中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能論文
1、中央空調(diào)系統(tǒng)的組成
中央空調(diào)系統(tǒng)是由一系列驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的動(dòng)件(如水泵、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī))、各種型式的熱交換器(如風(fēng)機(jī)盤(pán)管、蒸發(fā)器、冷凝器及中間熱交換器等)及連接各種裝置的管道(如風(fēng)管、水管及冷媒管)和閥件所組成。中央空調(diào)系統(tǒng)一般可分下列五個(gè)循環(huán):(1)室內(nèi)空氣循環(huán);(2)冷水循環(huán);(3)冷媒循環(huán);(4)冷卻水循環(huán);(5)室外空氣循環(huán)?傮w說(shuō)來(lái),構(gòu)成中央空調(diào)系統(tǒng)的元件主要是熱交換器和流體機(jī)械兩種。熱交換器是作為高低溫兩種工作流體能量交換的設(shè)備。當(dāng)任何一組熱交換器效果不好時(shí),會(huì)增加系統(tǒng)耗電率(kW/RT),不是系統(tǒng)耗電量增加,就是冷凍能力下降。而流體機(jī)械則是推動(dòng)工作流體循環(huán)的動(dòng)力泵,其耗電量W=QHhr/η。耗電量的多少?zèng)Q定于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)h,輸送的工作流體流量Q,工作流體循環(huán)所需要的揚(yáng)程H以及效率η,減少其中任何一項(xiàng),都可達(dá)到節(jié)能的目的。
2、中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的機(jī)會(huì)與措施
2.1選取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1.1室內(nèi)溫、濕度從節(jié)能角度出發(fā)來(lái)確定室內(nèi)溫、濕度標(biāo)準(zhǔn)是節(jié)能的重要因素?照{(diào)系統(tǒng)耗能大小除與當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)、建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)發(fā)熱散濕量有關(guān)外,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫、濕度標(biāo)準(zhǔn)也是直接影響負(fù)荷大小的重要因素。在保證生產(chǎn)工藝與人體健康的條件下,夏季室溫每提高1℃,約可減少熱負(fù)荷11.2%[1],其節(jié)省的冷、熱負(fù)荷是極為可觀的。同樣,在夏季如將室內(nèi)空氣濕度由60%提高到70%,則可節(jié)約能量17%左右。據(jù)資料測(cè)算,僅僅將夏季室溫提高1℃,就可使空調(diào)工程投資總額降低約6%,運(yùn)行費(fèi)用減小8%左右[2]。
2.1.2新風(fēng)量新風(fēng)負(fù)荷占空調(diào)總負(fù)荷的20%~40%[2],對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)值高低的取舍,與節(jié)能關(guān)系重大,不可忽視。引進(jìn)新風(fēng)主要是為了滿(mǎn)足人員的衛(wèi)生需求及部分工藝空調(diào)所需維持的室內(nèi)外壓差。而新風(fēng)量的多少直接影響空調(diào)的負(fù)載,從而影響空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、冷水泵、壓縮機(jī)、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)扇的耗電。
一般設(shè)計(jì)是以人員最多及活動(dòng)最激烈的情況來(lái)決定新風(fēng)量,但實(shí)際使用時(shí)卻幾乎不需要使用這么大的新風(fēng)量,從而造成在絕大部分的空調(diào)時(shí)段都在耗能的狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)。較有效的方法是以室內(nèi)空氣中二氧化碳含量來(lái)控制新風(fēng)量。
2.2設(shè)計(jì)合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與照明
