工程师论文中央空调节能运行方法探讨.docx

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工程师论文中央空调节能运行方法探讨

申报论文

（中级）

课题名称：

中央空调节能运行方法探讨

前言

随着我国国民经济水平的不断提高，建筑业也在持续稳定地向前发展。

同前几年建筑业的发展相比，目前的发展商将眼光放得更远，他们追求如何将开发成本降得越低越好，更多得考虑以人为本，开发真正舒适度高、建筑质量高的居住及商用建筑。

同时人们对生活、工作环境的要求也越来越高。

商业建筑不断的增多，以及人们对室内空气的温湿度、洁净度和空气品质问题越来越重视。

由于能源的紧缺，节能问题越来越引起人们的重视。

因此迫切需要为商业建筑物安装配置节能、健康、舒适的中央空调系统来满足人们对高生活水平的追求。

现有的大中型公共建筑中央空调系统是能源消耗大户，由于规模较大、设备类型和型号较多、运行工况复杂多变,再加上运行上存在的缺陷和不足,使得某些公共建筑的空调系统存在着很多问题,无法有效调节室内环境,甚至造成系统能耗的无谓增加和能源的不合理消耗。

从另一个角度而言,也能说明空调系统改造和节能优化方面还存在较大的潜力及发展空间。

因此,对空调系统性能的节能诊断以及优化运行模式的研究,有极大的研究和应用价值。

这项研究可以帮助和促进现有空调系统的性能优化改造和节能运行,降低运行成本和能量消耗；同时,也可以为相关的设计和管理人员提供一些依据,使其在工程设计中结合实际,尽可能地做到系统设计上的优化节能和运行维护上的方便易行。

摘要

随着经济和社会的发展，中央空调在商业和民用建筑中的应用越来越广泛，中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统。

中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉了大量的能源。

随着设备功率和数量的增加，其能耗也不断增大。

据统计，我国建筑物能耗约占能源总消耗量的30%。

在有中央空调的建筑物中，中央空调的能耗约占总能耗的70%，而且呈逐年增长的趋势，因此，研究中央空调系统节能技术意义重大，除了强调使用功能完善外，还应重视节能因素，降低投资、运行费用。

关键词:

中央空调能耗节能运行效率

ABSTRACT

Withthedevelopmentofeconomyandsociety,centralairconditioningincommercialandcivilconstructionaremoreandmorewidelyusedinmodernbuilding,centralairconditioningisanindispensableenergyconsumptionsystem.Thecentralair-conditioningsystemtoprovidepeoplewithcomfortablelivingandworkingenvironmentatthesametime,butalsoconsumealotofenergy.Withthepoweroftheequipmentandincreasethequantityof,itsenergyconsumptionisincreasingconstantly.Accordingtostatistics,China'sbuildingenergyconsumptionaccountsforabout30%oftotalenergyconsumption.Inthecentralairconditioningbuilding,centralairconditioningenergyconsumptionaccountedforabout70%ofthetotalenergyconsumption,andisincreasingyearbyyear,therefore,studythecentralair-conditioningsystemenergy-savingtechnologyisofgreatsignificance,inadditiontoemphasizetheuseofperfectfunction,attentionshouldalsobepaidtoenergysavingfactors,reduceinvestment,operationcost.

Keywords:

centralairconditioningenergyconsumptionenergysavingefficiency

第一章空调系统节能的研究现状

1.1国内研究现状

我国是能源资源严重短缺的国家,改革开放30余年,我国的节能减排工作取得了巨大成效。

80年代初,我国制定了开发与节约并重,近期把节约放在首要位置的能源发展方针;80年代中期,提出以效益为核心的能源开发利用战略和以电力为中心的能源消费结构调整战略;90年代,进一步将各项方针细化具体化,如1992年国务院批转建设部等部门《关于解决我国城市生活垃圾问题的几点意见》,内称:

