关于中央空调系统节能的几点看法.doc

关于中央空调系统节能的几点看法肇庆市四会中等专业学校 罗少新摘要 从节约理论出发,针对中央空调的能耗问题,从建筑物的围护结构、空调的冷热源、空调水系统、分析和比较了中央空调传统控制和变频调节控制系统,阐述了变频调节控制原理和常用的闭环控制PID 调节方式以及对中央空调管理维护等方面,提出了对中央空调节能的一些措施和方法，与大家交流、学习。关键词 中央空调,能耗，节能，变频调节, 管理维护一、引言中央空调是现代建筑不可缺少的重要设备之一, 它能改善和提高建筑内部的环境质量, 营造一个舒适宜人的工作和生活环境。但中央空调运行时间长, 耗电大, 通常要占整座建筑总电耗的40 %以上。空调能耗不仅给城市能源、环境保护带来巨大压力, 也给经营者带来沉重的经济负担。 如何既保障建筑内部的舒适环境, 又能降低空调的能源消耗,是目前一个迫切需要解决的课题。本文从空调建筑方面、应用交流变频技术对中央空调末端改进方面以及从对中央空调管理维护方面提出节能的看法、观点。二、中央空调建筑的节能措施1、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。2、提高门窗气密性。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。3、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。三、应用交流变频技术对中央空调末端改进1、中央空调水系统的传统控制方法。中央空调系统通常由空调主机、空调水及其管网系统、空调末端装置组成, 其设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算最大冷负荷, 并由此确定空调主机的装机容量以及配备相应容量的水泵电机。然而, 实际上出现最大冷负荷的时间极少,根据相关资料统计, 空调设备97%的时间运行在70%负荷以下, 因而出现“大马拉小车”的现象,这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且, 空调水泵长期处在工频额定状态下高速运行, 产生不必要的设备磨损。目前国内中央空调水系统的控制方法大多采用传统的定流量控制方法, 其特征是系统的循环水量保持定值不变,当负荷变化时,通过改变供水和回水温度来匹配。定流量供水方式的优点是系统简单,不需要复杂的自控设备, 但存在以下几个问题：(1) 无论末端负荷大小如何变化, 空调水泵系统均在设计的额定状态下运行(水泵功率是按峰值冷负荷对应水流量的1.2倍选配) , 能源浪费很大,实际上由于受多种因素的影响, 如季节交替、气候变化、昼夜轮回使用变化、人流量增减等, 中央空调系统的负荷是一个始终变化的量, 空调负荷的这种不恒定性, 决定了系统对空调冷量需求也是一个随机变化的量。若不论空调负荷大小如何变化,系统都在设计的额定状态下运行, 势必造成大量的能源浪费。(2) 中央空调系统是一个多参量非线性、时变性的复杂系统, 由于空调负荷的频繁波动, 必然造成水循环系统的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态, 导致主机的COP值降低, 系统长期在低效率状态下运行, 也会增加系统的能源消耗。(3) 在工频状态下启停大功率的水泵电机, 冲击电流大, 不利于电网的安全运行。同时, 在管网上会产生“水锤”现象,增加管网的跑冒滴漏现象。2、采用变频技术控制水泵的运行实现节能。采用变频技术控制水泵的运行, 是目前中央空调系统节能改造的最有效途径之一, 图1 和图2 是阀门调节和变频调速控制两种方式的压力- 流量( H - Q ) 关系及功率- 流量( P - Q ) 关系。图1 中, 曲线1 是水泵在额定转速下的H - Q曲线, 曲线2 是水泵在某一较低速度下的H - Q 曲线, 曲线3 是阀门开度最大时的管路H - Q 曲线, 曲线4 是某一较小阀门开度下的管路H - Q 曲线, 可以看出, 当实际工况流量由Q1 下降到Q2 , 如果在水泵以额定转速运行的条件下调节阀门开度, 则工况点沿曲线1由A 到B；如果在阀门开度最大的条件下采用变频调节水泵转速, 则工况点曲线3 由A 点移动C 点, 显然B 点与C 点的流量相同, 但B点的压力比C 点的压力要高很多。