溫州站房空調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

劉 杰

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司， 北京 100040)

近幾年來(lái),隨著我國(guó)空調(diào)業(yè)迅速發(fā)展和空調(diào)的普遍使用,其能耗占我國(guó)總能耗的比重日益增大,并成為我國(guó)部分地區(qū)能源及電力供需矛盾的主要原因之一。2009年夏天出現(xiàn)幾十年來(lái)罕見(jiàn)的炎熱天氣,使空調(diào)耗電量激增,許多大中城市電力供應(yīng)緊張 甚至出現(xiàn)了 “拉閘限電”的局面。因此,如何改善和提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率,減少能耗,已成為我國(guó)空調(diào)業(yè)發(fā)展一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

正常運(yùn)行的一般空調(diào)系統(tǒng),其耗能主要有兩個(gè)方面：一方面是為了供給空氣處理設(shè)備冷量和熱量的冷 (熱)源耗能；另一方面是為了輸送空氣和水,風(fēng)機(jī)和水泵克服流動(dòng)阻力所需的電能 (稱(chēng)動(dòng)力耗能)?？照{(diào)系統(tǒng)所耗能量受許多因素影響,空調(diào)耗能的許多環(huán)節(jié)都有節(jié)能潛力。

為解決以上問(wèn)題,溫州站房工程在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工中采用了大量新技術(shù),以達(dá)到節(jié)能的效果,現(xiàn)將該站房空調(diào)系統(tǒng)所采用的節(jié)能技術(shù)介紹如下。

1 空調(diào)冷熱水二次循環(huán)泵進(jìn)行流量變頻控制

1.1 應(yīng)用概況

為減少設(shè)備運(yùn)行成本,充分利用國(guó)家的電力優(yōu)惠政策和緩解電力緊缺現(xiàn)狀,本工程在空調(diào)冷熱水二次水系統(tǒng)中應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

變頻調(diào)速技術(shù)日趨成熟,與其他調(diào)速技術(shù)相比,有以下特點(diǎn):

(1)調(diào)速效率高：在頻率發(fā)生變化后,電動(dòng)機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行,基本保持額定轉(zhuǎn)速差,轉(zhuǎn)速損失不增加。

(2)調(diào)速范圍大：變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1%～100%,并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的調(diào)速效率,當(dāng)調(diào)速范圍小于30%時(shí),變頻器效率可達(dá)90%。所以變頻調(diào)速方式尤其適合于調(diào)速范圍寬,經(jīng)常處于低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的設(shè)備。

(3)可連續(xù)調(diào)速：選擇最佳運(yùn)轉(zhuǎn)速度,可實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng),平滑調(diào)速。

(4)啟動(dòng)電流?。鹤罡咚俣炔皇茈娫从绊?電動(dòng)機(jī)可以高速化、小型化。

(5)調(diào)速改造方便：對(duì)原有電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造,不必更換電動(dòng)機(jī)。

(6)主電路仍可直接供電：當(dāng)變頻裝置發(fā)生故障時(shí),可以退出運(yùn)行,改由主電路直接供電,不影響泵的繼續(xù)運(yùn)行。

(7).變頻裝置可兼作啟動(dòng)設(shè)備：通過(guò)變頻電源將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到某一轉(zhuǎn)速,再斷開(kāi)變頻電源,由工頻電源把電動(dòng)機(jī)加速到全速。

1.3 工藝原理

在中央空調(diào)系統(tǒng)中,環(huán)境溫度的變化、人員的流動(dòng)、設(shè)備發(fā)熱、冷風(fēng)滲透等,這些變化會(huì)引起房間冷熱負(fù)荷的變化,導(dǎo)致空調(diào)末端設(shè)備負(fù)荷的變化。通常情況下,可通過(guò)變溫度或者變流量技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。本工程在空調(diào)二次水系統(tǒng)中采用了變流量技術(shù)?？照{(diào)冷熱水二次水循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng),當(dāng)末端負(fù)荷減少時(shí),需要減少系統(tǒng)流量。雖然可以通過(guò)關(guān)閉水泵來(lái)達(dá)到這一效果,但是頻繁的開(kāi)關(guān)水泵不僅會(huì)造成能源的浪費(fèi),同時(shí)減少水泵的使用壽命,可通過(guò)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到上述目的。

