中央空调冷冻水系统节能设计探讨

45656rtry

随着近年城市建设的发展，各种类型和规模的建筑物不断兴建，随之而来的是建筑耗能逐年大增．其中采暖、透风和空调耗能又占了相当大的比例。在目前中央空调系统应用极为普遍的情况下，如何通过公道设计来实现良好的节能效果．是值得设计职员思考和解决的问题。在以水作为冷媒的冷冻水系统中，由于双管式变流量系统具有设备简单、初次投资小、操作简便等优点，因此在我国南方地区成为舒适性空调设计最普遍的形式，以下就该系统的节能设计进行分析，并提出一些见解。 1 双管式冷冻水系统及其流量变化双管式系统是空调冷冻水系统最基本的形式之， 即通过设置于每个空调区间的温度检测器对该区间的温度变化进行检测，然后操作末端空调器的二通水阀，控制流过末端空调器的水量而达到空调区间的预设温度。 1．1 空调负荷的变化规律 由于季节天气变化、使用环境及职员活动变化、人为使用区间变化等情况，造成冷冻水系统流通水量呈现不断变化的规律。我们曾对一些酒店建筑的空调日、年负荷变化情况进行调查，发现冬季供暖时80％的运行时间负荷率低于40％，但夏季供冷时则仅有50％的运行时间负荷率低于50％，系统流量的变化所反映的就是是空调负荷的变化。 1．2 变流量工作状态的平衡 在空调冷冻水系统设计中，通常会根据整个系统所需最大流量及扬程需求配备水泵和管道，以适应系统最大负荷的要求。但在空调负荷减小和水流量减少(如某些空调区间达到设定温度二通阀封闭．某些区间封闭空调)的情况下必然出现仍在运行的空调末端水压力差升高和水流量增大的情况。冷冻水系统出现送回水温差减小的现象，过少的流量和过高的压力还将影响冷冻水泵和空调设备的安全。 为了缓解这一矛盾，设计中通常在冷冻水供水管与回水管之间设置压差旁通阀(如图1)，通过检测供回水管压力差来控制平衡阀的开启度，以达到供回水管的设计压差，通过旁通办法降低末端水流量和压力，但冷源端由于旁通水量混入回水管，冷源端进出水温差减小，冷源也因此降低制冷效率。过高的压头要消耗在阀门、蒸发器等位置．压力平衡阀的设置是一种被动措施，多余的冷冻水循环不断造成能量的消耗。  1．3 变流量系统的节能潜力 中央空调运行时，冷源设备往往会根据人为设定温度和负荷变化而自动卸、加载，其能耗是可调的。但水泵自身则无法对系统作出响应，其耗能约占空调耗能的15％左右，如设计时注意到采用可行的方案使系统较好地适应必然存在的负荷变化，减少或消除多余的循环，将能对节能起到明显作用。 2 控制多余循环的设计方法 2．1 冷源设备选用 由往复式压缩机组成的主机通过启闭压缩机台数来调节负荷，由螺杆式压缩机组成的主机通过调节滑块位置改变压缩螺杆长度来调节负荷，而离心式压缩机则通过调节进气量来调节负荷。冷源设备一般都具备负荷调节功能，但调节性能不尽相同．如离心机就不大适合在负荷≤20％的情况下长时间工作，否则机器将轻易进人喘震区。在选定冷源设备时，特别是需要多台设备组合的情况下，就应该考虑所选设备是否适合其工作系统的分级，因过多的台数组合虽可做成极小的分级．但不仅增大设备用房面积，还会增加设备故障点。 如在中小型系统中选用2～3台由数台螺杆压缩机组合成的主机设备，就能很好地适应负荷变化。再增大的话则设备台数增多必然导致压缩机台数的增多，给维修保养带来不便，此时应选用数台大容量、每台由单个压缩机组成的设备，既能分级控制，又相对缩小了机房占地面积，维修保养的设备数目也有所减少。在数台设备组合成冷源时，其每台工作设定上也应有所区别，使其在运行时做到分级启动及封闭。 2．2 水泵设置 (1) 多台主机组合的冷源，可设置成单机单泵(如图2)，通过水泵和主机互相作电气连锁控制负荷变化。开启l台主机时对应开启l台水泵，其水泵轴功率基本呈跃阶式变化。当某台运行中的主机进入能量调节状态时，其对应泵仍全负荷运行，水量无法作相应变化，且当系统需要设置备用水泵时，管道设计变得较复杂，使水泵难以做到互为备用。  (2) 如水泵与主机分离，数台水泵并联(如图3)，则水泵组可等效为一个压力水源，此时情况会变得较灵活图3是两台水泵并联工作时的特性曲线，在额定工况下水泵工作点为A，流量减少时上移到达上限压头位置B点，通过压力检测控制器停泵l台(高压停泵)，卸载时工作点变化为A—B—C—D—E—F。当系统需水量增加时水泵工作点由E下移至下限压力位置E ，通过压力检测控制器启动水泵(低压启动)，加载时工作点变化为E—E 一D 一C 一B一A。并联水泵的轴功率变化基本仍呈跃阶式，但不受某台主机启闭的影响，只按设定输出一定压力及流量，解决了数台水泵互为备用的问题。在控制上通过检测系统的压力，决定水泵的运行台数，但水泵的电气控制变得较复杂。采用水泵并联运行要注意水泵特性的匹配，数台水泵的压力上下限应相同。   (3) 要克服水量及水泵轴功率的跃阶式变化，实现水量与负荷同步变化，则应引入无级变速水泵。目前变频控制技术已较成熟，是实现水泵无级调节的理想方案。为了减少初次投资，可以采用恒速泵与变速泵并联的方法，通过控制台数启动及变速适应负荷变化。图4为l台变速泵与l台恒速泵并联时的调节曲线，ce为管道特性曲线，A泵为恒速水泵，B泵为变频调速水泵。在低流量时只启动A泵，流量增加，A泵提速至超过W3时，B泵投入，A泵改为低速运行，流量为W4，若流量再增加．则A泵再提速直至达到最大流量。图5是某系统采用3台恒速泵并联与采用l台变速泵的流量、输入功率模拟计算比较图，曲线A为3台并联恒速泵，曲线B为l台无级调速泵，可见其节能效果十分明显。水泵并联后主机的供水状态是均匀分配的，对处于降负荷运行和全负荷运行的主机，其均匀分配水量显然不公道，可在主机蒸发器的出水端设置电动阀，主机停机时封闭，主机运行时由进出水温差控制器控制阀门开启度，公道分配水量。为了避免系统刚启动时蒸发器进出口温差偏小而引起误动作，温差控制器的投入可采用延时控制。采用各种办法控制多余的循环固然会增大空调系统的初次投资，但与长期运行的多余耗能相比则显得微不足道。由于控制多余的循环会使空调系统控制变得更复杂，但目前很多新建筑已引入“楼宇自动控制”，空调系统的复杂控制由计算机完成．或者可将所需控制部分引入数个控制模块，以使控制变得既简单又准确。