浅析中央空调系统节能运行

张 鹏

（济南市节能监察支队，济南 250000）

浅析中央空调系统节能运行

张 鹏

（济南市节能监察支队，济南 250000）

文章介绍了中央空调系统在制冷机运行控制、冷却塔运行、冷却水系统与制冷机组运行联动、冷冻泵变频改造等节能管理和节能技术改造的相关措施，表明了加强中央空调系统的节能运行管理是实现公共建筑节能现实可行的措施。

中央空调系统；冷却塔；变频改造；节能管理

空调主要用于对室内空气状况的调节，包括温度、湿度、洁净度和风速等。中央空调系统就是集中式空气调节系统。随着经济的发展，中央空调系统越来越普及，单机制冷量为3517KW的大型机组使用广泛，单机制冷量1100KW以上的中小机组更是比比皆是。所以在当前节能工作日趋紧迫，民用建筑节能刻不容缓之际，中央空调系统节能必将成为民用建筑节能的工作重点。

既有的中央空调系统的节能措施主要有两种：一是节能改造，通过投入资金使用新产品新技术对原有设备进行更新或是通过改造的进行增加原有设备的使用性能来达到节能降耗的目的；二是节能管理，通过加强运行人员的设备管理操作水平，岗位责任心等在不更动设备的基础上，利用科学的管理方法，不需要投入资金达到节能的目的。

1 节能管理

1.1 提高中央空调制冷机组启停温度

中央空调制冷机组采用温控运行，机组出厂设定值为7、12℃，即冷冻水高温到达12℃时自动开机，降温至7℃时自动停机。这样的出厂设定模式，在实际运行会出现能源浪费现象。因为基于人体的舒适度指数由环境温度、相对湿度、风速等综合因素来决定。一般人体感觉环境的舒适的温度在22～26℃之间，在此区间时温度对人体舒适度的感知影响并不明显。同时如环境的相对湿度在30%～85%之间时，人体的舒适度感知受到的影响一样微乎其微。但随着温度的升高，环境湿度对人体舒适度的影响越来越大，此时影响人体舒适度的感知重要因素变成了空调系统的送风速度，风速增大舒适度增加。所以空调系统运行温度的设定，应当综合考虑温度、相对湿度、送风速度等因素的综合影响。

我们可以利用舒适度公式，通过该参数的不同变化，对空调系统设定温度对人体感知的影响进行定量的直观分析，舒适度公式如下：

F=1.8t-0.55（1.8t-26）（1-rh）-3.2v0.5+32………………（1）

F为舒适度；t为环境温度；rh为环境相对湿度；v为送风速度；一般F在51～78之间时，人体感觉较为舒服，最佳舒适度数值在60左右。对舒适度产生影响的参数中，最重要的是温度，其次是湿度，影响最小的是送风速度。室内空调运行是的送风速度为1m/s～2m/s，因此将风速取值为1.5m/s，将公式简化为：

F=1.8t-0.55（1.8t-26）（1-rh）+28.08，………………（2）

下面我们以公式（2）进行分析计算，将房间相对湿度设定为50%，取温度值为24℃进行舒适度计算F=66.55.再取温度值为26℃进行舒适度计算F=69.16，差值为2.61；将房间相对湿度设为60%，取温度值为24℃进行舒适度计算F=67.496；再取温度值为26℃进行舒适度计算F=70.304，差值为2.808；再将房间相对湿度设为70%，取温度值为24℃进行舒适度计算F=68.442，再取温度值为26℃进行舒适度计算F=71.488，差值为3.046。可见在相同湿度下，温度相差2℃对舒适度指数影响相差在数值3左右。表示温度升高2℃，人体的舒适度感觉不会产生明显影响。所以可以在不影响人们舒适度的前提下，适当提高制冷机组的启停温度设置为9，14℃。

同时，提高制冷机组的蒸发温度，可以提高蒸发器的压力，降低机组压缩机的工作压头，提高制冷系数。根据统计显示，中央空调制冷机组设定的蒸发温度每提高1℃，空调系统的电能消耗可以降低8%～10%，所以运行时适当提高机组蒸发温度的设定值，能够取得很好的节能效果。

