温州站房空调节能技术的应用

2011-06-08刘杰

铁道勘察 2011年5期

刘杰

(中铁建设集团有限公司，北京 100040)

近几年来,随着我国空调业迅速发展和空调的普遍使用,其能耗占我国总能耗的比重日益增大,并成为我国部分地区能源及电力供需矛盾的主要原因之一。2009年夏天出现几十年来罕见的炎热天气,使空调耗电量激增,许多大中城市电力供应紧张甚至出现了 “拉闸限电”的局面。因此,如何改善和提高空调系统运行效率,减少能耗,已成为我国空调业发展一个急需解决的问题。

正常运行的一般空调系统,其耗能主要有两个方面：一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷 (热)源耗能；另一方面是为了输送空气和水,风机和水泵克服流动阻力所需的电能 (称动力耗能)。空调系统所耗能量受许多因素影响,空调耗能的许多环节都有节能潜力。

为解决以上问题,温州站房工程在空调系统设计和施工中采用了大量新技术,以达到节能的效果,现将该站房空调系统所采用的节能技术介绍如下。

1 空调冷热水二次循环泵进行流量变频控制

1.1 应用概况

为减少设备运行成本,充分利用国家的电力优惠政策和缓解电力紧缺现状,本工程在空调冷热水二次水系统中应用了变频调速技术。

1.2 技术特点

变频调速技术日趋成熟,与其他调速技术相比,有以下特点:

(1)调速效率高：在频率发生变化后,电动机仍在该频率的同步转速附近运行,基本保持额定转速差,转速损失不增加。

(2)调速范围大：变频器的调速范围可达1%～100%,并在整个调速范围内具有较高的调速效率,当调速范围小于30%时,变频器效率可达90%。所以变频调速方式尤其适合于调速范围宽,经常处于低负荷状态下运行的设备。

(3)可连续调速：选择最佳运转速度,可实现低速启动,平滑调速。

(4)启动电流小：最高速度不受电源影响,电动机可以高速化、小型化。

(5)调速改造方便：对原有电动机进行调速改造,不必更换电动机。

(6)主电路仍可直接供电：当变频装置发生故障时,可以退出运行,改由主电路直接供电,不影响泵的继续运行。

(7).变频装置可兼作启动设备：通过变频电源将电动机启动到某一转速,再断开变频电源,由工频电源把电动机加速到全速。

1.3 工艺原理

在中央空调系统中,环境温度的变化、人员的流动、设备发热、冷风渗透等,这些变化会引起房间冷热负荷的变化,导致空调末端设备负荷的变化。通常情况下,可通过变温度或者变流量技术来解决这一问题。本工程在空调二次水系统中采用了变流量技术。空调冷热水二次水循环系统是一个封闭的循环系统,当末端负荷减少时,需要减少系统流量。虽然可以通过关闭水泵来达到这一效果,但是频繁的开关水泵不仅会造成能源的浪费,同时减少水泵的使用寿命,可通过调节水泵电机转速达到上述目的。

空调冷热水二次水循环泵的工作原理是：安装在空调冷热水二次水系统回水干管上的温度传感器感受到回水温度点的温度值后,反馈回变频控制柜,与给定温度比较后,控制变频器调节电机的转速,使水泵流量随之变化。夏季制冷时,当回水温度高于给定温度值时,供电频率增加,电机转速提高,水泵流量增加；反之,流量减少。冬季供暖时,当回水温度低于给定温度值时,供电频率增加,电机转速提高,水泵流量增加；反之,流量减少。这样,可通过变频器改变交流电的频率使水泵达到不同的流量,降低电机功耗,从而达到节能目的。另外，还使电机的间歇运行变为连续运行,避免频繁起动造成电压波动,也可实现电机的软起动。空调冷热水二次水流量变频控制技术配合空调系统自动自控,既提高了使用的舒适性,又防止因超温和不合理运行造成的浪费。

2 空调(制冷、热)系统自动控制技术

该工程对冷(热)源系统和各空调系统运行参数的检测、运行状态显示、自动调节与控制、季节工况自动转换、能量计量及中央监控、打印与管理，采用直接数字控制(DDC)系统对空调系统、通风系统和冷(热)源系统进行全面的调控,包括回风量的调节,以达到最佳节能效果。同时，结合系统检测空气中CO2浓度,对空调系统实时调节新风比例,达到最佳舒适程度。

3 空气源热泵机组

3.1 应用概况

根据本工程所处的地理位置和能源供应状况及今后的使用功能,综合考虑空调系统的维护、节能和方便业主管理,选用8台空气源热泵机组作为冷热源。地方部分空调主机采用2台空气源热泵机组,夏季总负荷为 677 kW,冬季总负荷为477 kW。铁路站房部分空调主机采用5台空气源热泵机组,夏季总负荷为4 339 kW,冬季总负荷为3 201 kW。空调风系统采用定风量全空气系统,冬夏二季给予舒适性空调,并保证室内空气清新,同时对产生的废气、废热、废湿、异味及有害气体进行通风；空调冷热水系统采用二管制闭式系统(如图1、图2所示)。