强城市垃圾管理,大力开展城市垃圾的回收综合利用,提高回收利用率,到2000年,大众城市生活垃圾中和利用率要达到40%以上。

进入新世纪以来,节能减排工作大范围展开,新《节约能源法》规定节约资源为我国基本国策,节能减排工作已成为全民参与的国事、大事。

在这样的节能减排大环境背景下,国内诸多专家学者积极开展了建筑能耗调查研究。

研究结果表明,我国建筑能耗在能源总消费中所占的比例己从20世纪70年代末的10%上升到近年的27.4%,而目前建筑能耗中,空调能耗占到65%,由此建筑空调节能的重要性可见一般。

众所周知,空调系统各组成设备的正常运行与控制是空调系统节能运行的必要条件,只有通过空调系统组成设备的性能检测,从而进行节能诊断分析,才可以发现空调系统中存在的能量浪费、设备运行效率不高、空气调节效果不佳、控制调节不合理等问题,从而才能进行相关的节能改造工作。

随着经济和社会的发展，中央空调在商业和民用建筑中的应用越来越广泛，中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统。

中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉了大量的能源。

随着设备功率和数量的增加，其能耗也不断增大。

据统计，我国建筑物能耗约占能源总消耗量的30%。

在有中央空调的建筑物中，中央空调的能耗约占总能耗的70%，而且呈逐年增长的趋势。

因此，研究中央空调系统节能技术意义重大。

我国作为一个发展中国家，情况较为特殊。

现在我们国家从各个方面在提倡节能，创造一个节约型社会，在商业、服务业领域，中央空调是主要耗能设备，当前节能和环保是个热门的话题，中央空调的能效问题也越来越受到重视。

在这方面也有许多新技术的开发，比如说变频中央空调，还有许多设备的改造和创新。

中央空调的节能对于我国创建一个节能性和谐社会具有重大的意义。

1.2存在的问题与不足

目前国内外关于空调系统节能诊断的研究,在空调能耗构成方面以及维护结构节能方面的研究比较透彻,所得到的大量的实验和研究成果具有重要的参考和实用价值。

但是,经过查阅大量的节能改造方面的研究与实践文献,作者发现在这一领域仍然存在以下几个方面的问题与不足:

1.未形成节能诊断的完整流程

大部分节能诊断分析,均是通过从空调系统的各个子系统进行独立的诊断,而没有对这些子系统的关联性进行同时分析,即缺乏整个节能诊断的从源头到末端的顺序诊断体系。

实际工程中,任何一个子系统的运行参数进行调节之后均会对其他子系统造成影响。

2.节能诊断方案的不可操作性

有些节能诊断研究中,理论分析很详细很透彻,充分考虑了空调系统的各个影响因素,然后给出了含有很多空调系统运行参数的计算公式。

在理论上,通过这些计算公式,可以用来评价某子系统或整个系统的能效,但是实际上存在很多不可操作性。

比如,冷机换热器内壁传热系数、风管内的风速与温度都不是可以随时获取的参数。

这些导致节能诊断方案实际上难以操作和实施。

3.诊断后改造效果的不可确定性

相当一部分节能改造的工程实例,在将节能改造方案落实后,未对系统继续进行跟踪测试与调查分析"因此,造成了改造前与改造后的对比数据的缺失,改造方案的实际节能效果无法准确得到评估"。

4.缺乏对末端效果的研究

很对学者在对建筑空调节能改造时,只注重研究占能耗比例较高的冷热源系统、水系统,没有结合末端空调效果的实际情况进行分析。

因此,存在节能改造之后,设备运行效率得到了提高、能源消耗水平也得到了降低,但是,末端效果又出现了新的问题。

因为空调系统是一个复杂的庞大的系统,各个子系统是有序而互相影响的,因此,在做节能改造之前应先对末端效果有足够的了解与重视。

第二章建筑构造节能

中央空调工程设计，应给出较详细的冷、热负荷计算说明和节能技术措施说明，目前的中央空调设计大多是用概算指标估算，且在估算过程中再加大冷、热负荷，使冷、热源主机长期在低负荷、低效率下运行，大马拉小车现象严重。

