基于能效測試的中央空調(diào)節(jié)能診斷方法研究

胡寶華，邱澤晶，丁 勝，鄭 鑫

(南瑞(武漢)電氣設(shè)備與工程能效測評中心，湖北 武漢 430073)

0 引言

中央空調(diào)作為公共建筑的主要能耗來源，節(jié)能診斷是確保其正常工作、降低能耗的重要手段［1－4］，然而由于中央空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，其運行管理以及節(jié)能診斷工作對從業(yè)人員提出了較高的要求。

目前，在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能診斷研究中，普遍采用的方法有:

(1)通過大量的數(shù)據(jù)調(diào)研［5－7］，分析空調(diào)系統(tǒng)普遍存在的問題;

(2)采用理論分析方法［8－10］，充分考慮空調(diào)系統(tǒng)的各個影響因素;

(3)結(jié)合模擬軟件分析［11－13］，尋找節(jié)能潛力的空間。

上述方法存在的問題有:

(1)沒有明確的診斷體系指導(dǎo)節(jié)能診斷的出發(fā)點、流程和重點，導(dǎo)致很多檢測工作具有一定的盲目性;

(2)診斷方案存在很多不可操作性;

(3)缺乏對空調(diào)實際運行工況的真實反映。

本文從實際工程經(jīng)驗出發(fā)，提出基于現(xiàn)場能效測試的節(jié)能診斷方法。該方法能快速檢測及判斷空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的能源使用水平，通過對標(biāo)診斷及影響因素分析，找出問題所在，給出節(jié)能改造的建議。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)存在的能耗問題

公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)主要存在以下方面的問題:

(1)很多大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)由于年久失修，可能會出現(xiàn)冷水機組能效降低和冷凍、冷卻水泵效率的下降，冷卻塔調(diào)料破損或缺乏清洗導(dǎo)致散熱能力嚴(yán)重下降，截止閥關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致冷水出現(xiàn)短路等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都嚴(yán)重影響著冷源系統(tǒng)的整體能效，導(dǎo)致冷源系統(tǒng)能耗升高;

(2)空調(diào)系統(tǒng)常采用定水量運行方式，設(shè)計時水流量按最大冷負(fù)荷和5℃的供回水溫差確定，但在全年運行中最大負(fù)荷出現(xiàn)的時間很少，絕大部分時間在部分負(fù)荷下運行，因此普遍存在“大流量小溫差”的問題;

(3)部分中央空調(diào)系統(tǒng)的控制由人工完成，對于面積較大的商業(yè)建筑，可能有上百臺空調(diào)箱、新風(fēng)機組，運行管理人員沒有足夠的精力去實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行與控制管理;

(4)某些公共建筑領(lǐng)域在滿足供冷的條件下還有供熱水的需求，而中央空調(diào)系統(tǒng)在制冷工況下，壓縮機工作過程中會排放大量的廢熱，被白白浪費。若加以回收利用，不僅能節(jié)省其他能源，也能提高機組的運行效率。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)的能效測試

針對上述問題，本文提出一種快速檢測空調(diào)運行狀況的能效測試方法。

空調(diào)系統(tǒng)的能效測試按照《蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組第1 部份:工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機組》GB/T18430．1 －2007、《容積式和離心式冷水(熱泵)機組性能試驗方法》GB/T10870 －2001 等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。需要測試?yán)鋬鏊髁亢凸┗厮疁囟取嚎s機電壓電流值等，從而確定典型工況下冷機運行的性能系數(shù)。

水泵的能效測試按照《泵類及液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》GB/T16666 －1996、《泵類系統(tǒng)電能平衡的測試與計算方法》GB/T 13468 －1992 等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。需要測試水泵進出口流量、壓力、高度差及電功率等，從而確定電動機負(fù)載率和水泵運行效率。電動機負(fù)載率的測試計算按《三相異步電動機經(jīng)濟運行》GB/T 12497 －2006 的有關(guān)規(guī)定進行。

3 中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能診斷

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備效率指標(biāo)充分體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計、運行控制的水平，受建筑使用狀況的影響很小，可作為用能水平的一項評估依據(jù)。不僅如此，將實測指標(biāo)與參考值進行對比，還能清晰地反映空調(diào)系統(tǒng)各類設(shè)備節(jié)能潛力的大小，為深入進行節(jié)能診斷和改造指明方向。

3．1 制冷機組性能系數(shù)

計算表達式為

式中

Qc——機組提供的制冷量/kW;

cp——水的定 壓 比 熱/kJ·kg－1·℃－1，可 取

cp=4．186 kJ/kg·℃;

G——冷凍水流量/m3·s－1;

△t——冷凍水供回水溫差/℃;

Nc——冷水機組輸入功率/kW。

根據(jù)《冷水機組能效限定值及能源效率等級》GB19577 － 2004 和《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189 －2005 中的規(guī)定，利用電能驅(qū)動蒸汽壓縮循環(huán)的冷水(熱泵)機組，在額定制冷工況和規(guī)定條件下，性能系數(shù)COP 不應(yīng)低于表1 中的限值規(guī)定。

表1 冷水(熱泵)機組性能系數(shù)

