,但严重违背了流体力学的一个基本理论常识。根据流体力学理论,水的流量与水泵的转速一次方成正比,水的压力与水泵转速的平方成正比,水泵的扬程也与水泵转速的平方成正比。当两台循环水泵并联组成一个水循环系统时,如果一台水泵工频运行,另外一台水泵在变频的方式下运行,由于两台水泵转速不同,那么两台水泵的流量、水的压力、水泵的扬程大小也会不同。这将导致变频水泵和工频水泵没有相同的压力和共同的扬程点,会出现流量大、压力高的工频水泵挤压流量小、压力低的变频水泵的现象。如果变频水泵的频率过低,会出现变频水泵不出水的情况。为了克服工频水泵的压力和扬程,必须调高变频水泵的运行频率,使之和工频水泵的压力和扬程保持平衡，这样变频水泵几乎也会在工频状态(50HZ)下运行,变频器并没有达到节能的目的.

　　(2)由于该节能控制系统采用的是1台变频器控制3台水泵，利用循环水压差的变化来控制冷冻水和冷却水的流量，而不是利用冷冻水和冷却水进出水温差的方式来控制冷冻水和冷却水的流量。一旦中央空调系统负荷增大，变频器将迅速启动2#、3#循环水泵运行，反之当中央空调末端负荷减少时将按照顺序停止相应的水泵运行。如果空调负荷变化较大时,将造成水泵电机的频繁起动,电机的频繁起动也会导致循环水压差的频繁变化,使PLC控制系统很难找到一个稳定的工作点,中央空调的循环水系统也很难在一个相对稳定的流量和压力下运行。同时过大变化的流量和压差也会对管道和阀门造成冲击，增加中央空调循环水系统的维修费用和维修工作量.

　　综上所述，该中央空调系统只起到了电机软启动的作用，除了在空调负荷量极低的情况下可以节约一部份电能以外，全年绝大部分运行时间里不但达不到节能的目的，反而在消耗能量(因为变频器运行本身也要消耗能量)。

　　3 我司中央空调技改方案及节能经济评价

　　3.1我司中央空调技改方案

　　采用西门子公司的PLC技术,充分利用它原来的变频器设备和一些控制软件，对该套控制系统重新编程，把原来的压差控制方式改为温度控制方式，对变频器采取二控三的控制方式，使变频器和循环水泵实行一一对应，即启动1台水泵运行1台变频器，设定单台循环水泵的运行时间，轮流控制备用水泵的切换运行，以此达到最科学，最节能的运行方式。

　　根据我们从现场收集的设备运行工况数据分析，我公司的中央空调系统在工频下运行时具有以下特点：一是空调设备绝大部分时间内在远低于额定负荷的情况下运转;二是空调水系统供回水温差远低于空调系统的温差，无法进行有效的质调节;三是工程设计必须考虑富余量，以保证在实际情况发生各种变化时，系统仍可达到要求的参数，但在实际运行时，为了消除这些富余量又要靠阀门去调整，由此造成浪费。该中央空调的年实际平均负荷率只有额定负荷的60%左右，负荷利用率很低，存在很大的节能空间，我公司的这套自动化变频器节能控制系统经过技术改造，将有40%左右的节能空间，每年会给我司节约很大一笔电费开支。考虑到变频器本身也要消耗很少一部分能量和设备在运行过程中的实际情况和一些不确定因数，我们就以最保守的计算方法来分析2台冷冻水泵和2台冷却水泵采用变频方式调速后，水泵流量为额定流量80%时所节约的能耗。

　　3.2我司中央空调技改方案节能经济评价

　　近几个月电表的实际监测，空调运行期间实际每月节约电费1.25万元，效果显著。

　　4 总结

　　根据笔者对本市大部分已使用中央空调系统新建办公大楼的考察，仅15%左右的大楼使用节能效果较好，30%的大楼处于未使用变频器采用手工启动调节的方式，55%的大楼采用了变频器使用方式基本和笔者单位改造前一致。本市中央空调节能减排的空间非常大。笔者分享以上经验希望各单位中央空调技术人员能充分认识到中央空调水系统能源的浪费问题，为国家的节能减排尽一份力。

　　参考文献：

　　[1]赵波.大型建筑空调节能设计的几点体会[J].暖通空调,2001,3:31.

　　[2]刘涛. 中央空调节能措施探讨[J].中国科技信息，2005,21:89.

　　[3]王祥. 浅谈中央空调系统节能措施[J].科技资讯，2008,8:76.

　　[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].中国建筑工业出版社(上册),2008,5:99-101.

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