图2是变频调速控制方式的压功率- 流量( P-Q ) 关系。在图2中, 曲线5为变频控制水泵调速运转方式下的P-Q 曲线, 曲线6为阀门调节方式下的P-Q 曲线, 可以看出在相同流量下, 变频控制方式比阀门调节方式能耗小, 根据离心泵的特性曲线公式如下：P = Q Hr/ 102 式中: P 泵使用工况轴功率 kW；Q 工况点的水压或流量 m3/ S； H 工况点的扬程 m；R 输出介质单位体积重量 kg/ m3 ； 泵功率。根据公式可知, 运行在B 点泵的轴功率P B = Q2 H3 r / 102 , C 点泵的轴功率Pc = Q2 H3 r / 102 , 两者之差 P = P B -Pc = Q2 ( H2 -H3) r/ 102 。也就是说, 用阀门控制流量时, 有P 功率被浪费掉了, 并且随着阀门不断关小, 这个损耗还要增加, 而且转速控制时, 由流体力学可知, 流量与转速N 的一次方成正比, 压力H 与转速N 的平方成正比、功率P 与转速的立方成正比。即Q/Qe=N/Ne*H/He=(N/Ne)2*P/Pe=(N/Ne)3 式中Qe为额定流量, He 为额定压力, Pe 为额定功率, Ne 为额定转速。由上面的公式可知, 如果泵类负载的效率一定, 当要求调节流量下降时, 转速可成正比例下降, 此时水泵的轴功率与之成立方倍关系下降。3、采用闭环控制：PID 调节方式实现节能。(1) 由于系统中的许多环节, 特别是温度、水泵、冷水管道、都存在着非线性, 故变频节能系统的调节方式一般采用的PID 调节方式；(2) 从PID 控制的原理可知, 带有积分(I)调节器的系统, 具有很高的稳定精度, 再由于水系统中的瞬间扰动不大, 实际中可采用PI调节方式；(3) 冷冻和冷却水系统温度有变化时, PID 闭环会对出现的偏差进行不断的修正, 使变频器根据PI 调节器或内置PID 运算不断地进行调节(加速或减速) , 使水泵工作在最佳工作状态；(4) 当系统有干扰信号时, PID 调节会很快地作出反应(见图3) 。4、采用模糊闭环控制的中央空调水泵节能系统的特点，近年来 随着模糊控制理论的不断发展, 其控制算法也不断地应用到实际中。它不仅能实现控制, 而且能模拟人的思维方式, 对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制; 模糊智能控制不会出现超调现象(见图4) , 故系统的节电率会有所提高； 当系统有干扰信号时, 能快速响应外部扰动, 因此模糊系统抗干扰能力很强； 中央空调的水泵变频运行采用模糊数字控制后, 其智能化程度会进一步提高、系统的抗干扰能力会得到加强、节能效果也会有所提高。四、加强中央空调的管理及维护保养实现节能1、目前办公楼类建筑空调设备的运行中存在的问题, 除了与系统设计中的问且有关外, 与系统的运行管理也密切相关空调系统运行管理人员水平参差不齐, 管理方式和制度也有所不同。有些办公梭的空调设备疏于清洗, 过滤器和冷凝器等均有不同程度的堵塞现象, 严重影响了空调系统的正常运行因此提高空调人员的管理水平对改善空调运行情况有很大帮助。2、中央空调系统的末端设备, 主要是风机盘管对于内机盘管来说, 过滤器或过滤网的定期清洗尤为重要。室内空气的冷却主要是靠风机对空气的强制循环来完成的。如果过滤器出现半堵或徽堵, 就会影响空气的传热, 影响空调的效果, 增加风机的电能耗。因此做好空调末端的维护和保养, 即能延长设备的使用寿命, 又能达到节能的目的。3、除上述几点外,还应根据具体工程情况,积极推广水环路热泵,采用热回收、变风量、变水量系统等节能技术。五、结束语本文主要介绍了空调系统能源有效利用和节能的几个主要途径。改善建筑环境，提倡绿色建筑和建筑物的自身节能，保护环境，利用自然能源，削减能源负荷，成为今后建筑设计的方向。优化、改进中央空调的自动运行模式或自动调节模式，如在中央空调中采用变频节能技术实现节能, 这种节能方式投资不高, 节能效果很好, 经济效益显著, 并能改善控制系统,