2.2.1外圍結(jié)構(gòu)增設(shè)外墻及屋頂?shù)谋貙訉?duì)冬、夏兩季節(jié)能有利;減少窗、墻面積比,對(duì)減少夏季冷負(fù)荷有較好的效果,對(duì)南方有利,但對(duì)北方建筑減少冬季能耗有可能不利;增加外遮陽(yáng)對(duì)夏季冷負(fù)荷或供冷量減少十分有利,但在冬季,由于陽(yáng)光輻射量減少,有可能導(dǎo)致冬季采暖能耗有較大的增加。對(duì)于這些冬夏季節(jié)互為矛盾的措施,設(shè)計(jì)中應(yīng)特別予以研究和考慮;此外建筑物朝向也是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。
2.2.2窗在建筑節(jié)能中,窗的節(jié)能是十分重要的,據(jù)統(tǒng)計(jì),在全部建筑物散失的熱量中,通過(guò)窗散失的熱量占(25~70)%。在窗的設(shè)計(jì)中要滿(mǎn)足的條件是:(1)室內(nèi)足夠的采光要求;(2)絕熱性,即冬天使熱量不散失到戶(hù)外,夏天又不使太多的陽(yáng)光輻射吸收到屋內(nèi);(3)建筑物的美觀;(4)通風(fēng)功能。窗的設(shè)計(jì)和發(fā)展經(jīng)歷了單層窗時(shí)期、雙層玻璃階段和鍍膜玻璃階段。目前最先進(jìn)的節(jié)能窗是超級(jí)節(jié)能窗,雖然超級(jí)節(jié)能窗比普通窗的價(jià)格高(20~50)%,但以節(jié)能計(jì)算,它的回收期只有2~4年[3]。
2.2.3照明在我國(guó),照明用電量已占總用量的10%以上[4],照明用電往往直接轉(zhuǎn)化為空調(diào)冷負(fù)荷。對(duì)于空調(diào)面積大、照明容量大的地方,應(yīng)采用照明與空調(diào)的組合系統(tǒng)。采用空調(diào)組合燈具,不僅能夠改善照明裝置的工作條件,而且可以減少空調(diào)負(fù)荷。
2.3選擇合適的空調(diào)方式
2.3.1變風(fēng)量方式選取切合實(shí)際的空調(diào)方式是節(jié)能的必要途徑。為了達(dá)到節(jié)能的目的,對(duì)于不同性質(zhì)和用途的建筑物,必須采用不同的空調(diào)方式,同時(shí)還應(yīng)講究系統(tǒng)的小型化,使用靈活,便于管理,有利于節(jié)能。特別要注意建筑物朝向、位置的不同,其冷、熱負(fù)荷變化差別很大,應(yīng)采用不同的空調(diào)方式與系統(tǒng),在諸多空調(diào)系統(tǒng)中,變風(fēng)量系統(tǒng)最為節(jié)能。根據(jù)粗略測(cè)定,當(dāng)風(fēng)量是滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)風(fēng)量的50%時(shí),運(yùn)行電流約減少26.5%[2],因而全年的送風(fēng)動(dòng)力比定風(fēng)量方式小得多,加上沒(méi)有冷、熱抵消,節(jié)能效果明顯。
2.3.2熱源熱泵空調(diào)方式熱回收式閉路水源熱泵空調(diào)方式是室內(nèi)機(jī)組、冷卻塔和熱水器等全套裝置,通過(guò)一個(gè)水系統(tǒng)加以組合,用同一個(gè)系統(tǒng)按照不同房間的不同要求分別供冷或供熱。這種以水為熱源的熱泵空調(diào)方式有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)能進(jìn)行熱回收,可根據(jù)需要開(kāi)停機(jī)組,有利于節(jié)省能源;(2)可單獨(dú)控制室溫;(3)機(jī)組自帶制冷機(jī)和利用熱回收運(yùn)行,不需集中機(jī)房和大型鍋爐裝置,可節(jié)省機(jī)房面積和節(jié)約投資。對(duì)于南方某些較暖地區(qū)的中等規(guī)模的寫(xiě)字樓和底層是商場(chǎng)、小餐廳等發(fā)熱量較大的公共場(chǎng)所,而高層是寫(xiě)字樓、公寓等的建筑物非常適合。廈門(mén)汀州大廈采用這種有熱回收裝置的系統(tǒng)收到很好的節(jié)能效果[5]。
2.3.3噴口側(cè)送風(fēng)方式噴口側(cè)送風(fēng)是體育館的比賽大廳最廣泛采用的一種送風(fēng)方式,其特點(diǎn)是射程長(zhǎng),由于送風(fēng)射流在噴射過(guò)程中,將不斷混入周?chē)諝猓沽髁吭黾恿?~5倍,送風(fēng)溫差可采用8~12℃,同時(shí)在氣流流經(jīng)觀眾席過(guò)程中,又與室內(nèi)空氣混合,使流量增加到送風(fēng)量的5~6倍,并不斷將室內(nèi)余熱從座位下的回風(fēng)口帶走,因此,無(wú)論從消除室內(nèi)余熱量還是保持應(yīng)有的風(fēng)速來(lái)看,噴口側(cè)送的送風(fēng)量比上送風(fēng)可減少(25~30)%[5],因此是較節(jié)能的一種送風(fēng)方式。
