中央空调系统节能改造与节能效果研究

中央空调系统节能改造与节能效果研究

肖彩忠

深圳海源节能科技有限公司  518000

摘要：中央暖通空调是如今工业厂房、大型商场或商业办公楼宇等智慧建筑必备的机电设备，它除了通过换气送风来改变室内空气品质以外，还会通过电加热或电制冷的形式改变送风温度，从而实现调节室温的功能。中央空调系统的电能消耗占建筑物整体电耗的40%~60%，降低中央空调能耗是当务之急。基于此，为了进一步响应“碳中和”、“碳达峰”等政策，文章结合具体机电安装设计运行方案，首先提出了中央空调系统的不合理能耗问题，而后分析了暖通空调的节能改造具体措施思路，并对节能改造后的效果进行简要测评。

关键词：中央空调；节能空调；空调改造

前言：以往传统的中央空调系统空气调节能力较差，且存在极大的能源浪费问题，具体体现在空调控制调节不合理上。所以说，对中央空调系统进行节能改造，其目的正在于减少其运过程不合理能耗的同时，提高中央空调的供热制冷效率。无论是从经济效益还是机电设备的工作质量来看，中央空调的节能改造都具有极大的现实应用意义。

1. 中央空调风系统的节能改造

1.1风系统的异常能耗问题

通常情况下中央空调由两部分组成，一是空气调节系统，由空调组合风柜进行室内外空气的换置调节；二是冷热源系统，根据建筑物使用者的实际需求，选择以供暖或制冷的方式改变送风温度，实现空气质量调节以及温度控制功能。

空调组合风柜是整个中央空调系统的核心，大多数空调系统都是以“负压置换”的方式将户外新鲜的空气抽送入室内的，其中新风在送入的过程中，还会在风口进行过滤除尘。每有新风送入时，就会通过室内安装的排风系统或门窗等通道，将室内的空气送出，使新旧风形成良好的补充交替循环系统。由于室外温度与室内温度有一定的差异，加入过多的新风会加大空调系统的负荷，造成电能浪费。简单的控制可安装时间控制器，按时段启闭新风阀门，来控制新风的输入量。智能化的控制系统可安装空气质量检测仪器，当室内空气品质来控制新风阀门的开度，以减少空调能耗。

分析建筑室内空调使用情景来看，并不是所有时候都需要中央空调风系统满负荷运行的。当室内温度达到设定值时，中央空调风系统继续满负荷运行就是一种无意义做功。若我们可以通过改造中央空调风系统的运作逻辑，使风机电机的运行频率根据建筑室内环境温度条件自适应调整，就能够显著降低中央空调系统的能耗水平了。

1.2变频节能设计的改造思路

空调风系统可以视为由一个空气泵组作为驱动力的流体传送单元，在这个单元中，若不计算空调机电线路的线损热效应，风机负荷消耗的电能总会和流体流量的3次方成正比，所以根据此可以推导出如下公式：

P=kn；

n=t*f*（1-s）/Q

式中P表示为电机运行功率；n表示为电机转速，单位为r/min；K表示为有效做功系数，与电机的实际性能有关；Q表示为空调风系统的电机极数；t表示为供电时间，通常为60s；f表示为电机的供电频率，通常情况下为50Hz；s表示为电机滑差率。若中央空调系统的型号一旦选定，那么电机运行的参数k、s、Q就会随之确定，所以上述公式说明了两个问题：一是电机实际消耗功率是与其实时转速有关的，二是电机转速与电机供电频率成线性正比关系。因此变频节能设计的根本思路，在于通过变频技术在中央空调系统处于负荷低谷期时，通过控制调节系统供电频率的方法来降低电机的实际功率损耗[1]。对空调风系统进行变频节能改造共有两种思路：

一是交流变频技术，它的空气压缩机采用的是交流异步控制电机。这样的电机内部有一个变频器，在接受到电能信号后，首先将220V或380V交流供电转换为直流供电，而后再通过交流变频器的绕组电磁感应，以类似变压器的原理进行二次电流转化。当空调机内部的传感器感应到温度变化后，会自动计算其与空调设定值的差异变化，而后将其转化为对应的供电频率指令，最后由一个微机芯片来调节变频器输出的波形频率信号，从而实现风机变频功能。交流变频的技术优点是电路结构简单、可靠，利于空调系统的维修养护，但缺点是在两次电流整定的过程中增加的转换节点，仍然存在无法消除抑制的线损问题。

