广电中心中央空调系统能耗分析

2022-11-15赫连军

中国科技纵横 2022年12期

关键词：中央空调水泵能耗

赫连军

（山东省广播电视传输保障中心，山东济南 250011）

0.引言

广电中心属于大型公共建筑。据相关数据统计显示，这类大型公共建筑的中央空调系统能耗可占到建筑总能耗的50%以上，因此有必要对广电中心中央空调系统能耗展开全面分析，并据此进行合理的节能优化设计。

1.项目概况

某广电中心中央空调系统项目位于夏热冬冷气候区，集中供能面积约200000m2，设备众多、位置分散、工艺复杂，冷热负荷与日负荷变化均较大，用能时间不规律，不同区域的控制要求各不相同，时滞、时变和非线性特征强，负荷预测难度大，人工管理随意性大。本项目设计夏、冬两季峰值冷负荷分别为45888kW和33140kW，设计单位冷、热负荷分别为117W/m2和105W/m2；共配置冷热源及水力输配设备182台，总功率为26890kW；夏季供冷采用常规电制冷系统，能源中心按梯次配置安装2台单机头离心机、5台双机头离心机及1台螺杆机；冷冻水泵和冷却水泵一对一进行设置，共配置开式冷却塔39台；冷冻水设计为7℃大温差运行模式，供回水温度为6.0℃/13.0℃；冬季采用市政蒸汽换热空调模式，内区及工艺机房仍供冷，外区负责供热，共配置全自动蒸汽换热机组2组；系统形式采用区域3次泵分区、分段输配系统，东西区共配置5个3级泵房，末端空调机房配置约376间，已安装388台空调机组、161台新风机组及2242台风机盘管。本项目自正式投入运行以来，因各种原因而一直未采用节能控制系统，只有蒸汽换热机组可以进行自动调节运行，其余设备完全依靠人工管理运行；控制柜虽已安装变频器，但在实际运行中仍是采用定流量运行模式；夏季冷却水存在大流量小温差运行现象，更换冷机时冷却塔经常发生溢流，各级管路旁通由于缺乏控制，经常出现严重的混水及水力失调现象；全程电子水处理器运行存在故障；末端空调机组虽已安装比例积分电动调节阀，但在实际运行中仍只能采用手动调节方式。

2.能耗分析

2.1 系统运行情况

根据本项目近年来的运行数据统计显示：制冷机组全年24h运行约200d，冬季供暖24h运行约130d，冬季冷却塔自然供冷24h运行约150d；夏季高温期至多开启制冷主机3台，峰值负荷为18500kW，非高温期一般开启1～2台，演播厅使用较多时适当增加主机及区域水泵台数供冷。

2.2 电能耗

根据本项目的值班运行记录及演播厅节目保障单进行统计显示：室内设计温度、室外温湿度、新风量、围护结构、人员密度等是影响中央空调系统负荷的主要因素；室外温湿度是影响中央空调系统能耗的最大参数；气温是影响中央空调系统用电量的主要因素，一年中最大用电量通常在8月、最少用电量通常在4月，年度平均占比约43.70%；冷热源及输配系统用电量占比约69.25%。

2.3 蒸汽能耗

根据本项目的值班运行记录及演播厅节目保障单进行统计显示：中央空调系统的年度蒸汽能耗平均值约为1000t；当遭遇极寒天气时，蒸汽用量会出现大幅度上升。

2.4 节能空间估算

根据本项目的相关能耗数据并结合中央空调系统节能优化设计的相关经验进行分析显示：经节能优化设计后的中央空调系统，水泵节能可达到40%～70%，冷水机组节能可达到10%～20%，蒸汽节能可达到约10%，综合节能率可达到21.4%左右，按平均电价计算年节省费用可达到约1765000元。

