中央空调能耗分析 中央空调节能措施普及

中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统。中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉了大量的能源。据统计，我国建筑物能耗约占能源总消耗量的30%。在有中央空调的建筑物中，中央空调的能耗约占总能耗的70%，而且呈逐年增长的趋势。因此，如何高效利用中央空调系统的能源和节能就成为迫切需要解决的问题。

正常运行的中央空调系统，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动力耗能。中央空调系统的耗能量受很多因素影响，许多运行环节都有节能措施，因此，中央空调节能是一项综合性的工程。以下就冷热源耗能和动力耗能两方面介绍几种常用的节能措施。

　1、冷热源耗能节能措施

　　1.1温湿度控制

从中央空调系统空气处理过程可以看出，夏季室内温度越低、相对湿度愈低，系统设备耗能愈大;冬季室内温度越高、相对湿度愈高，系统设备耗能愈大，相应地初投资和运行费用也随之增大。

由于每个人对舒适感的要求标准差别很大，故对民用中央空调可有一个范围较宽的舒适区。在该舒适区范围内，夏季降温时，取较高的温湿度值;冬季采暖时，取较低的温湿度值，可获得一定的节能效果。建筑内温湿度的变化与建筑节能有着紧密的相关性，根据经验统计资料表明，如果在夏季将设定值温度下调1℃，将增加9%的能耗;如果在冬季将设定值温度上调1℃，将增加12%的能耗。因此将建筑内温湿度控制在设定值精度范围内是大楼中央空调节能的有效措施。

为降低能耗，空调房间室内温湿度基数，在满足生产需要和人体健康的情况下，夏季尽可能提高，冬季应尽可能降低。现在有些业主盲目追求“够冷”境界，大幅度提高室内温湿度设计标准，这样做，不仅无谓地浪费大量能源，而且还会产生舒适感的负面效应。

空调系统温湿度控制精度越高，舒适性越好，同时节能效果也越明显。而空调系统前端所测信号准确性直接影响到中央空调系统的精确控制程度。所以，所测信号，尤其是温湿度这样的模拟信号，必须尽可能准确。

还有，一定要选用高控制精度的BAS对中央空调进行控制。因为，BAS采用DDC(直接数字控制器)直接控制电动水阀阀门的开度，而无须中间调节器;另外，DDC内含有丰富的计算控制软件，如比例积分微分(PID)算法、模糊控制算法、遗传算法等，来保证控制的精确度。

　　1.2冷源效率控制

评价冷源制冷效率的性能指标是制冷系数(COP，Coefficient Of Performance )。制冷系数指单位功耗所能获得的冷量。制冷系数与制冷剂的性质无关，仅取决于被冷却物的温度T0和冷却剂温度Tk， T0越高，Tk越低，制冷系数越高。所以空调系统冷机的实际运行过程中不要使冷冻水温度太低、冷却水温度太高，否则制冷系数就会较低，产生单位冷量所需消耗的功量多，耗电量高，增加建筑的能耗。提高冷源效率可采取以下措施：

　1)降低冷却水温度

由于冷却水温度越低，冷机的制冷系数就越高。冷却水的供水温度每上升1℃，冷机的COP下降近4%。降低冷却水温度就需要加强冷却塔的运行管理。首先，对于停止运行的冷却塔，其进出水管的阀门应该关闭。否则，因为来自停开的冷却塔的水温度较高，混合后的冷却水水温就会提高，冷机的制冷系数就减低了。其次，冷却塔使用一段时间后，应及时检修，否则冷却塔的效率会下降，不能充分地为冷却水降温。

　2)提高冷冻水温度

由于冷冻水温度越高，冷机的制冷效率就越高。冷冻水供水温度提高1℃，冷机的制冷系数可提高3%，所以在日常运行中不要盲目降低冷冻水温度。首先，不要设置过低的冷机冷冻水设定温度。其次，一定要关闭停止运行的冷机的水阀，防止部分冷冻水走旁通管路，否则，经过运行中的冷机的水量就会减少，导致冷冻水的温度被冷机降到过低的水平。

　2、动力耗能节能措施

　　2.1输送耗能控制

动力耗能主要是指系统运行中风机和水泵所消耗的电能。从风机和水泵的输入功率计算公式：

　(1) (W):输入功率; ：体积流量; ：压头; η：效率

由公式(1)可知，要减少功耗可以从以下三个方面来考虑：减少流量、降低系统阻力和提高风机、水泵的效率。在工程实践中可采用以下措施：

　1)采用大温差

如果系统中输送冷热能用的水(或空气)的供回水(或送回风)温差采用较大值，那么当它与原有温差的比值为m，从流量计算公式知道，采用大温差时的流量降为原来流量的1/m3 。这时，水泵或风机要求的功率将减小到原来的1/m3 。可见，加大温差的节能效果是明显的。

在满足中央空调精度、人员舒适和工艺要求的前提下，应尽可能加大送风温差。要注意的是：供、回水的温度差不宜大于8℃。

　2)选用低流速

因为水泵和风机要求的功耗大致与管路系统中的流速成正比关系，因此，要取得节能的运行效果，在设计和运行时不要采用高流速。此外，干管中采用低流速还有利于系统的水力工况稳定性。例如：改变风机的转速可以改变风机的性能参数，风机的功率与转速成三次方的关系，而流量与转速成一次方的关系，降低转速以降低流量的同时可以大幅度降低能耗。当流量减少1/3时，能耗可减少约70.4%，当流量减少1/2时，能耗可减少约87.5%，且风机的效率基本不变，仍可稳定高效地工作。