2.3.4下送上回方式下送上回方式是一種節(jié)能的氣流組織形式,用于體育館空調(diào)時(shí),由于每個(gè)座椅只送新風(fēng),誘導(dǎo)室內(nèi)空氣與其充分混合,將室內(nèi)余熱量從建筑物上部排走,避免了燈光和屋頂?shù)瓤照{(diào)負(fù)荷帶入觀眾區(qū)和比賽區(qū),使空調(diào)負(fù)荷大為減小,空氣處理設(shè)備亦相應(yīng)減小,據(jù)國(guó)外資料介紹,夏季可節(jié)省冷負(fù)荷26%以上[5]。
2.3.5衛(wèi)生間排氣系統(tǒng)從豎井內(nèi)引出一小管在衛(wèi)生間頂部設(shè)置排風(fēng)口,豎井按分區(qū)用管道連接起來(lái),每分區(qū)用一臺(tái)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行分區(qū)排氣。這種方式可節(jié)約設(shè)備投資和節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用,而且運(yùn)行噪聲低,很有實(shí)用價(jià)值,且可節(jié)能。
2.4配置優(yōu)質(zhì)的節(jié)能設(shè)備
2.4.1主機(jī)為了安全起見(jiàn),絕大部分的冷水主機(jī)容量要比實(shí)際尖峰熱負(fù)載大20%以上,再加上實(shí)際尖峰熱負(fù)載在全年出現(xiàn)的頻率相當(dāng)?shù),全年平均的熱?fù)載大約是尖峰熱負(fù)載的(60~70)%,使得全年平均的熱負(fù)載只有冷水主機(jī)容量的(50~60)%,造成冷水主機(jī)大部分時(shí)間都在低負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)。冷水主機(jī)負(fù)載率在60%以下運(yùn)轉(zhuǎn)是不佳的。
由于生產(chǎn)制造技術(shù)的提高,近年來(lái)新上市的冷水主機(jī)的耗電率比20年前所生產(chǎn)的冷水主機(jī)降低約35%左右,因此在適當(dāng)時(shí)候?qū)⑴f主機(jī)換成高效率的冷水主機(jī)是非?尚械。根據(jù)實(shí)例,某用戶(hù)為了解決CFC冷媒的問(wèn)題將一臺(tái)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)約15年的350RT的冷水主機(jī)換成可滿(mǎn)足尖峰需求的300RT的冷水主機(jī),設(shè)備投資約可在4年左右回收[6]。配置多臺(tái)壓縮機(jī)的冷水機(jī)組具有明顯節(jié)能效果。因?yàn)檫@樣的機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)仍有較高的效率,而且,機(jī)組起動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)順序起動(dòng)各臺(tái)壓縮機(jī),每臺(tái)壓縮機(jī)的功率小,對(duì)電網(wǎng)的沖擊小,能量損失小。
此外,可以任意改變各臺(tái)壓縮機(jī)的起動(dòng)順序,使各臺(tái)壓縮機(jī)的磨損均衡,延長(zhǎng)使用壽命。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整冷水主機(jī)的設(shè)定溫度可收到較好的節(jié)能效果。冷水溫度越高,則主機(jī)耗電率越低。每提高1℃,節(jié)電約3%。在調(diào)高冷水設(shè)定溫度時(shí),需符合負(fù)荷端的溫度要求。調(diào)高冷水的設(shè)定溫度有兩種方法:一是冷水溫度隨室外氣溫設(shè)置;二是冷水溫度隨熱負(fù)載設(shè)置。
2.4.2泵與風(fēng)機(jī)及其變頻調(diào)速變頻調(diào)節(jié)技術(shù)是泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)普遍采用的一項(xiàng)重要的節(jié)能措施。事實(shí)證明,泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行節(jié)能量是顯著的。