所以必须加强工程设计的审核，立下规定，报审的中央空调工程设计必须附有负荷计算说明书，严格把关；另外，必须把节能思想意识逐渐引人到土木建筑类等各专业中，使建筑物在规划、布局、形状、色彩、方位及材料等方面为空调节能创造条件。

2.1利用建筑构造实现节能

如有条件，可在制定建筑方案阶段就有暖通专业人员参与，保证在不对建筑方案造成较大影响的前提下在建筑构造方面充分体现节能的要求、满足节能的需要，比如墙体的保温隔热材料。

2.2合理控制窗墙比、对外墙及屋顶的导热系数等提出具体要求

通过外窗的耗热量占建筑物总耗热量的35%-45%。

故在进行前期建筑设计时，在保证室内采光的前提下，合理确定窗墙比将十分重要。

对于供冷负荷较大的建筑物，其表面颜色以浅色为好。

建筑物的外围护结构设计时，要把热容量大的材料放在外围护层的室内侧，而把热容量小的保温材料放在外侧以减少围护结构的蓄热负荷。

2.3提高门窗的气密性

合理设计窗的构造。

窗的构造应能起控制日光照射的作用并要限制窗户墙体的面积比，对于窗户面积比较大的建筑物，应考虑采用吸热玻璃、热反射玻璃或遮阳措施，如遮阳板、屋檐、挑檐、挑阳台、百叶板、窗帘等。

在室外温度较低的时候可以直接利用自然空气作为能源，所以窗的构造应能开启或在其上设置可以开启的自然通风口。

有资料表明，房间换气次数由0.8h-1降到0.5h-1，建筑物的耗冷可降低8%左右，因此设计中应采用密闭性良好的门窗。

加设密闭条是提高门窗气密性的重要手段之一。

2.4使用环保、节能型建筑材料

使用环保、节能型建筑材料，可有效减少通过围护结构的传热这一主要的空调负荷，从而各主要设备的容量，达到显著的节能效果。

当然，这可能会在一定程度上增大初期投资，这可通过合理的技术经济比较后确定。

2.5“冷屋顶”节能

“冷屋顶”（coolroofs）指具有高日射反射率的屋顶，通过在普通屋顶表面涂上浅色的、高反射率的屋顶，通过在普通屋顶的日射反射率，减少太阳热量的吸收，从而达到减少空调冷负荷、节约空调能耗的目的。

归纳起来,取得的研究成果如下:

（1）、采用“冷屋顶”节能可使空调负荷减少约10%-50%。

若将全美国的建筑都采用冷屋顶,估计一年可节约7.5亿美元的空调费用。

（2）、普及冷屋顶,可使城市环境温度降低约,有效控制热岛现象。

（3）、城市环境温度降低,大气臭氧浓度也减少。

因而冷屋顶的采用,可产生保护臭氧层的作用。

（4）、在普及冷屋顶时,由于反光等原因,也将引发如交通事故增多等不利现象,因而需要通过技术革新加以解决。

第三章运行节能[1]

3.1加强中央空调的运行管理，采用一定的计量方法

在空调能耗中，有很大一部分是由于管理不善而引起的。

各项调节和节能措施的实施，亦与操作人员的技术素质直接相关。

故应加强对空调操作人员的培训，提高管理人员素质，实行空调操作人员操作证制度。

另外，集中空调实行计量收费，是建筑节能的一项基本措施。

目前在欧美等国热量计量已是成熟的技术，据国外调查资料表明：

实行集中空调计量收费后，其节能率在8%-15%。

我国在计量方面也已取得了一定的成就。

3.2通过控制设备进行调节控制

随着用能计量收费体制的改革，室内空调系统装配温控阀后整个空调系统如何正确配备控制设备是非常重要的。

每一个有效节能的空调系统都应配置相应的调节控制设备，如自力式流量控制阀、压差控制阀、温度控制阀等等。

在控制模式上需根据建筑物的具体功能、气候条件、使用状况等灵活处理，无统一的模式可循。

如：

①年运行管理问题，主要应考虑过渡季节的运行：

室外新风的利用、新风量的确定等；②日运行管理问题，主要应考虑随室外温度的变化采取不同的日节能运行模式，这可采用合理的自控系统及一定的手动调节装置来实现；③建筑预冷预热时间的合理选择。