3.节能优化设计

3.1 节能优化设计原则

在本项目的节能优化设计中，需遵循几点基本原则[1-2]：（1）绿色环保原则。当今时代，绿色环保理念越来越深入人心，尤其是自党的十八届五中全会提出“绿色发展”后，对绿色环保方面的要求日益提高，在本项目的节能优化设计中需充分遵循绿色环保原则，致力于实现节约资源、减少污染、保护环境、与自然和谐共生，打造健康、适用、高效的中央空调系统。（2）功能达标原则。中央空调系统的主要功能是为室内提供采暖及进行通风、空气调节，由于不同区域的采暖、通风、空气调节标准各不相同，在本项目的节能优化设计中需充分遵循功能达标原则，确保中央空调系统的功能达到各区域的相关标准要求。（3）经济适用原则。之所以要对中央空调系统进行节能优化设计，一是为了降低能耗、节省能源。二是为了减少能源花费、降低成本，在本项目的节能优化设计中需充分遵循经济适用原则，尽可能采取相适宜的、较为经济性的节能优化设计方案，而不能为了实现节能目的而一味增加成本。（4）安全可靠原则。广电中心中办公人员众多，采暖、通风等需求量大，在本项目的节能优化设计中需充分遵循安全可靠原则，切实保证系统运行的安全性与可靠性，最大程度避免系统故障的发生。

3.2 节能优化设计方案

根据本项目的特点及能耗情况，提出其节能优化设计方案为[3-4]：（1）重点对冷热源和水力输配系统进行节能控制，选用先进、可靠的软硬件控制方案，且在评估方案可行性和可靠性之时充分参考类似建筑体量及工艺复杂程度的成功项目案例。（2）同期建设系统能耗综合监测平台，用以实时进行各受控设备的用能计量，并动态生成系统COP曲线，自动提供详细的节能报表，便于了解设备能耗情况。（3）根据实际负荷自适应调节各类设备台数，并采用水泵变频自动控制，提高水力平衡效果。（4）在系统中设置气候补偿节能装置，一方面实现供能水温与室外温度变化的自动补偿，另一方面实现分时、分温控制。（5）加强施工风险防控，尽可能减少对广电中心正常办公和节目安全播出的影响，如在管道上开孔安装温度传感器、压力传感器、流量传感器等设备时，需采用带压在线安装工艺，并在短暂的过渡季节开展放水作业。（6）优先使用不与外网联网的设备管理专用网络来进行系统网络控制，或者也可以采用空调能源管理云系统，但注意需加强网络建设及维护管理。（7）根据保障重要性程度的不同对末端空调机组采用不同的控制配置方案，尽量简化其功能，只需满足基本的温控、新风、定时运行以及手自动切换等功能即可，以方便维护和降低成本。（8）敷设400m的保温管道，将冬季采暖产生的50℃～60℃的蒸汽冷凝水引至餐厅后堂进行使用，以节约水资源。（9）在系统中加设2套自动加药装置用来处理水质中的粘泥、结垢、水藻等，避免造成盘管堵塞或管路附件腐蚀，引起换热效率降低和能耗增加。

3.3 节能优化设计重点

（1）供暖系统。在本项目的节能优化设计中，应重点对供暖系统进行节能优化设计。在实践中，可在供暖系统中同步配置散热器与空调，使两者进行主次供暖。同时，根据广电中心各区域的建筑结构特点与实际供暖需求，对供暖管路的布局方案进行合理优化，尽量缩短管路距离，优先选择立式单双管布置形式或者垂直隔断布置形式。经节能优化设计后的供暖系统既能够大大提高热能使用效率、降低能耗，又具有供暖效果好、成本低廉、使用灵活等优点。

（2）冷冻水系统。在本项目的节能优化设计中，应重点对冷冻水系统进行节能优化设计。在实践中，可通过合理调整水泵运行工况来提高其负荷变化适应能力，以使其能够在部分负荷运转工况下有效满足实际运行需求。具体的措施有控制阀门开启度、设置变频水泵设备、优化多水泵叶轮直径、调整冷却塔设备运行参数等，应结合实际情况综合运用多种措施，以使冷冻水系统的节能效果达到最优化。经节能优化设计后的冷冻水系统，能够有效降低能耗、提高能源利用效率、节约用电成本。

