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1、智能化中央空调节能的措施与原理 摘要： 以我校将要建设的小型智能化中央空调实验室工程为例,探讨此类建筑的节能措施与其原理,比较了几种常用的热回收设备的性能,指出了目前空调设计与应用的严重脱节,说明中央空调节能的措施及重大意义。 关键词： 智能化 中央空调 节能 措施 原理 1. 智能化中央空调节能意义重大 空气调节是智能建筑创造舒适高效的工作和生活环境所不可或缺的重要环节。在智能建筑中，HVAC各系统的监控点数量常常占全楼监控点总数的50%以上；HVAC各系统的耗电量常常占全楼总耗电量的50%以上。由此可见，HVAC各系统在智能建筑的一次投资和运行费用中占有极其重要的位置。 在不少建筑物中，或
2、在建筑物的建设阶段，BMS（楼宇管理系统）本身常常是整个智能化楼宇管理系统（IBMS）的主导成分，而HVAC各系统的控制部分又是BAS或BMS系统的主导成分；对于这类建筑，HVAC控制系统的位置就更是举足轻重。 在智能建筑中实现节电节能，特别是耗电耗能大户空调实现节电节能，本应是业主投资计算机控制（亦即使建筑具有“智能化”）所能期待的主要回报内容之一；然而目前国内在智能建筑的建设中，真正能做到这一点的是凤毛麟角。也就是说，只有极少数智能建筑（屈指可数！）实现了节电节能，大多数智能建筑并没有实现节电节能这一理应实现的回报。现在我们就从本文以小见大来探讨一下智能化中空调之节能。 1.1 空调及其控
3、制系统的运行情况远不理想 据调查所得：用户对楼宇自控系统运行情况的评价是：满意的仅占30%，一般的占40%，差的竟占到30%。在调查中发现：除少数建筑物技术先进、运行良好外，普遍存在着各种各样的问题：有的技术不先进，有的在运行中存在严重缺陷，有的根本不能开通。 经投入巨资设计安装的计算机控制系统，如果根本不能开通，或者在运行一段时间后由于这样那样的故障而被拆除，这不能不说是一种严重的教训，有关各方都应正视问题、认真分析原因并采取切实有效的措施，避免重复发生。 应该指出，空调及其控制系统在运行中出现问题并非我们国家所独有。一位英国专家，Building Energy Management Sys
4、tems（建筑能量管理系统）一书的作者，G.J.Levermore在他著作的前言中写到：“我确实经常询问设计人员、用户和学生们，他们是否知道任何建筑物在调试后运行良好，然而回答是极为稀少。我希望我的书会帮助减轻此类问题。”在我国的智能建筑中，由于发展极为迅速，而市场管理和技术管理等方面又存在着一定程度的混乱，因此所暴露出来的问题就更广、更深、更严重一些。 1.2 空调自控设计与空调设计严重脱节 在智能中央空调中，其自控系统的工程实施，目前大体上经过下列工程步骤：由土建设计院的暖通空调专业人员进行空调设计，并提出空调自控要求，有设计院自控专业人员进行空调自控设计，由自控设备厂商进行控制部分的方案
5、设计和施工图设计，并由自控设备厂商进行控制部分的安装调试，然后移交给物业管理部门进行运行管理。在上述的工程环节中，需涉及的单位包括括设计院，土建施工单位，设备安装单位，自控厂商等，当然还有起决定和控制作用的业主。这其中本应形成密切配合，一环扣一环的，平滑运转的链条，然而，实践证明：其中各个重要环节常常严重脱节，遗留后患，并给楼宇自动化系统的正常运行和节能效果带来严重问题。 脱节现象常常表现为： （1） 设计院暖通空调专业人员对自控专业提的要求往往深度不够；（2） 设备安装单位的设备安装工作未按规程进行，在安装完毕之后对各个风系统和水系统并未进行认真的测试和平衡；（3） 自控设备供应厂商，在竞标
6、时，往往“什么工作都能做”；但在工程实施时，或者缺乏必要的专业人才，或者工程人员比例严重不足，因而无力针对具体工程进行具体分析，常常凭借一些“copy”来的东西甚至未经消化来应付工程。自控设备厂商的调试工作也普遍不到位：比如针对建筑物特性和具体管网特征的一些参数选择粗糙，夏季、冬季和过度季节等不同空调工况普遍未进行足够调试等等。 1.3 设计体制有待调整 暖通空调系统的自动控制系统的设计，特别是暖通空调系统的计算机控制系统的设计，是建立在系统日常运行的基础上的，也就是说，本质上是一种非稳态的动态设计。计算机控制系统要求动态分析资料，而暖通空调设计提供的是有限的稳态数据这大约是当前智能建筑建设中
7、，暖通空调系统设计与暖通空调系统控制系统设计严重脱节的重要原因。 2中央空调系统大致构成 中央空调系统主要由以下几部分组成： 2.1 冷冻主机与冷却水塔 a、冷冻主机 冷冻主机也叫致冷装置，是中央空调的“致冷源”，通往各个区间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。 近年来，冷冻主机也有采用变频调速的，是由生产厂原配的，不必再改造。未采用变频调速的冷冻主机，改造为变频变速的例子还不多。 b、冷却水塔 冷冻主机在致冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。 2.2 “外部热交
8、换”系统的组成 a.冷冻水循环系统 由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水，如此循环不已。 从冷冻主机流出，进入房间的冷冻水简称为“出水”，流经所有房间后回到冷冻主机的冷冻水简称为“回水”。无疑回水的温度将高于出水的温度形成温差。 b.冷却水循环系统 冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却