图1 空气源热泵机组(一)

图2 空气源热泵机组(二)

3.2 工作原理

空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气源热泵是利用设备内的吸热介质(冷媒)从空气中采集热能,并通过热交换器使冷水迅速提温,同时排放出冷气，避免了传统太阳能产品在阴雨天气、夜晚不能工作的缺陷,只要外界温度在-15℃以上就能正常工作,故能更加高效、环保节能,整个系统集热效率甚高。

3.3 性能特点

空气源热泵冷热水机组有如下特点：

(1)空调系统冷热源合一,且置于室外,不需要设专门的冷冻机房、锅炉房,也省去了烟囱和冷却水管道所占有的建筑空间。对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑,或无条件设锅炉房的建筑,空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择。

(2)无冷却水系统,无冷却水系统动力消耗,无冷却水损耗。空调系统如采用水冷式冷水机组,自来水的损失不仅有蒸发损失、漂水损失，还有排污损失、冬季防冻排水损失,夏季启用时的系统冲洗损失、化学清洗稀释损失等,所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的2%～5%。另外,相当一部分工程在部分负荷情况下冷却水循环量保持不变，或根据主机运行台数,只作相应的台数调节。

(3)由于无锅炉，无相应的燃料供应系统,无烟气,无冷却水,系统安全、卫生、简洁。对于暖通专业来说,锅炉房最有可能存在安全隐患。另外,冷却水污染形成的军团菌感染的病例已有不少报道,从安全卫生的角度,空气源热泵具有明显优势。

(4)系统设备少而集中,操作、维护管理简单方便。一些小型系统可以做到通过室内风机盘管的启停控制热泵机组的开关。

(5)单机容量从3RT至400RT, 规格齐全,工程适应性强,利于系统细化划分,可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。

3.4 节能原理及效果

制冷循环和热泵循环均属逆向循环。在逆向循环过程中,工质完成一个循环后,仍回复到原来的状态,因而工质的内能没有变化,衡量逆向循环的经济指标用制冷系数和供热系数(即成绩系数COP)表示。

(1)∑c=Q0/W0=T0/(Tk-T0)

(2)∑H,P=Qk/W0=TK/(Tk-T0)=(Q0W0)/W0=∑c1

(3)∑cH,P=(Q0Qk)/W0=(T0Tk)/(TkT0)=2∑c1

式中 ∑c,∑H,P(COP),∑cH,P——制冷系数,供热系数和制冷供热系数；

Q0,Qk——制冷量和供热量/kW；

W0——消耗的机械功/kW。

(1)因为Tk总是大于T0,TK总是大于(Tk-T0),所以∑H,P总是大于1。可见,热泵供热具有的经济性。

(2)∑H,P只决定于TK和T0,而且∑H,P随着低温热源和高温热源之间的温差减少而提高,也即,高低温热源间的温差减少,热泵运行所消耗的功量(机械功或电力)越小。因此,热泵的经济性,亦应注意高低温热源的温差。

(3)若同时利用QK和Q0,则更为理想。即将QK传给高温热源作为供热用,同时又利用Q0的情况制冷。或者用同一台热泵,在冬季从周围自然环境(如大气或水)中提取热量,用于建筑物的空调供热。

由此可见,热泵虽然消耗机械功或电能,但运行时,不是直接将机械功(或电能)转变为热能来利用,而是借助于消耗机械功从大气等热能或室内余热连同热泵本身所消耗的机械功一起,对温度为TK的热源供热,从而有效地把难以直接应用的低品位热能利用起来,达到节能的目的。所以,热泵是一种充分利用低品位能的高效节能装置。工程上,实际热泵的供热系数约在3～6之间,约为逆卡诺循环供热系数的50%～60%左右。所获得的热量相当于所消耗功率的2～5倍。

3.5 应用前景

中国GDP占世界GDP比重大约为4%,却消耗了相当于全球总产量30%的主要能源和原材料,由此也带来煤、电、油等原材料全面紧张。建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展是当前的空调与热泵节能技术热点问题。中国传统的高投入、高消耗、重污染、低产出的发展模式已受到了相关部门的高度重视,为此国家颁布了一系列节能标准,要求新建筑严格实施节能50%的设计标准。

空气源热泵机组利用大自然中蕴藏着的大量较低温度的环境低品位空气热源,可以取之不尽,用之不竭,处处都有且无偿获取,为建筑物供热大大降低一次能源的消耗,对于节能具有非常重要的意义,是一项可持续发展技术。