空調(diào)冷熱水二次水循環(huán)泵的工作原理是：安裝在空調(diào)冷熱水二次水系統(tǒng)回水干管上的溫度傳感器感受到回水溫度點(diǎn)的溫度值后,反饋回變頻控制柜,與給定溫度比較后,控制變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使水泵流量隨之變化。夏季制冷時(shí),當(dāng)回水溫度高于給定溫度值時(shí),供電頻率增加,電機(jī)轉(zhuǎn)速提高,水泵流量增加；反之,流量減少。冬季供暖時(shí),當(dāng)回水溫度低于給定溫度值時(shí),供電頻率增加,電機(jī)轉(zhuǎn)速提高,水泵流量增加；反之,流量減少。這樣,可通過(guò)變頻器改變交流電的頻率使水泵達(dá)到不同的流量,降低電機(jī)功耗,從而達(dá)到節(jié)能目的。另外，還使電機(jī)的間歇運(yùn)行變?yōu)檫B續(xù)運(yùn)行,避免頻繁起動(dòng)造成電壓波動(dòng),也可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)?？照{(diào)冷熱水二次水流量變頻控制技術(shù)配合空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)自控,既提高了使用的舒適性,又防止因超溫和不合理運(yùn)行造成的浪費(fèi)。

2 空調(diào)(制冷、熱)系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)

該工程對(duì)冷(熱)源系統(tǒng)和各空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制、季節(jié)工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換、能量計(jì)量及中央監(jiān)控、打印與管理，采用直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和冷(熱)源系統(tǒng)進(jìn)行全面的調(diào)控,包括回風(fēng)量的調(diào)節(jié),以達(dá)到最佳節(jié)能效果。同時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)檢測(cè)空氣中CO2濃度,對(duì)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)新風(fēng)比例,達(dá)到最佳舒適程度。

3 空氣源熱泵機(jī)組

3.1 應(yīng)用概況

根據(jù)本工程所處的地理位置和能源供應(yīng)狀況及今后的使用功能,綜合考慮空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)、節(jié)能和方便業(yè)主管理,選用8臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組作為冷熱源。地方部分空調(diào)主機(jī)采用2臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組,夏季總負(fù)荷為 677 kW,冬季總負(fù)荷為477 kW。鐵路站房部分空調(diào)主機(jī)采用5臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組,夏季總負(fù)荷為4 339 kW,冬季總負(fù)荷為3 201 kW?？照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)采用定風(fēng)量全空氣系統(tǒng),冬夏二季給予舒適性空調(diào),并保證室內(nèi)空氣清新,同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的廢氣、廢熱、廢濕、異味及有害氣體進(jìn)行通風(fēng)；空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用二管制閉式系統(tǒng)(如圖1、圖2所示)。

圖1 空氣源熱泵機(jī)組(一)

圖2 空氣源熱泵機(jī)組(二)

3.2 工作原理

空氣源熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來(lái)的一種節(jié)能、環(huán)保制熱技術(shù)?？諝庠礋岜檬抢迷O(shè)備內(nèi)的吸熱介質(zhì)(冷媒)從空氣中采集熱能,并通過(guò)熱交換器使冷水迅速提溫,同時(shí)排放出冷氣，避免了傳統(tǒng)太陽(yáng)能產(chǎn)品在陰雨天氣、夜晚不能工作的缺陷,只要外界溫度在-15℃以上就能正常工作,故能更加高效、環(huán)保節(jié)能,整個(gè)系統(tǒng)集熱效率甚高。

3.3 性能特點(diǎn)

空氣源熱泵冷熱水機(jī)組有如下特點(diǎn)：

(1)空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一,且置于室外,不需要設(shè)專(zhuān)門(mén)的冷凍機(jī)房、鍋爐房,也省去了煙囪和冷卻水管道所占有的建筑空間。對(duì)于寸土寸金的城市繁華地段的建筑,或無(wú)條件設(shè)鍋爐房的建筑,空氣源熱泵冷熱水機(jī)組無(wú)疑是一個(gè)比較合適的選擇。

(2)無(wú)冷卻水系統(tǒng),無(wú)冷卻水系統(tǒng)動(dòng)力消耗,無(wú)冷卻水損耗?？照{(diào)系統(tǒng)如采用水冷式冷水機(jī)組,自來(lái)水的損失不僅有蒸發(fā)損失、漂水損失，還有排污損失、冬季防凍排水損失,夏季啟用時(shí)的系統(tǒng)沖洗損失、化學(xué)清洗稀釋損失等,所有這些損失總和約折合冷卻水循環(huán)水量的2%～5%。另外,相當(dāng)一部分工程在部分負(fù)荷情況下冷卻水循環(huán)量保持不變，或根據(jù)主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù),只作相應(yīng)的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)。

(3)由于無(wú)鍋爐，無(wú)相應(yīng)的燃料供應(yīng)系統(tǒng),無(wú)煙氣,無(wú)冷卻水,系統(tǒng)安全、衛(wèi)生、簡(jiǎn)潔。對(duì)于暖通專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō),鍋爐房最有可能存在安全隱患。另外,冷卻水污染形成的軍團(tuán)菌感染的病例已有不少報(bào)道,從安全衛(wèi)生的角度,空氣源熱泵具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(4)系統(tǒng)設(shè)備少而集中,操作、維護(hù)管理簡(jiǎn)單方便。一些小型系統(tǒng)可以做到通過(guò)室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的啟停控制熱泵機(jī)組的開(kāi)關(guān)。