建筑预冷预热时间的选择将直接影响冷热设备的大又能实现节能或节约投资，预冷预热时间的合理选择是关键。

3.3过渡季节取用室外空气作为自然冷源[2]

在空调运行时间内保证卫生条件的基础上，只有在夏季室外空气温度大于室内空气温度时，或冬季室外空气温度小于室内空气温度时，适当减少新风量有节能意义。

当供冷期间出现室外温度小于室内空气温度时（过渡季节），应该采用全新风运行，这不仅可缩短制冷机的运行时间，减少新风耗能量，同时可以改善室内环境的空气质量。

3.4冷（热）计量和新风热回收技术

我们可以用最基本的数学和物理知识对中央空调用户侧和总用冷（热）量，进行冷（热）量计量。

提高节能意识，减少无效冷（热）量损失，便于用冷（热）量收费和管理。

过渡季节尽量利用新风，可进行全新风运行，减少空调的运行。

冬季内区的消除余热，可采用室外免费能源—新风，减少能源的浪费。

控制方面采用热回收技术，利用排风对新风进行预热（或预冷），节约空调能耗。

如夏季回收排到空气中的冷量，再把室外的热空气预冷后送到室内；冬季回收排除空气的热量，再把和室外的热空气预热后排到室内，从而减少能量的损失，降低了空调制冷制热的空气的能耗。

3.5设备及管道的保温

做好设备及管道的保温，以减少能量的过多耗费。

空调设备和管道的保温，对于节省能量消耗、降低运行费用，也是相当重要的。

如果保温效果不好，或在维修后保温层修复不好，不但过多地消耗了冷量，也会由于所供冷水温度的温升过大，导致空调系统在对空气的处理过程中，因无法保证其机器露点，而使空调房间相对湿度超标。

3.6定期对空调系统水质处理

水箱污垢、腐蚀及青苔，对制冷系统影响极大，也是空调能耗高的重要原因。

大气中的尘埃、水分、细菌氧气及某些有害酸性气体，不断地由冷却塔进入冷却水系统中，冷冻系统虽然较为密闭，但水中溶解氧对冷冻管材也产生腐蚀作用，日积月累，空调设备将产生污垢、锈蚀和微生物不断繁殖所产生的生物污泥，使管道堵塞，制冷量下降，浪费电能。

根据理论计算，冷凝器的污垢每增加0.1mm，热交换效率就降低30％，耗电量则增加5％～8％。

3.7空调系统自控[3]

所有空调设备采用系统采用先进的计算机技术、模糊控制技术、系统集成技术和变频调速技术，实现了中央空调冷媒流量系统运行的智能模糊控制，科学地解决了中央空调能量供应按末端负荷需要提供，在保障空调效果舒适性的前提下，最大限度地减少了空调系统的能源浪费，根据设定的温度控制、湿度控制、压差控制、流量控制来使设备达到最佳的匹配运行效果，使设备在最高效区域运行，以利于能源的综合利用，最大化地实现节能。

使用费是多数人普遍关心的问题，也是制约空调发展的主要原因，特别像中央空调这种超大功率的电器，一年下来电费有时候高的吓人，很多人只能望而却步，但空调在我国市场巨大，每年夏季全国温度普遍接近40度，几乎每个地区都需要空调，因此，发展中央空调节能技术势在必行。

空调自动控制能较大程度地提高建筑环境的舒适度，最大限度地节约能源。

随着自控技术的发展以及自控设备价格的降低，自动控制将更广泛地应用于空调行业。

具体可以从4个方面考虑：

1）考虑过渡季全新风的可能及新风量变化的要求，采用双风机系统；2）送、回风机采用变频调速风机；3）水系统设电动二通阀，水流量自动调节；4）新、回风阀为电动调节阀，调节新回风比。