9、塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。 流进冷冻主机的冷却水简称为“进水”，从冷冻主机流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。同样，回水的温度将高于进水的温度形成温差。 c.冷却风机有两种情况： 盘管风机安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。 冷却塔风机用于降低却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。 可以看出，中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制便是
10、中央空调控制系统的重要组成部分。 我们本次毕业设计中小型智能化中央空调也大体与此相一致，其中有两套中央空调系统，由三台冷却水泵、三台冷冻水泵、两台冷却塔风机、两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统，其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的。根据本次设计的实验室要求，我们选择了2*5匹全封闭式压缩机冷水机组。它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制。冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量，使冷冻水降温，然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气
11、中的热量。 3. 变频调速的功能 3.1 变频节能功能 风机和水泵都是传送流体的装置，这类负载消耗的能量与流量的立方成正比，推算可得到能量消耗与转速的关系，具体的关系表达式： 即Q=K1n；H=K2n2；P=QH=K1K2n2=K3n3 式中，K为常数，n为电机的转速。 又：三相交流异步感应电机的转速n=120f(1-s)/p，式中f为供电频率，s为转差率，p为电机极数。 电机一旦选定后，S、P基本确定，则n可近似为n=k0f，即与供电频率成线性正比关系。 当频率为50Hz时，n=k050转/分，功率P1=K（k050）；当频率为45Hz时，n=k045转/分，功率P2=K（k045）。 P2
12、/P1=K（k045）/K（k050）100%=72.9%，由此可见，当电源频率从50Hz降为45Hz时，就可节约电能达27.1%。 当用阀门的开度来控制水量的大小时，管阻档板阻曲线与功率P变化（如图1）。由曲线1到曲线2，水量减少了，而功率却没有减少多少。而通过改变转速n来调节风量情况就不同了。 调节转速时H-Q曲线由曲线1到曲线2，阀门的开度100%时，管阻曲线不变，功率节省了很多。其中n1为调节前的转速，其中n2为调节后的转速。 3.2 软启动功能 由于电机全压启动时，空载启动电流等于（37）倍于额定电流，因此通常在带载电机启动时，会对电机和供电电网造成严重的冲击，导致对电网容量要求过高
13、，而且启动时对设备产生的大电流和震动对设备极为不利；而启、停时，水锤效应(液击)极易造成管道破裂，采用变频器的软启动功能将会使启动电流远远低于额定电流实现电机真正意义上的软启动。不但减少了对电网和管网的冲击，且能延长设备使用寿命，减少设备维修费用。 3.3 冷却水系统的变频调速 上述推算，可得到一个定性的概念。也就是说，对于一个传统的空调系统，由于空调设备均按设计工程选配，绝大多数时间设备均在低负荷情况下运转，这样无用功消耗掉很大一部分能量。如果改由变频器进行变速驱动，可能此时电机只需以45Hz的速度运转就能满足对整个系统温度控制要求。根据上面的理论推算可知，实际节能就可高达27.1%。因此在
14、设有风机水泵的机械中，采用变频调速的方式来调节风量或流量，在节能节电上是个有效的方法。 4. 节能的其它方法与措施 4.1 加强设计人员管理，加快推行设备工程师注册制度 暖通空调工程项目，应有较详细的冷热负荷计算书和采取了上述节能措施，目前很多设计人员都是采取了上述节能措施，且基本上都是用概算指标一再加大，使冷、热源主机长期在低负荷、低效率下。 4.2 暖通空调室内设计温度的确定 经重庆、上海、广州等地区的实践证明，夏季室内温度降低1或冬季升高1，除暖通空调工程的投资增加6，能大8外，加大室内外温差也不符合卫生学要求。舒适性空调夏季比较理想的室内温度是比室外环境温度低5-8为好。 4.3 空调
15、冷热源 中央空调能耗一般包括三部分，即（1）空调冷热源；（2）空调机组末端设;（3）水或空气输送系统。这三部分能耗中，冷热源能耗约占总能耗的一半左右，是空调节能的重要内容。如果均把各自消耗的能量折算成一次能源，则各类机组均可用单位时间内一次能源消耗能量所制取的冷量或热量进行比较，本文使用一个一次能源效率OEER(W/W)来表示。 单位从能耗角度考虑夏季制冷：离心式、螺杆式冷水机组OEER值最高，蒸气两效LiBr吸收式冷水机组OEER最小；冬季供热：螺杆式、活塞式热泵冷热水机组OEER最高，电热水机组最低，即能耗最高。 4.4 空调机组和末端设备 97年统计，国内生产风机盘管的厂家有200多个，年产量为60-80万台；空调机组也有100余有，产量在5万台左右。 4.4.1 空调机组 应该选用机组的风机风量、风压匹配合理，漏风量少，空气输送系统数教大的机组。 4.4.2 风机盘管 风机盘管从总体水平看与国外同类产品相比差不多，但与国外先进水平比较，主要差距是耗电量、