(5)單機(jī)容量從3RT至400RT, 規(guī)格齊全,工程適應(yīng)性強(qiáng),利于系統(tǒng)細(xì)化劃分,可分層、分塊、分用戶(hù)單元獨(dú)立設(shè)置系統(tǒng)等。

3.4 節(jié)能原理及效果

制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)均屬逆向循環(huán)。在逆向循環(huán)過(guò)程中,工質(zhì)完成一個(gè)循環(huán)后,仍回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài),因而工質(zhì)的內(nèi)能沒(méi)有變化,衡量逆向循環(huán)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)用制冷系數(shù)和供熱系數(shù)(即成績(jī)系數(shù)COP)表示。

(1)∑c=Q0/W0=T0/(Tk-T0)

(2)∑H,P=Qk/W0=TK/(Tk-T0)=(Q0W0)/W0=∑c1

(3)∑cH,P=(Q0Qk)/W0=(T0Tk)/(TkT0)=2∑c1

式中 ∑c,∑H,P(COP),∑cH,P——制冷系數(shù),供熱系數(shù)和制冷供熱系數(shù)；

Q0,Qk——制冷量和供熱量/kW；

W0——消耗的機(jī)械功/kW。

(1)因?yàn)門(mén)k總是大于T0,TK總是大于(Tk-T0),所以∑H,P總是大于1?？梢?jiàn),熱泵供熱具有的經(jīng)濟(jì)性。

(2)∑H,P只決定于TK和T0,而且∑H,P隨著低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩粗g的溫差減少而提高,也即,高低溫?zé)嵩撮g的溫差減少,熱泵運(yùn)行所消耗的功量(機(jī)械功或電力)越小。因此,熱泵的經(jīng)濟(jì)性,亦應(yīng)注意高低溫?zé)嵩吹臏夭睢?/p>

(3)若同時(shí)利用QK和Q0,則更為理想。即將QK傳給高溫?zé)嵩醋鳛楣嵊?同時(shí)又利用Q0的情況制冷?；蛘哂猛慌_(tái)熱泵,在冬季從周?chē)匀画h(huán)境(如大氣或水)中提取熱量,用于建筑物的空調(diào)供熱。

由此可見(jiàn),熱泵雖然消耗機(jī)械功或電能,但運(yùn)行時(shí),不是直接將機(jī)械功(或電能)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄?lái)利用,而是借助于消耗機(jī)械功從大氣等熱能或室內(nèi)余熱連同熱泵本身所消耗的機(jī)械功一起,對(duì)溫度為T(mén)K的熱源供熱,從而有效地把難以直接應(yīng)用的低品位熱能利用起來(lái),達(dá)到節(jié)能的目的。所以,熱泵是一種充分利用低品位能的高效節(jié)能裝置。工程上,實(shí)際熱泵的供熱系數(shù)約在3～6之間,約為逆卡諾循環(huán)供熱系數(shù)的50%～60%左右。所獲得的熱量相當(dāng)于所消耗功率的2～5倍。

3.5 應(yīng)用前景

中國(guó)GDP占世界GDP比重大約為4%,卻消耗了相當(dāng)于全球總產(chǎn)量30%的主要能源和原材料,由此也帶來(lái)煤、電、油等原材料全面緊張。建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前的空調(diào)與熱泵節(jié)能技術(shù)熱點(diǎn)問(wèn)題。中國(guó)傳統(tǒng)的高投入、高消耗、重污染、低產(chǎn)出的發(fā)展模式已受到了相關(guān)部門(mén)的高度重視,為此國(guó)家頒布了一系列節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),要求新建筑嚴(yán)格實(shí)施節(jié)能50%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

空氣源熱泵機(jī)組利用大自然中蘊(yùn)藏著的大量較低溫度的環(huán)境低品位空氣熱源,可以取之不盡,用之不竭,處處都有且無(wú)償獲取,為建筑物供熱大大降低一次能源的消耗,對(duì)于節(jié)能具有非常重要的意義,是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了溫州站房工程空調(diào)系統(tǒng)幾個(gè)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)如何改善與提高空調(diào)系統(tǒng)工作效率和減少能耗進(jìn)行了探討。在空調(diào)業(yè)發(fā)展的道路上,節(jié)能已成為空調(diào)設(shè)計(jì)的基本課題和方向之一?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及管理人員在工程實(shí)踐中應(yīng)提高節(jié)能意識(shí),將各種節(jié)能措施合理運(yùn)用,綜合分析各種影響因素,選擇經(jīng)濟(jì)合理的節(jié)能方案。

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