　3)采用输送效率高的载能介质

一般情况下，用水输送冷热能的耗能量比用空气输送的要小，并且输送相同冷热能所用水管的管径要比风管小得多，所占用的建筑物空间也相应小很多。这也是近年来中央空调方式发展迅速的主要原因之一。

因此，对于集中冷冻方式，原则上应该把机房设备制备的冷冻水尽量输送到各中央空调分区的附近或使用点上，通过末端非独立式中央空调机组(如柜式空调机组、风机盘管)处理空气，就地或供附近房间使用。

　2.2变风量系统控制

变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。变风量系统可分为两种：一种为AHU风管系统中的空调机变风量系统(AHU—VAV系统);一种为FCU系统中的室内风机变风量系统(FCU-VAV系统)。AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定，而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷的变动。FCU-VAV系统则是将冷水供应量固定，而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量，亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。这两种方式通过风量的调整来减少送风机的耗电量，同时也可增加热源机器的运转效率而节约热源耗电，因此可在送风及热源两方面同时获得节能效果。

　送入室内的冷量可按下式确定：

　　(2)

式中：C为空气的比热容，KJ/(Kg·℃);ρ为空气密度，Kg/m3;L为送风量，m3/S;tn为室内温度，℃ ;ts为送风温度，℃;Q为吸收(或放入)室内的热量，KW。

如果把送风温度设为常数，改变送风量L，也可得到不同的Q值，以维持室温不变。变风量控制可采用根据室内负荷的变化，自动调节送风量的送风装置。当室内负荷减少时，它可保持送风参数不变(不需再热)，通过自动减少风量来保持室内温度的稳定。这样，不仅可节约定风量系统为提高送风温度所需的再热量，而且还由于处理的风量减少，可降低风机功率电耗及制冷机的冷量。据多种资料介绍，变风量较之定风量方式一般情况下节能可达30%～50%。

　2.3变频控制

大部分建筑物一年中只有几十天时间中央空调处于比较大负荷。中央空调冷负荷始终处于动态变化之中，如每天早晚、气候情况、客流量、活动内容等各种因素的变化，实时影响中央空调冷负荷。一般，冷负荷在5～60%范围内波动，大多数建筑物每年至少70%是处于这种情况。而大多数中央空调，因系统设计多数以比较大冷负荷为比较大功率驱动。这样，造成实际需要冷负荷与比较大功率输出之间的矛盾，造成了巨大的能源浪费。采用变频控制的方式，可解决此矛盾。

　1) 风机水泵类变频控制

因为过去交流电机本身不调速，中央空调系统对空气和水流量的控制不得不依赖挡板和阀门来调节，许多电能被白白浪费在挡板和阀门上。如果对风机水泵进行变频调速，把浪费在挡板和阀门上的能量节省下来，每台水泵平均节能效果就很可观。

对于风机水泵来说，根据流体力学原理，在相似工况下运行时的参数存在以下关系[2]：

　(3)

其中：Q1、H1、N1、n1 ：分别为转速改变前的流量、扬程、功率、转速;

Q2、H2、N2、n2 ：分别为转速改变后的流量、扬程、功率、转速。

由公式(3)可知，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，消耗的功率与转速的三次方成正比。对于变频调速来说，转速n基本上与电源频率f成正比，当电源频率f降低时，电动机转速也降低，所需的功率就随转速的三次方迅速降低，可见，节能效果十分显著。以风机为例，如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降51.2%;当所需风量为额定风量的50%时，而轴功率降12.5%。这种节电效果也非常可观。实际证明，风机水泵类变频控制节能40%～50%。

　2) 冷水机组变频控制

由于压缩机不排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以，只能按比较大需求来决定电动机的容量，故设计裕量一般偏大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的。采用变频控制对压缩机转速进行调节，实现对制冷量的控制，让冷冻机组始终处于比较佳(比较合理)的运行状态。变频控制提高了空调器的效率，改善了冷冻机组的运行效果，从而实现了节能。

变频压缩机的原理是通过调节压缩机的转速而调节压缩机的单位时间内的排气量，从而达到调节制冷量的目的。制冷量和压缩机频率的数学关系式如下：

　(4)

式中，n为转速，f为电机的频率，p为电机的极对数，s为电动机的转差率，λ为泄漏系数，Ps为吸气压力，vh为吸气容积，ni为多变指数，εi为压比(排气/吸气)，δ0为相对压力损失系数，Zs、Zd为实际气体压缩性系数，为平均能效比。

由公式(4)可知，制冷量与频率成正比关系，所以采用变频调节可实现对制冷量的控制，从而可达到节能效果。

有些调节方式(如调节阀门开度和改变叶片角度)，即使在需求量较小的情况下，也不能减少电动机的运行效率。采用了变频调速后，在需求量较小时，可降低电动机的转速，减少电动机的运行功率，从而进一步实现节能。实际证明，冷水机组变频控制可节能20%～30%。

本文作者创新点是：对于中央空调系统的冷热源耗能和动力耗能方面采用有效的节能措施，使系统的调整和控制更准确，能源的消耗更合理，运行和管理的费用更节省。这是中央空调系统高效节能、高回报率的具体体现，也是空调工程设计追求的目标。