浅谈全热回收空调冷水机组加辅热锅炉系统设备选型与自动控制

The Equipment Selection and Automation System of Total Heat Recovery Air Conditioning Unit with Auxiliary Heat Boiler System

付国才，胡浩，赵旭



浅谈全热回收空调冷水机组
加辅热锅炉系统设备选型与自动控制

The Equipment Selection and Automation System of Total Heat Recovery Air Conditioning Unit with Auxiliary Heat Boiler System

付国才，胡浩，赵旭

1 引言

全热回收空调冷水机组是在集中空调机组供冷时，回收冷水机组的冷凝热量制出50～60℃生活热水的螺杆空调冷水机组。我们在近期完成的三亚海棠湾某酒店项目，针对当地全年几乎每天都使用空调的气候特点，从综合节能节水和绿色建筑的角度出发，采用了浙江中控的PCS-300系列楼宇自控系统和全热回收空调冷水机组，实际运行取得显著节能效果。通过近3年建设和应用全热回收空调冷水机组的实践，为保证需求和取得最大节能效果，在应用全热回收空调冷水机组加辅热锅炉系统的自动控制时，需重点做好以下技术工作。

2 全热回收空调冷水机组加辅热锅炉系统设备选型

2.1 机组设置

三亚海棠湾某酒店项目设计计算冷负荷8500kW、热水需求量为800t/d、生活热水温度为50～60℃、热水流量200m☒/h。具体选用机组见表1。

表1 实际工程选配机组参数表

2.2 水泵的选择

2.2.1 系统流程图及其工艺流程说明

设计系统流程示意如图1所示。

2.2.2 机组选配

按照目前市场空调制冷机组的性能参数，可列出不同机型各额定制冷量性能参数表（见表2、表3、表4）。

图1 全热回收冷水机组+辅助锅炉系统流程示意图

表2 离心冷水机组技术参数

表3 螺杆冷水机组制冷工况下技术参数

表4 螺杆机冷水组全热回收（即制冷工况下制出7℃/12℃冷水同时制出55℃热水）工况下技术参数

图2 三种机组的性能曲线图

注：L1＃离心式冷水机组; L2＃螺杆冷水机组（制冷工况）; L3＃螺杆冷水机组（全热回收工况）。

由图2可以看出：

采用单冷空调螺杆机组的能效比最低；

采用全热回收螺杆冷水机组的能效比最高。

在选用全热回收螺杆冷水机组时，可根据计算的冷、热负荷进行选配，若要达到明显的节能效果，离心机组制冷量应该基本接近计算冷负荷。根据需求，供热水量选用全热回收机组的制冷量应该小于离心机组制冷量的40%。这样，在需要制热水时，可以保证离心冷水机组在60%以上的负荷率上运行，此时离心冷水机组的能效比与满负荷条件下的能效比几乎相同，避免因启用全热回收机组使离心机组在低负荷低效率的状态下运行。

3 采用中控PSC-300楼宇自控系统进行自动控制设计3.1 系统工艺流程分析

通过对该系统的工艺进行深入的分析，由于实际运行需求的冷负荷会随天气温度、湿度变化，我们采取离心机组在60%以上的负荷率运行为条件，根据实际需求不同的冷负荷变化，编制了所选机组运行控制流程表（见表5）。

从表5中可以看出，该系统控制逻辑相当复杂，在选择控制系统时，系统稳定性是第一考虑要素。

3.2 控制系统设计

结合被控系统的工艺流程和机组运行控制流程表，对以下设备进行监控。

1）锅炉系统

锅炉自动控制系统是锅炉厂家完成的，通过485软接口的方式，开放给中控PSC-300楼宇自控系统。主要监控锅炉系统开关控制、排烟温度、电动阀门的开关状态、循环泵的运行状态、故障状态，通过安装压力传感器、水管温度传感器和一氧化碳传感器，来监测锅炉系统管道节点的压力、温度和锅炉房内的一氧化碳含量。例如：板换一次侧供回温度、压力、电动调节阀的控制和开度反馈；板换二次侧供回温度和压力。根据二次侧供水温度，控制一次侧电动调节阀的开度，来保证二次侧供水温度的恒定。根据一氧化碳的含量，联动控制锅炉房内送、排风机，保证锅炉房内一氧化碳含量在安全值以内。