二是直流变频技术，这种变频方案不需要“交流-直流-交流”系统所必须定子旋转绕组，它的基本工作原理是直接由一个微机芯片负责将50HZ工频交流电转化为空调风机需要调节的直流电水平，而其中的送风流量差异值分析也由这个微机芯片来处理。而实现供电频率调节，则是依靠定子磁极与稀土永磁材料磁极之间的相互作用来实现的。这样的技术方法优势在于没有逆变电流的过程，节能效果理论上比交流变频更加优异，但缺点是由于稀土永磁磁极比旋转定子系统的制造工艺更加复杂，且对微机芯片的处理能力也提出了更高的要求，因此存在造价成本高昂的问题。

1.3节能效果分析

假设风机电机功率50kW,运行频率为50HZ工频，假设风机全部机械能都可以被转化为空气流体的动能，那么此时电机功率为如下：

P1=P=50kW

而当风机变频器将供电频率调整为40Hz时，根据电机功率与运行频率的3次方关系，此时电机功率为如下：

P2=P（F2/F1)3*1.15=50（40/50)3*1.15=29.4kW

改造前与改造后的功率比值为如下：

P2:P1==58.8%

改造后的节能效率如下：

节能效率η=*100%=41.2%

所以对中央空调系统的风机进行变频改造，是可以起到很理想的节能效果，当空调风机机按照上述方法进行配置负荷设计后，在无需满功率运行的情景以低频率低转速的条件来控制送风量，就可以减少很大一部分的无功消耗能量了。

2. 中央空调水系统的节能改造

2.1水系统制冷的能耗问题

中央空调系统的温度控制调节功能，主要依靠冷水机组的压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、制冷剂等及配套的冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、末端空调风柜等设备组成的水系统完成的，除了温度控制以外，水系统还可以实现对室内空气的加湿、干燥处理功能，是室内空气品质控制不可或缺的功能系统。冷却塔的散热效果，冷却水管、冷冻水管的流速压差等因素，都将影响中央空调系统的整体能耗。

2.2系统制冷的节能改造思路

2.2.1提升制冷效率

评价空调系统制冷能力需要用到制冷效率，简称COP，它是空调风机冷却剂功耗与获得的冷量的比值，与冷却剂的自身性质无关，只取决于外部被冷却物的温度T1与冷却剂自身温度T2之间的差值，外部待冷却物的温度越高、冷却剂温度越低，COP系数就越高。所以从理论上来看，被当做冷却剂的冷冻水温度越低，空调制冷效果就越好[2]。根据以往的试验研究结果来看，空调冷却水温度每降低1℃，COP就会下降约4%，所以必须要通过降低空调系统冷却水运行温度的方法，提高空调水系统COP的同时，降低空调冷却塔装置的运行负荷。当前在降低冷却水温度方面，主要做法是加大冷却塔的散热面积、在冷却水溶液中加入酒精、盐溶液等高粒子浓度的液体，或者是加大冷却水容器的压力来降低冷却水的凝固点。使空调冷源在相同条件下可以释放出更多冷能，以减少空调制冷的电能消耗量。

2.2.2 中央空调系统的冷冻水泵变频运行节能

当末端空调风柜制冷达到设定值时，空调风柜的冷冻水进水管二通阀将关闭，现场冷负荷需求较小时，由于较多空调风柜冷冻水二通阀关闭，冷水机组的冷冻水出水管和入水管之间的压差增大，将加大管路和末端设备损坏的风险。为了使出水管和入水管的压差保持在正常范围，传统的做法是在冷水机组的冷冻水分水箱（出水管）和集水箱（入水管）之间做一条旁通管，旁通管上安装电动阀和压差开关，压差开关检测到出水管与入水管的压差超过设定值时，电动阀打开，降低了两管之间的压差，保证了系统的安全性。但此方法冷冻泵一直在工频运行，造成了不必要的能耗浪费。

在冷冻泵上加变频器可解决在现场冷负荷需求较小时冷冻泵的能耗问题，利用冷冻水出水管和入水管的压差信号，控制变频器的运行频率。当压差在正常值时，冷冻泵的运行频率最高，当压差信号逐渐增大时，冷冻泵的运行频率逐渐降低，在维持出水管和入水管压差平稳的同时又节省了冷冻泵的能耗。