在二次泵的空調(diào)供冷、供暖水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,一般是通過(guò)壓差信號(hào)對(duì)二次泵進(jìn)行臺(tái)數(shù)控制,以實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)。但根據(jù)實(shí)際空調(diào)工程來(lái)看,由于水泵實(shí)際工作點(diǎn)往往不能處于效率最高點(diǎn),即使流量減小了,實(shí)際用電量減少并不多。而采用變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)流量可收到良好的節(jié)能效果。北京某飯店采用變頻調(diào)速裝置已獲得顯著的節(jié)電效益,該飯店共選用3臺(tái)變頻調(diào)速裝置,分別對(duì)冷凍水泵、冷卻水泵和供暖水泵進(jìn)行變流量調(diào)節(jié),投入運(yùn)行一年就節(jié)電50萬(wàn)kW.h,而3套變頻調(diào)速裝置的投資費(fèi)是13萬(wàn)元,投資回收期不足2年[5]。變頻調(diào)速可在非峰值負(fù)荷時(shí)減少送風(fēng)量,從而可節(jié)省動(dòng)力消耗。
據(jù)檢測(cè),當(dāng)運(yùn)行風(fēng)量減至設(shè)計(jì)風(fēng)量的50%時(shí),運(yùn)行電流約減少25.5%[5],因而全年空調(diào)運(yùn)行消耗的電力比定風(fēng)量方式小得多。如送風(fēng)面積大或房間多,設(shè)計(jì)時(shí)可將變風(fēng)量系統(tǒng)分為兩個(gè)或數(shù)個(gè)系統(tǒng),以使控制更靈活,調(diào)節(jié)更方便,節(jié)能效果更顯著。
2.4.3管件引流三通是利用近環(huán)路過(guò)大的余壓能量來(lái)引射遠(yuǎn)環(huán)路介質(zhì)而共同前進(jìn)的一種特殊的管件,適用于一切單管或雙管冷水空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水閉式循環(huán)系統(tǒng)和熱水采暖系統(tǒng),安裝在回水管的合流三通處,可克服“老匯流三通”工作的`缺陷(具有較大余壓的近環(huán)路支管流束沖入三通后阻礙了遠(yuǎn)環(huán)路支管流束進(jìn)入?yún)R合管。工程設(shè)計(jì)上為了解決該問(wèn)題,常常是擴(kuò)大遠(yuǎn)路管徑以減少阻力消耗,加大循環(huán)水泵的場(chǎng)程和流量以強(qiáng)制遠(yuǎn)環(huán)路介質(zhì)匯擾)。
引流三通的作用不僅保證了閉路循環(huán)系統(tǒng)中各環(huán)路的水力平衡,更重要的是使系統(tǒng)阻力降低,減小了循環(huán)壓頭,從而節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用,一般可節(jié)省電量(15~30)%[5]。
2.5水系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計(jì),空調(diào)水系統(tǒng)的輸配用電,在冬季供暖期約占動(dòng)力用電的(20~25)%;在夏季供冷期約占動(dòng)力用電的(12~24)%。因此,降低空調(diào)水系統(tǒng)的輸配用電是目前賓館飯店節(jié)約用電的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。調(diào)查測(cè)試一些高層賓館、飯店空調(diào)水系統(tǒng)的資料數(shù)據(jù)表明,普遍存在著不合理的大流量小溫差問(wèn)題,循環(huán)水量有的是設(shè)計(jì)流量(或水泵額定流量)的1.5倍[5]。變流量水系統(tǒng)的節(jié)能效果好。設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間約占總運(yùn)行時(shí)間的(6~8)%,水泵的能耗很大,約占空調(diào)系統(tǒng)總能耗量的(15~20)%[5]。
為此,采用變流量系統(tǒng),使輸送能耗隨流量的增減而增減,具有顯著的節(jié)能效益。但須注意的是,設(shè)計(jì)變流量水系統(tǒng)時(shí),必須注意到各末端裝置的流量變化與負(fù)荷的改變并不成線性關(guān)系,所以應(yīng)考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡和穩(wěn)定的問(wèn)題,才能達(dá)到節(jié)能的最佳效果。在大多數(shù)的設(shè)計(jì)中,一臺(tái)冷水主機(jī)會(huì)搭配一臺(tái)冷卻水塔,且水塔的起停與冷水主機(jī)聯(lián)動(dòng)。由于中、大系統(tǒng)冷水主機(jī)臺(tái)數(shù)偏多,使得冷卻水塔臺(tái)數(shù)也多,不易管理及維護(hù),且無(wú)法隨著空調(diào)負(fù)載及室外氣溫條件變動(dòng)而調(diào)整風(fēng)扇耗電量。
