办公大楼中央空调节能改造技术与效益

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摘 要：随着我国建筑事业的发展，中央空调现在已经成为一项大型建筑物必备的配套设施。但由于其高耗能，对生态环境造成沉重影响，节能改造是当务之急。本文基于笔者多年的工作经验，结合某办公大楼中央空调的节能改造案例进行分析，为同行人员提供参考。

关键词：中央空调；节能改造；效果

目前，我国建筑事业已经发展到一个较高的水平，随之而来的设备及配套设施也日益升级，中央空调的应用越来越广泛，但由此引发出来的高能耗问题却不可忽视。在国家已相当重视可持续发展和节能降耗的低碳生活的今天，解决这问题迫在眉睫。我们需要不断地采用最新技术手段对原有的中央空调进行节能改造显得尤为必要。通常，中央空调运行时负载都保持在70%以下，浪费了大量的能源。

1工程概况

某办公大楼高15层，总建筑面积大约12500 m2，空调系统总面积约为6983 m2。系统分为制冷和采暖两个系统。为了达到更好的节能效果，工程人员在原有系统基础上进行改造。

1.1制冷系统

制冷系统结构见图1所示：

图1：中央空调制冷水系统结构图

制冷系统包括制冷源和水系统。其中制冷源包含2台单螺杆冷水机组，总制冷量为1231kW；水系统为一次泵定流量水系统，水平管设计程序与空调立管相同。补水定压的膨胀水箱设在屋顶。冷冻水循环泵和冷却水循环泵均有2台（其中一台备用），均30 kW，冷却塔风机功率7.5 kW。

1.2供暖系统

供暖系统的结构图见图2所示：

图2：中央空调制热水系统图结构图

供暖系统包括热源和水系统。其中热源为一台供暖锅炉，总制热量为700kW；水系统为二次泵定流量水系统；用于补水定压的膨胀水箱设在屋顶；热水一次泵和热水二次泵均为2台（其中一台备用），一次泵功率为2.2kW，二次泵15kW。

1.3空调系统自动控制

通过主机控制器自动调节进出水温度及冷水机组能量；通过主机房内的空调电控柜来控制冷冻水泵、冷却水泵、冷水机组、冷却塔等设备，并对其联锁处理。

2 节能改造系统

2.1改造目的

中央空调系统中，各种风机和水泵的容量，是根据建筑物最大冷热负荷设计选定的，并留有一定的设计余主要跟建筑物的围壁与环境的热交换及其外界环境相关的；对于固定的建筑物，其负荷主要是随室外环境条件而变化的。中央空调的冷热负荷，在绝大部分时间内远低于设计负荷；即实际上大部分时间运行在低负荷状态；中央空调大部分时间运行在设计负荷的60 %以下。系统末端设备所需冷冻水量一般小于设计流量，而水系统是用定流量运行；故在部分负荷时，将浪费能源。空调水系统的耗电量约占空调总耗电量的15 %~20 %，因此，根据负荷变化对水系统采用变流量运行，将会带来可观的节能效果。

2.2改造原理

利用变频无级调速技术对冷冻水系统、冷却水系统、热水系统进行节能改造，主要是使其功率随着负载需求的变化而进行自我调节，从而节省了能源。就是将变频系统接到各个水泵电机拖动系统之中，通过对电机转速的控制来达到控制电机功率的目的，这要比原来的利用阀门控制流量智能得多。

2.2.1调节电机速度与节省水泵功率

由流体力学知：P = Q×H。式中：P为水泵功率；Q为水泵流量；H为水泵的压头（扬程）。由于流量Q与转速N的一次方成正比，压头H与转速N的平方成正比，所以功率P与转速N的立方成正比。如果水泵效率一定，当要调节流量下降时，转速N可成比例地下降，水泵电机的耗电功率与转速近似成立方关系下降。

例如：一台水泵电机功率30kW，当转速下降到原转速的4/5时（运行频率为40Hz，额定频率为50Hz），其耗电量为15.36kW，省电48.8%；当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为3.75kW，省电87.5%。

2.2.2变频调速原理

交流电动机的同步转速：n=60f(1-s)/p

式中：n为异步电动机的转速；f为异步电动机的频率；s为电动机转差率；p为电动机极对数。转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0~50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

2.3节能改造后的系统

1）系统构成：中央空调系统机柜共由3个构成。一是1#风机控制柜，作用是进行数据采集并对采集数据进行处理，发送指令来控制冷却塔风机；二是2#冷暖控制柜，主要用来对冷冻泵及热水泵进行调节控制；三是3#冷却泵控制柜，用来控制冷却泵。

2）系统制冷时冷却塔风机的控制方式：先通过温度变送器对冷却塔出水温度进行采集，在数据处理后通过冷却水循环泵变频控制系统控制7.5kW冷却塔风机的启停。当水温在35℃以下上时，工频启动，当水温低于30℃时，停止风机运行。

3）系统制冷时冷冻水泵的控制方式：先通过温度传感器对回水温度进行数据采集，在数据处理后通过两台30kW的变频器分别控制冷却水循环泵及冷冻水循环泵，将系统调节到最佳运行状态，控制灵活且精确度较高。此种控制方式提前设定好了冷冻泵变频器的工作频率下限（此下限要保证冷冻水流能够供给最末端设备）。当温度传感器采集到回水温度时，在数据处理过程中会与设定温度比较，当回水温度在设定温度之上时，变频器将系统频率无极调到最大值50Hz，当回水温度低于设定温度时，变频器将系统频率无极调到设定好的最低频率。

4）系统供暖时热媒水泵系统的控制方式。通过温度传感器对循环水温度进行数据采集，在数据处理后通过1台15kW变频柜对热水二次泵工作频率进行控制，系统还带有循环软启动功能。同系统制冷时冷冻水泵的控制方式一样，此种控制方式提前设定好了冷冻泵变频器的工作频率下限（此下限要保证冷冻水流能够供给最末端设备）。同理，当温度传感器采集到循环水温度时，在数据处理过程中会与设定温度比较，当水温在设定温度之上时，变频器将系统频率无极调到最大值50Hz，当水温低于设定温度时，变频器将系统频率无极调到设定好的最低频率。

3电效改造结果

3.1节能

通过加负荷及无负荷实验，观察分析结果，空调节能效果达到24.8%以上，表1是实验状况。

3.2软启动减少设备维护费用

假如电机启动方式为直接启动或Y/启动，其启动电流约为额定电流的4~7倍，数值很大，会对电气设备及电网造成一定的损伤，尤其是损害到挡板和阀门，大大减小了设备和线路的寿命，而且对设备的最大耐流量要求较高。而变频节能装置改变了这一不利现象，变频器具有控制软启动的功能，启动时，电流从零开始慢慢增大，直到上升为正常工作电流。消除了启动电流冲击，保护了设备和电网，延长其寿命，节省开销。

4结束语

从本工程的中央空调节能改造方案来看，系统的设置及细节控制方式的不同起到的节能效果大不相同，节能改造方案并不很复杂却非常有必要。当然，中央空调的综合节能方式是多方面的，如设备选型及运行管理方面对空调的节能效果的影像都比较明显。

参考文献：

[1]程琴.中央空调节能改造.机械管理开发，2011（4）

[2]王慧召,王慧敏,林伟.中央空调系统的节能分析[J].能源工程,2009,(03)

[3]周洪煜，陈孜虎，高鹏飞.中央空调系统节能运行改造的控制策略与方案[J].计算机测量与控制，2009，17（10）.

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