1.2 及时清洗冷凝器

冷凝器的作用是把高温高压的制冷蒸汽冷却冷凝成液体，其对应的冷凝温度是制冷循环中主要运行参数之一。冷凝温度取决于冷却水的水温、水量、流速、冷凝面积、压缩机排气量，以及不凝气体、油污、水垢等因素。从操作调节的角度，要使冷凝温度尽量的低，主要从两方面入手，一是保持换热表面的清洁，减小传热热阻，及时除垢、放油、排除不凝气体；二是控制冷却介质的流量，保证冷却介质均匀地流过换热器表面。

由于冷却塔直接与环境相连，冷却水循环系统是开放式系统，水质变化大，冷却水含有的各种杂质会在冷凝器管壁形成水垢，由于水垢的导热系数一般在1.7～2.3W/m·k，远远小于纯铜的导热系数398W/m·k。水垢越厚热阻越大，在其他条件（如制冷剂流量、冷凝面积和冷却水流量）不变的情况下，导致冷凝温度升高，冷凝压力也随之升高，冷凝压力是直接关系着制冷机工作效率的重要因素，冷凝压力越高，制冷机的效率就越低。一般的说，水垢厚度给整个制冷系统带来的负面影响有：一是降低冷凝器的传热效果，导致冷凝温度过高，排气压力过高，制冷效率降低；二是不能充分发挥冷却水的冷却作用，增加了冷却水循环泵电耗；三是由于排气温度升高，致使一部分润滑油汽化，继续升压严重影响循环系统的安全，这些结论都是定性的判断，下面我们做一下定量的分析。

现在以水冷立式冷凝器为例，冷凝器的参数为面积F=150m2，管径Φ51mm×3.5mm，冷却水进口温度ts1=26℃，出口温度ts2=28℃，热负荷φk=480Kw，一般冷凝器内最适合水流速度范围是0.8～1.5m/s，在此取1m/s。

在其它各种条件都不变的情况下，根据传热计算式和氨热力特性计算水垢厚度与传热系数的关系式如下：

随着水垢的增厚，传热系数在不断减小，数值见下表1。

表1

传热系数的变化对冷凝温度的影响，对一个给定换热面积的冷凝器，在运行中若保证冷凝负荷不变，即φk、F值不变时，根据传热公式φk=F·K·Δtm分析K与冷凝温度tk的关系，式中Δtm=（ts2-ts1）/ln［（tk-ts1）/（tk-ts2）]利用上述同一假定参数代入公式可得：Ki=1600·ln［（tk-26）/（tk-28）]，在负荷与面积不变时，冷凝温度越高，传热系数越小，数值见表2。

表2

冷凝温度tk对COP的影响，通过对制冷系统热力特性的计算机模拟，得到在蒸发温度不变（t0=-15℃）条件下，氨单级压缩系统制冷系数COP与冷凝温度的关系，冷凝温度越高，制冷系数越低，数值见表3［1]。

表3

水垢的形成及其厚度对COP的影响，基于传热系数的计算式，利用线性回归归纳出传热系数K与水垢厚度δ、传热系数K与冷凝温度tk、冷凝温度tk与COP的关系，用下面的函数表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3

将表1、表2、表3的数值代入得到COP随水垢厚度的变化关系：

COP=3.7246-0.2049δs+7.359×10-3δs2+2.56×10-4δs3

通过上式表明，在水垢形成初期（δ≤2mm），厚度的增加对COP的影响相当明显，厚度每增加1mm，COP约降低5%～6%，冷凝器的污垢每增加0.1mm，热交换效率就会降低15%～30%，耗电量则增加5%～8%左右。由于冷凝器管壁结垢，热交换效率降低，冷凝效果不好，造成冷凝压力过大，不但影响冷水机组的安全运行，而且加大了冷却塔和冷却水循环泵电耗。理想情况下，冷凝器中制冷剂温度与冷却水出水的温度相等，换热效率最高。但是实际运行中很难实现，将温差保持在1～2.5℃之内已比较理想，所以在运行时注意观察冷凝水出水与冷凝器中制冷剂的温差，一旦温差过大应及时对冷凝器进行清洗，会达到很好的节能效果。

2 节能改造

2.1 安装中央空调机组、冷却水循环泵和冷却塔风扇的联动装置

改造前冷却泵和冷却塔风扇需24小时运转，改造后，将冷水机组、冷却泵和冷却塔风扇的手动控制改造为连锁自动控制，冷水机组到开机温度，先把启动信号传递给冷却泵和冷却塔风扇，冷却泵先启动，冷却塔风扇延时启动，最终冷水机组启动。而停机顺序刚好与此相反。这样改造可使2台110KW的冷却泵和4台11.5KW冷却塔风扇开机时间由原来的每天24小时运行变为每天10小时运行，每天节电2600度，每年按开机105天计算，每年节电27.3万度。