2）生活水热水系统

主要监控：循环加热水泵运行状态、故障状态、手自动状态、开关控制，板换一次侧供回水压力和温度，板换二次侧供回水压力和温度，保温水箱温度和液位，市政补水阀门的开关控制和开关状态，变频供水泵运行状态、故障状态、手自动状态、变频控制、变频反馈。当水箱液位低于设定值时，打开补水阀，给保温水箱进行补水。当水箱温度低于设定值时，开启加热循环泵进行加热；当温度大于或等于设定值时，关闭热水循环泵。

3）空调冷源系统

主要监控：冷却塔运行状态、故障状态、手自动状态、开关控制，冷水主机运行状态、故障状态、手自动状态、开关控制、冷凝器饱和温度、主机电流比、热水出水温度、热水进水温度、冷冻水出水温度、冷冻水进水温度、冷却水出水温度、冷却水进水温度，冷却泵运行状态、故障状态、手自动状态、变频控制，冷冻泵运行状态、故障状态、手自动状态、变频控制等。

4 能效与经济效益分析4.1 单台全热回收螺杆冷水机组生产1t 55℃热水的能耗

4.1.1 产生1t 55℃热水耗能理论值

从45℃加热至55℃的1t生活热水（以下简称1t 55℃的热水）需耗能理论值是：

Q=C×m×ΔT=4.2×103J/(kg・℃)×1000kg×10℃=10×103kcal

式中：水的比热容C=4.2×103J/(kg・℃)；

加热水的质量m=1000kg；

加热温差ΔT=55℃－45℃=10℃。

4.1.2 热回收机组产生1t 55℃生活热水的耗电量

由表6可得出全热回收冷水机组随冷凝器出水温度变化对应的输入功率、制冷量、热回收量变化曲线，如图3所示。

由于图3中输入功率曲线、制冷量曲线、热回收量曲线近似线性，在冷凝器出水温度由45℃增加至55℃的过程中，按可算术平均值计算全热回收机组在加热1t55℃热水过程中的近似参数：

输入功率P1=373kW；

制冷量Q1=1208kW；

热回收量Q2=1560kW。

由于1560kW=1560kJ/s；那么热回收机组生产1t 55℃热水所需运行时间：

表5 机组运行控制流程表

表6 400RT全热回收冷水机组性能参数表

图3 全热回收冷水机组输入功率曲线、制冷量曲线、热回收量曲线图

T1=42×103kJ÷1560kJ/s=26.9s=0.0075h

热回收冷水空调机组生产1t55℃热水的耗电量：

E=373kW×0.0075h=2.8kW・h（度）

4.2 天燃气锅炉生产1t 55℃热水的能耗

根据现场安装锅炉的技术参数：

锅炉100%负荷时的热效率＞93%，保守取η1=95%；

燃烧器的燃烧效率＞99%，保守取η2=100%；

每立方天然气的热值ξ=9000kcal。

产生1t 55℃热水锅炉消耗热量：

Q3 = Q1÷η1÷η2 =10×103kcal÷0.95 = 10526.32 kcal = 44.2×103kJ = 12.28 kW・h（度）

产生1t 55℃热水锅炉消耗天然气体积V1 = Q3÷ξ= 1.17m☒

4.3 热回收冷水空调机产生1t 55℃热水同时产生制冷能量对应离心机制冷耗能

热回收机组产生1t 55℃热水过程中同时产生制冷量Q1=1208kW。

由表2可得该制冷量对应的离心机组的型号是350RT，相应的离心机组输入功率P2=232kW。如果不采用热回收机组，那么对应热回收机组产生1t 55℃热水过程，350RT离心机组应运行时间T1，才能保证空调供冷，相应的耗电量：

E1 = P2×T1 = 232 kW×0.0075h = 1.74 kW・h（度）

4.4 离心机组冷却水耗水量

4.3条说明如果不采用热回收机组，应需要350RT离心机组运行时间T1才能保证空调供冷，由表2可查出350RT离心机组每小时消耗的冷却水量W=252m☒/h。那么对应热回收机组产生1t 55℃热水过程，350RT离心机组应运行时间T1耗冷却水量：