（3）通风系统。在本项目的节能优化设计中，应重点对通风系统进行节能优化设计。在实践中，应对通风系统形式进行合理选择，在面积较大的区域中，可优先选择应用全空气空调系统，并设置变风量末端装置，这样可以根据实际需求来有效调节送风量，减少风机与制冷机组的运行能耗，达到良好的节能效果。在高大空间中，可基于送风射流卷吸原理进行分层空调系统设计，即在垂直方向上将区域划分为一个空调系统，分层面为送风口中心线，分层面上部为非空调区域、下部为空调区域，由于非空调区域的温度比空调区域的温度高，所以两个区域会持续形成对流与辐射热转移负荷，从而起到节省冷量的效果。再者，还可结合实际情况灵活应用单区、双风道及多区再热等通风系统形式。经节能优化设计后的通风系统，能够在保证良好通风效果的同时达到有效的节能目的。

（4）空调自控系统。在本项目的节能优化设计中，应重点对空调自控系统进行优化设计，以进一步提升中央空调系统的智能化和自动化程度，更好地实现节能目的。空调自控系统的主要功能是对中央空调系统进行自动调节和控制。在实践中，除应用螺杆式冷水机组的区域外，均可采用一次泵负荷和冷热源侧定流量系统，在供回水总管内和回水管上分别设置压差旁通装置和电动二通阀，在新风管、排风管及回风管上设置温湿度传感器与电动风阀。同时，还可采取多工况空调运行模式来对风机和电动阀门进行实时控制，以进一步提高中央空调系统的运行效率、降低其运行能耗。

3.4 节能技术应用

（1）地源热泵技术。在本项目的节能优化设计中，应合理地应用地源热泵技术，以更好地实现节能目的。地源热泵可将低品位热能转换为高品位热能，其主要是以各类水资源，如地下水、水库水、江河湖海水等，或是土壤源来充当冷热源。同时，地源热泵还能够通过吸收建筑本身的热量来降低其温度。地源热泵装置具体又有3种类型：地埋管型、地下水源型、地表水源型。在中央空调系统中，最常应用的当属地埋管型，其包括埋管和换热器2部分，主要原理是通过介质循环来进行传热。总的来说，地源热泵的特点有：（1）可再生性。其夏季降温与冬季供暖功能均是利用可再生能源而实现的。（2）环保节能。其对自然环境的污染小，而且可以节省大量电能。（3）便于维护。其装置部件多是布置在室内或者地下，且少有机械运动部件，多为自动化部件，耐久性好、寿命长以及便于维护。在地源热泵技术的实际应用中，应灵活地根据区域气候特征而对热泵供热进行调整，以最大化发挥出其作用与功能。

（2）余热循环技术。在本项目的节能优化设计中，应合理地应用余热循环技术，以更好地实现节能目的。余热循环技术是一种新型节能技术，其主要原理是基于热传递效应、借助循环系统，使余热从某部分传递到其他部分。在中央空调系统中应用余热循环技术之后，能够显著降低系统能耗，还可以大大减少系统在运行过程中所产生的空气污染，因为其动力系统与热传输系统的回路是各不相同的，这点使得其可以有效避免在热传递过程中液体受放射性影响而产生动力回路污染。

（3）变频节能技术。在本项目的节能优化设计中，应合理地应用变频节能技术，以更好地实现节能目的。变频节能技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术，其主要有2种工作模式：一种是先把交流电变成直流电，然后再把直流电逆变成不同频率的交流电。另一种是先把直流电变成交流电，然后再把交流电变成直流电，无论哪种模式，期间都只存在频率的变化，而电能本身是没有变化的。变频节能技术在中央空调系统中的具体应用是在相关设备上安装变频器。变频器的主要组成是：整流、滤波、逆变、驱动单元、制动单元、检测单元以及微处理单元等。借助变频器，可以灵活地根据实际需要对相关设备的运行状态进行调节，从而既能够降低设备运行能耗，又能够提高设备运行效率[5]。另外，在变频节能技术中还应用了智能功率模块IPM和人工神经网络与模糊自适应控制，基于智能功率模块IPM可以有效实现功率变频，基于人工神经网络与模糊自适应控制可以有效形成集成系统及专用集成电路。在实践中，以中央空调系统的冷冻水泵为例：冷冻水泵在长时间运行状态下往往都保持着最大水流量，受季节温度变化影响，其实际负载往往会低于预定负载。所以一般需要将其温度设置得相对较高，但这样会大大增加能耗，而应用变频节能技术后则能够智能化管理冷冻水泵的流量，从而达到降低能耗的效果。