2.2 安装循环泵变频装置

绝大多数中央空调系统均为定流量系统，并且按最大负荷设计，而系统90%的时间是在最大负荷的65%下运行，普遍存在流量大温差小的问题，造成了能源的极大浪费。

2.2.1 水泵变频的可行性

空调系统节能改造主要是对循环水泵进行改造。通过对水泵变频改造将空调水系统的定流量改造为与实际运行负荷相匹配的变流量运行。

通常冷水机组是在定流量设计下运行的。保持定流量的原因是：（1）蒸发器（或冷凝器）内流速改变会影响其传热效果。（2）流速过低，流量过小会引起蒸发器冻管事故。

随着可调节控制技术的不断发展，各类型的冷水机组都具有制冷量调节功能，使制冷机组的制冷量随着冷负荷的变化而变化，以达到室温可控和节能的要求，保持冷水机组的高效运行。离心式冷水机组通过入口导流叶片的开启度调节，调整范围可在20%～100%。

实际的空调系统改造工程表明：水泵变频改造，合理的调节和自动化控制，对冷水机组和水泵的运行产生有利的保护作用。其有以下优点：（1）实现水泵电动机启动时，由0Hz至50Hz之间，负荷逐渐增加的“软启动”，减小电动机启动冲击电流，降低输电线路负荷，延长电动机使用寿命；（2）提高电动机实际运行效率，改善电动机实际运行工况，使电动机运行更加经济合理；（3）通过对冷却水泵的变频改造，可以减少冷却水用量，降低水泵和冷却塔风机的电耗。

2.2.2 空调水泵变频节能原理

在空调水系统定流量设计中，水泵的选择和冷水机组一样，也是按空调系统最不利工况所需最大负荷来选取的。工频运行负荷不发生任何变化，这样随着实际运行工况的变化必然会造成能源浪费。具体表现为：在工频（50Hz）下运行的水泵，通常使空调供回水温差在1～2℃下运行，与冷水机组设计的5～7℃的温差相差甚远，空调系统始终处于大流量、小温差的状况运行，造成冷冻水冷量的浪费。

空调变频节能改造的依据是：空调系统都达不到满负荷工况下运行，通过拉大供回水温差（一般达到5℃左右），就可满足负荷要求，可以减少循环水流量。水泵通过变频，在小于工频的工况下运行，降低水泵输入功率，节约电能。

水泵的转速与流量、扬程、功率之间的关系如下：Q1/Q0=n1/n0H1/H0=（n1/n0） N1/N0=（n1/n0）³可见，水泵的流量与转速成正比，而水泵的输入功率与转速的立方成正比关系。

变频改造前中央空调系统流量通过调节末端阀门开度来实现。阀门调节虽然能降低空调系统的流量，但是却大大增加了系统的压力，也就是说增加了系统的管路阻力，使系统节流损失增大。流量虽有减少，但水泵扬程增加，并且效率降低，水泵的输入功率变化不大，节能效果有限。

而采用变频技术，降低水泵的转速，将改变水泵的性能特性曲线。当水泵流量为原来的75%时，水泵消耗功率仅为原来的42%，节约58%。而采用阀门调节时，仅节约5%左右。故采用变频水泵，节能效果明显。

2.2.3 变频节能控制原理

空调水系统控制采用温差控制原理，在每台冷水机组蒸发器和冷凝器的进出口管路安装温度传感器，用来检测空调系统的实际负荷，设定系统正常工作温差为5℃，并设定最高和最低运行水的温差。当系统负荷增加时，温差增大，则提高频率，加大水泵转速。反之，温差变小，则降低频率，减慢水泵转速。控制系统原理如下：

3 小结

随着社会的不断发展，中央空调系统的节能运行必将越来越受重视，成为公共建筑节能的工作重点。以上仅以简要介绍了一下比较简单和成熟的中央空调系统节能运行的经验和技术。而中央空调系统节能运行还有更多的新技术值得我们探讨和研究，例如利用10KV高压电动机替代离心式冷水机组380V压缩机驱动电机的可行性研究和将变频技术应用在离心式冷水机组的普及、推广等。相信随着中央空调系统节能技术的不断成熟和推广会带来更广阔的节能空间。

［1]庄友明.制冷系统冷凝器特性研究［J].集美大学学报（自然科学版），第8卷第1期，2003年3月