中央空调系统除了合理的设计方案、精心的施工外，科学的运行管理，同样对空调节能起着至关重要的作用。

业主宜在建设初期，就进行管理人员的选择和培训。

必要时可以聘请专家加强建设过程各个环节甚至全过程（从设计方案的确定到系统的运行）的监督管理，确保建成的中央空调系统起码能够正常运行，进而追求实现一定程度的节能。

在此基础上，再实现运行的全面优化，以便达到最大限度的节能效果。

第四章技术节能

4.1变频技术[4]

大部分建筑物一年中只有几十天时间中央空调处于最大负荷。

中央空调冷负荷始终处于动态变化之中,如每天早晚、气候情况、客流量、活动内容等各种因素的变化,实时影响中央空调冷负荷。

一般,冷负荷在5～60%范围内波动,大多数建筑物每年至少70%是处于这种情况。

而大多数中央空调,因系统设计多数以最大冷负荷为最大功率驱动。

这样,造成实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾,造成了巨大的能源浪费。

采用变频控制的方式,可解决此矛盾。

从原理上变频器结构比较简单，变频器先将交流电转换为直流电，然后用逆变桥将其再转换为变频、变压的交流电源。

风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。

最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，由于风机、水泵类负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。

能源中心的冷冻水系统采用二次泵形式，二次泵为变流量，根据二次侧末端负荷的变化，在满足某一最不利水环路所需使用压力的条件下，通过改变二次水泵电机的运转频率或水泵的运行台数，以达到节能目的。

4.1.1减少大型马达能耗

在中央空调系统中,使用了许多大型马达,如冷冻、冷却循环水泵,大型送回风马达等。

这些马达是主要耗电设备。

电力部门所供给的商业电力的输入电压总比额定值高3%一5%,目的是防止在用电高峰时电压降到额定电压以下。

另一方面,用户的电力设备在设计选型时为保证在用电最高峰时也能达到设计要求,采用了较大的电机,所以在空调系统中有许多“大马拉小车”现象,过多的电力损耗导致了以热和振荡形式造成的能量损失。

交流感应电机的输出功率尸钉了UI。

os小,由此可见通过改变交流感应电机的输入电压及频率,即可改变电机的输出功率。

我们在几个大的交流感应电机上加装赛普节能器,该节能器根据探测到加在电机上的电压和电流,而获得电动机的视在功率和有功功率,由此计算出电机的功率因数,从而调整节能器的输出电压和频率,以保持功率因数在一个最佳值上,使被控电机实现最佳的节能运行。

如电网电压变化或电动机的负荷改变,则功率因数随即发生变化,节能器调整输出电压或频率,维持功率因数在预定的设定值上。

该节能器还具有逆变功能,将电机停车时产生的惯性转为电能回送电网。

另外,在电动机起动时,节能器的输出电压和频率是逐渐增加的,从而实现了软起动,极大地减小了电动机的起动电流,减少了对电网电压的冲击,节能效果显著。

4.1.2风机水泵类变频控制[5]

因为过去交流电机本身不调速,中央空调系统对空气和水流量的控制不得不依赖挡板和阀门来调节,许多电能被白白浪费在挡板和阀门上。

如果对风机水泵进行变频调速,把浪费在挡板和阀门上的能量节省下来,每台水泵平均节能效果就很可观。

对于风机水泵来说,根据流体力学原理,在相似工况下运行时的参数存在以下关系:

（1）

其中:

Q1、H1、N1、n1:

分别为转速改变前的流量、扬程、功率、转速;

Q2、H2、N2、n2:

分别为转速改变后的流量、扬程、功率、转速。

由公式

（1）可知,流量与转速成正比,扬程与转速的平方成正比,消耗的功率与转速的三次方成正比。

对于变频调速来说,转速n基本上与电源频率f成正比,当电源频率f降低时,电机转速也降低,所需的功率就随转速的三次方迅速降低,可见,节能效果十分显著。

以风机为例,如所需风量为额定风量的80%,则转速也下降为额定转速的80%,而轴功率降51.2%;当所需风量为额定风量的50%时,而轴功率降12.5%。

这种节电效果也非常可观。

实际证明,风机水泵类变频控制节能40%～50%。

4.1.3冷水机组变频控制[6]