冷冻泵的变频器控制信号还可以利用冷冻水出水管和入水管之间的温差作为控制，当两管之间的温差小于设定值时，变频器输出频率降低，冷冻泵输送水量减小，以达到节能目的。

冷冻泵变频设计思路和节能效果分析与上述风机电机的基本一致，这里不再赘述。

2.2.3 中央空调系统的冷却水泵和冷却塔风机变频运行节能

虽然冷却水温越低对冷水机组的COP有提升，但在春秋冬季节，通过对冷却水泵和冷却塔风机的变频运行，在保证COP的前提下，仍有一定的变频节能空间。

利用冷水机组的冷却水管出水管与入水管的温差来控制冷却泵的变频运行，两管之间的温差越小，变频器输出频率越低，冷却泵输送水量减小，达到节能目的。

冷却塔风机的变频控制原理可参照冷却泵变频。

冷却泵和冷却塔风机的变频设计思路和节能效果分析与上述风机电机的基本一致，这里不再赘述。

3. 冰蓄冷技术

电网对于用电大户分为峰期、平期、谷期三个时段来收费，峰期与谷期的电费差价较大，冰蓄冷空调是利用电网的峰谷电价差，夜间采用冷水机组在蓄冰槽内蓄冷， 白天蓄冰槽放冷而主机避峰运行的节能空调方式，可产生很好的经济效益。谷期在晚上半夜开始蓄冷，此时室外温度低，冷却塔散热效果明显，提高整体的效率。

蓄冰空调系统在运行过程中制冷机可有两种运行工况，即蓄冰工况和放冷工况。在谷期蓄冰工况时，经制冷机冷却的低温乙二醇溶液进入蓄冰槽的蓄冰换热器内，将蓄冰槽内静止的水冷却并冻结成冰，当蓄冰过程完成时，整个蓄冰设备的水将基本完全冻结。在峰期放冷时，经板式换热器换热后的系统回流温热乙二醇溶液进入蓄冰换热器，将乙二醇溶液温度降低，再送回负荷端满足空调冷负荷的需要。

蓄冷空调的优点：

（1）节省空调运行电费。

（2）减少峰期电网负荷。

蓄冷空调的缺点：

（1）对于冰蓄冷系统，其运行效率将降低。

（2）增加了蓄冷设备费用及其蓄冰槽占用的空间。

（3）蓄冰空调的调试和运营，要求操作人员有更高的技术要求。

4. 水蓄冷技术

水蓄冷技术是指利用水的显热性来实现蓄冷功能的空调节能技术，目前的蓄冷方法有：

（1）多蓄水罐法。

（2）迷宫法。

（3）自然分层法。

自然分层法的蓄冷系统中，方法是最简单，有效和经济的，如果设计合理，蓄冷效率可以达到85%-95%，目前使用最成熟和有效的蓄冷方式是自然分层。

自然分层法利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。系统组成是在常规的制冷系统中加入蓄水罐，在蓄水罐的顶部和底部安装管道散流器，散流器用于均布进入罐中的水流，减少水流层的扰动和对斜温层的破坏，提高了蓄冷效率。

在夜晚电网谷期时蓄冷循环时，冷冻泵将罐体顶部温度在12~16℃的水送入冷水机组，经蒸发器后的温度在3~5℃冷冻水由罐体底部管道散流器进入蓄水罐形成蓄冷循环，罐中水量保持不变。在白天电网峰期时放冷循环中，水流动方向相反，3~5℃冷冻水由罐体底部经冷冻泵送至板式换热器，板式换热器与负荷侧进行换热，制热后的回流水从罐体顶部散流器进入蓄水罐，形成放冷循环。

相对于冰蓄冷系统投资大，调试复杂，运营难度较高的情况，水蓄冷系统具有经济效益高，投资较小，运行可靠，操作简单等优点，每年能为用户节省可观的中央空调年运行费用，还可实现大温差送水和应急冷源。可利用大型建筑本身具有的消防水池来进行冷量储存，所以水蓄冷技术具有广阔的发展空间和应用前景。

相对于冰蓄冷系统，水蓄冷系统的缺点是蓄水池占地面积大，在储存同等量的冷量，水蓄冷的蓄水池要比冰蓄冷的蓄冰槽体积大3~5倍，对于没有消防水池和空间紧迫的建筑，采用水蓄冷系统有一定的空间上的困难。

结语：综上所述，中央空调系统在带给人们舒适、健康生活的同时，也产生了极大的建筑能耗问题。从中央空调系统的运行情景与功能实现来看，它的节能改造主要分为两部分，一是中央空调风系统的变频变速改造，通过优化风系统运行逻辑的方法减轻负压电机的负荷；二是水系统制冷的节能改造，主要是应用预制蓄冷技术以及提高冷源效率的方法来改善空调系统COP系数，降低空调产生冷能的总量消耗；三是利用电网的谷期峰期，采用冰蓄冷系统或水蓄冷系统，降低空调系统的运行费用。

参考文献：

[1]覃京翎. 中央空调系统节能改造与节能效果分析[J]. 中国设备工程,2022,(06):133-134.

[2]王跃,王成勇. 中央空调系统节能改造实践及节能效果分析[J]. 流体机械,2020,48(10):64-70.