W1 = W×T1 = 1.89m☒

4.5 能效比较

生产1t 55℃生活热水，采用全热回收空调冷水机组与采用离心机组+锅炉方式的能效比：

λ1=（Q3+E1）÷E =（12.28+1.74）÷2.8 = 5

即生产1t 55℃生活热水，选择全热回收机组比离心机组+锅炉组合系统节能5倍。

4.6 经济效益比较

4.6.1全热回收机组运行费用

当地电费按0.6元/（kW・h）计算，全热回收冷水空调机组制冷同时生产1t 55℃生活热水消耗的电费：

表7 机组投资成本

S1=0.6×E=0.6×2.8=1.68元

4.6.2离心机组+锅炉传统方式的费用

1）天然气的价格每立方米4.8元，生产1t55℃生活热水天然气费：

S2=4.8×V1=4.8元/m☒×1.17m☒=5.62元。

2）350RT离心机组消耗的电费：S3=0.6×E1=0.6×1.74=1.04元。

3）离心机组耗水费：当地水费每吨4元，离心机组耗水费：S4=4×W1=4×1.89=7.56元。

4）生产1t55℃生活热水，选择全热回收机组比离心机组+锅炉组合系统节省费用比：λ2=（S2+S3+S4）÷S1=（5.62+1.04+7.56）÷1.68=8.46（倍）节省费用：S5 =（S2+S3+S4）－S1 = （5.62+1.04+7.56）－1.68 = 12.54 （元）。

5 投资回报分析

5.1 年消耗费用计算

1）本项目每天消耗800t 55℃生活热水。每年冷水机组运行时间不少于340天（以下按340天计算）。

采用热回收机组一年共生产55℃热水W55℃热= 272000t；耗电费S电1=W55℃热×S1= 456960元。

2）采用离心机组+锅炉传统组合系统方式，锅炉一年共生产55℃热水W55℃热=272000t需耗天然气费S气=W55℃热×S2=1528640元（锅炉运行340天算）；离心机组一年耗电费S电2= W55℃热×S3 = 282880元。

另外，离心机组一年消耗冷却水量W年冷却水= 514080t，所耗水费S年水=W年冷却水×S4 = 2056320元。

5.2 投资回收期

5.2.1 全热回收机组成本投资（见表7）

由表6计算，可得全热回收+辅助锅炉+自动控制系统方案比离心机组+锅炉传统组合要多投资：

S多投资= 230万元

4.2.2投资回收期计算

由4.1中计算，可得出采取两台全热回收机组（含辅助锅炉+自动控制系统）比采取离心冷水机组+锅炉传统组合，在满足900RT离心机组70%的冷负荷和生产800t55℃热水需求量的条件下，每年可节省费用S年省=（2×S电2+ 2×S年水+S气）－2×S电1=5293120元，约529万元。

由：投资回收期Y= S多投资÷S年省（2）

多花费的投资为230（万元），计算出这部分费用的回收期Y = 230÷529=0.43（年）。

6 结束语

在热带地区，集中空调+热水供应系统中，使用全热回收螺杆冷水机组（带辅助锅炉或冷媒）比使用离心式冷水机组+锅炉更能节能和增加效益。主要是因为热回收机组在热带地区一年中运行时间长达300天以上，以及一套完整的稳定性要求极高的自动控制系统。

在北方地区，由于全热回收机组运行的天数远远少于300天，因此，不建议使用全热回收机组。

全热回收螺杆冷水机组配套选择使用了高效的计算机自动控制系统，使其能更加有效运行。

【摘要】绿色建筑实现绿色节能，提供舒适、健康、高效的工作生活环境，从绿色建筑概念逐渐延申至实现真正的建筑绿色节能。中控PCS-300系列的楼宇自控系统和全热回收空调冷水机组在项目上的实际运行取得了显著节能效果。

FU Guo-cai,HU Hao,ZHAO Xu

（浙江中控自动化仪表有限公司）（Zhejiang Central Control Automation Instrument Co.,Ltd.）

【Abstract】The implementation of the green energy saving,green building provides a comfortable,healthy and efficient working environment,gradually deepening from the concept of green building to realize the real green energy-saving buildings.Zhongkong PCS-300 series of building automation system and the total heat recovery air-conditioning chiller on the project of energy saving effect have been made in the actual operation.

【关键词】楼宇自控；热回收空调机组；绿色建筑

【Keywords】building automation; heat recovery air conditioning unit; the green building、