由于压缩机不排除在满负载状态下长时间运行的可能性,所以,只能按最大需求来决定电动机的容量,故设计裕量一般偏大。

在实际运行中,轻载运行的时间所占的比例是非常高的。

采用变频控制对压缩机转速进行调节,实现对制冷量的控制,让冷冻机组始终处于最佳（最合理）的运行状态。

变频控制提高了空调器的效率,改善了冷冻机组的运行效果,从而实现了节能。

变频压缩机的原理是通过调节压缩机的转速而调节压缩机的单位时间内的排气量,从而达到调节制冷量的目的。

制冷量与频率成正比关系,所以采用变频调节可实现对制冷量的控制,从而可达到节能效果。

有些调节方式（如调节阀门开度和改变叶片角度）,即使在需求量较小的情况下,也不能减少电动机的运行效率。

采用了变频调速后,在需求量较小时,可降低电动机的转速,减少电动机的运行功率,从而进一步实现节能。

实际证明,冷水机组变频控制可节能20%～30%。

4.2水蓄冷技术

蓄冷技术作为电力供应需求侧管理（DSM）的重要手段之一,在国外已得到广泛的应用.近年来,国内的研究与设计单位也已进行了一些尝试,并取得了较好的效果。

随着分时计费电价结构的推广和峰谷电价差的扩大,蓄冷技术在我国的应用将会越来越普及。

采用水蓄冷的集中能源中心方式，蓄冷可起到“削峰填谷”的作用，缓解用电紧张，提高能源利用效率，减少装机容量，充分利用峰谷电价，节省运行费用。

水蓄冷是利用水的显热来储存冷量的。

系统组成是在常规供冷系统中加人了一个或多个蓄水罐。

为实现冷量的储存,满足冷负荷的需要,设计合理的水蓄冷罐应能通过维持一个尽可能大的蓄水温差并防比冷水与热水的混合来获得最大的蓄冷效率。

水蓄冷技术的应用与否取决于薄项目的技术经济分析,增加蓄冷罐就增加了一部分初投资,若能在短时间内收回这部分投资,则便于该技术的推广.我国目前正推广实行的峰谷不同电价的政策将为促进蓄冷技术的应用起到了积极的推动作用.随着经济的发展和人民生活水平的提高,供电和用电之间的矛盾日益突出.积极推广应用水蓄冷技术对于在建设社会主义市场经济的条件下,提高需求侧负荷管理的科学性和经济性,提高能源利用率是十分有益的.水蓄冷技术在食品加工、制药等行业的工艺用冷,以及体育馆、大厦等建筑物的空调方面有着相当广泛的应用前景。

4.3大空间采暖

辐射传热的房间里，各个表面（仅仅是表面）相互进行辐射传热。

由于维护结构传热的速度相对较慢，其表面温度容易达到相对稳定的状态，实测显示此时虽然维护结构由于表面温度的降低，维护结构的传热量由于内外温差加大有所增加，但增加并不明显。

人作为热源向冷顶、墙壁和所有低于人体表面温度的表面发射热量，各表面吸收的热量最后都被辐射板吸收，传递给辐射板的流动冷媒。

人体在室内移动是热源的移动，人体移去的空间回复到原来的平衡状态，对应该处的辐射传热量也减少到原来的相对稳定状态。

辐射传热具有追踪能力而且具有极快的传递速度。

人体在辐射房间内与穿着了空调衣相似，具有极高的效率。

另一方面当室内各表面温度接近辐射板温度时，辐射传热负荷急剧减少，供回水温差下降，主机能耗非常低，而此时人员的舒适度是最好的。

这种状态和对流空调完全相反，实践证明，RCF舒适度保持较高的水平时，空调能耗没有显著