從一般的經(jīng)驗(yàn)知道,冷卻水入口溫度每降低1℃可節(jié)電(1.5~2.0)%[6],冷卻水入口溫度應(yīng)在符合冷水主機(jī)特性及外氣濕球溫度的限制下盡可能地降低,以節(jié)約冷水主機(jī)的耗電。在較低的冷卻水溫時(shí)冷水主機(jī)耗電降低,但冷卻水塔耗電升高,兩者耗電之和存在一最佳運(yùn)轉(zhuǎn)效率點(diǎn)。冷卻水塔應(yīng)與冷水主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)一起考慮,才能使系統(tǒng)整個(gè)效率提高。要達(dá)到最佳化控制,冷卻水設(shè)定溫度應(yīng)隨外氣濕球溫度而變。減少冷卻水循環(huán)量,以降低冷卻水泵耗電量。若能配合冷水主機(jī)與冷卻水塔選擇較大溫差的設(shè)計(jì)時(shí),水流量即可降低,從而減少冷卻水泵的初裝費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。當(dāng)水處理量大于300m3/h以上時(shí),方形冷卻塔可實(shí)現(xiàn)多風(fēng)機(jī)控制[5]。風(fēng)機(jī)的數(shù)量可隨著處理水量的增大而增加。方形多風(fēng)機(jī)型冷卻塔,可隨著夏季室外濕球溫度的變化隨意增減風(fēng)機(jī)數(shù)量,用于晝夜溫差較大的地區(qū)更有利于節(jié)能。
2.6采用自控制置對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)中占(20~40)%的新風(fēng)負(fù)荷的控制,對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管、冷熱水系統(tǒng)、制冷裝置及輸風(fēng)系統(tǒng)等的自動(dòng)控制,是當(dāng)前設(shè)計(jì)人員與建設(shè)單位應(yīng)該著重考慮的問(wèn)題。據(jù)國(guó)外資料介紹,一個(gè)典型房間風(fēng)機(jī)盤(pán)管裝自控與不裝自控相比,可節(jié)能38%,而增設(shè)自控系統(tǒng)的投資2年左右時(shí)間就可收回[2]。所以自控系統(tǒng)取得的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著,也是建筑物節(jié)能必不可少的重要環(huán)節(jié)。
2.7運(yùn)行歌舞廳、酒吧等消夏娛樂(lè)場(chǎng)所的經(jīng)營(yíng)時(shí)間通常僅為晚場(chǎng)營(yíng)業(yè),時(shí)間約19~22時(shí),營(yíng)業(yè)前2~4h將空調(diào)系統(tǒng)投入運(yùn)轉(zhuǎn),利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄冷能力使廳內(nèi)的溫度慢慢下降至設(shè)計(jì)溫度的下限值或略低于該值,這樣當(dāng)營(yíng)業(yè)后室內(nèi)熱負(fù)荷逐漸增加形成峰值時(shí),空調(diào)設(shè)備仍能在低于峰值負(fù)荷下正常運(yùn)行,達(dá)到了“預(yù)冷”降低空調(diào)設(shè)備容量的目的,大約相當(dāng)于減少了設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的25%[7]。大型酒店、賓館的公共場(chǎng)所,商場(chǎng)、餐廳、多功能廳及大型會(huì)議廳等,需要送入的新風(fēng)量較大,在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中由于室外空氣溫、濕度隨季節(jié)而變化,因此,及時(shí)調(diào)節(jié)好新風(fēng)與回風(fēng)的比例就可以節(jié)能。
3、結(jié)論
中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的機(jī)會(huì)和措施是多方面的。如果能將節(jié)能思想貫穿于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型與運(yùn)行的始終,將會(huì)收到明顯的節(jié)能效果,平均可節(jié)省60%左右的電力[6],從而帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速但能耗高,能源供應(yīng)又相對(duì)不足,故更應(yīng)堅(jiān)持長(zhǎng)期節(jié)能的戰(zhàn)略方針,樹(shù)立新的節(jié)能觀念(對(duì)“節(jié)能”一詞應(yīng)理解為“合理用能”,不能片面理解為“少用能”),并加以普及。
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