3．2 水泵運行效率

計算表達式為

式中 pe——水泵的有效功率/kW;

Np——水泵的軸功率/kW;

pin、pout——水泵進、出口壓力/Pa;

ΔZ——水泵進出口壓力表高度差/m;

Q——液體平均流量/m3·s－1;

Vin、Vout——水泵進、出口處液體流速/m·s－1。

根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)及經(jīng)濟運行》GB/T17981 －2000，水泵運行效率的推薦值為60%至水泵額定效率的0．85 倍范圍內(nèi)。按照《泵類及液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》GB/T16666 －1996，電動機負(fù)載率應(yīng)大于40%，水泵類及效率和泵類及液體輸送系統(tǒng)效率合格指標(biāo)見表2。水泵運行效率偏低說明有可能水泵性能發(fā)生了變化或與水系統(tǒng)阻力特性不匹配，應(yīng)及時進行調(diào)整或更換。

表2 水泵類及效率和泵類及液體輸送系統(tǒng)效率合格指標(biāo)

3．3 冷凍水供回水溫差

空調(diào)系統(tǒng)的水流量是由空調(diào)冷負(fù)荷和空調(diào)水供回水溫差決定的，空調(diào)水供回水溫差越大，空調(diào)水流量越小，從而水泵的耗電量越小。但是空調(diào)水流量減少，流經(jīng)制冷機的蒸發(fā)器時流速降低，引起換熱系數(shù)降低，需要的換熱面積增大，金屬耗量增大。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，空調(diào)冷凍水的供回水溫差4 ～6℃較為合理，大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)按照5℃的供回水溫差工況設(shè)計。

3．4 制冷壓縮機排氣溫度

空調(diào)在制冷過程中會排放大量的廢熱。若廢熱的數(shù)量相對較大，排放較集中，且在相當(dāng)長的時間內(nèi)較穩(wěn)定，可根據(jù)實際需求，開展空調(diào)余熱回收節(jié)能改造。

4 中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造建議

中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施包括減少冷負(fù)荷、提高制冷機組效率、減少水系統(tǒng)泵機的電耗、使用智能控制系統(tǒng)、中央空調(diào)余熱回收等。本文根據(jù)能效檢測的結(jié)論，給出節(jié)能改造的建議:

(1)提高制冷機組效率

結(jié)合運行記錄分析，計算整個供冷季主機運行效率，判定機組是否高效運行，分析冷凍機制冷能力衰減情況。比如冷卻塔的冷卻效果變差、輸水系統(tǒng)設(shè)計不合理或運行控制管理不科學(xué)等原因，都可能導(dǎo)致空調(diào)能效水平較低。

(2)減少水泵的電耗

空調(diào)水泵的耗電量占空調(diào)系統(tǒng)耗電量的15% ～30%。在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機的容量是按照建筑物最大設(shè)計熱負(fù)荷選定的，且留有10% ～15%的余量，在一年四季中，系統(tǒng)長期在固定的最大水流量下工作。由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，空調(diào)實際的熱負(fù)荷在絕大部分時間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計負(fù)載低。一年中負(fù)載率在50%以下的運行小時數(shù)約占全部運行時間的50%以上。當(dāng)空調(diào)冷負(fù)荷發(fā)生變化時，所需空調(diào)循環(huán)水量也應(yīng)隨負(fù)荷相應(yīng)變化。所以采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)水泵的流量，可大幅度降低水系統(tǒng)能耗。

(3)合理調(diào)節(jié)供回水溫差

空調(diào)循環(huán)水泵的耗電量跟流量的3 次方成正比，實際工程中有很多空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫差只有2 ～3℃，如果將供回水溫差提高到5℃，水流量將減少到原來的50%左右，所以如果水流量減少50%，水泵耗電量將減少87．5%，節(jié)能效果明顯。

通過接收到的測定好的供水管路中的供水溫度信號值、回水管路中的回水溫度信號值，并對回水溫度信號值、供水溫度信號值的差值與溫差設(shè)定值進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果以及預(yù)先設(shè)定的條件調(diào)節(jié)設(shè)置在回水管路上的比例調(diào)節(jié)閥的開度。

(4)中央空調(diào)余熱回收

壓縮機工作過程中會排放大量的廢熱，采用中央空調(diào)余熱回收技術(shù)，在制冷的同時可免費生產(chǎn)溫度為50 ～60℃熱水，減少了鍋爐的運行時間。同時，由于部分余熱回收利用，從而降低了冷凝溫度，使空調(diào)主機負(fù)荷減少，配合使用泵組變頻系統(tǒng)，降低水泵和冷卻塔的能耗，可使中央空調(diào)機組效率提高5% ～10%。

5 結(jié)論

中央空調(diào)系統(tǒng)是一種多參量非常復(fù)雜的一個系統(tǒng)，即當(dāng)氣溫、末端負(fù)荷發(fā)生改變時，系統(tǒng)溫度、溫差、壓力、壓差、流量、制冷機組性能系數(shù)等均會發(fā)生改變。在實際工作中，可采用多種節(jié)能診斷技術(shù)，對空調(diào)系統(tǒng)開展節(jié)能潛力分析。節(jié)能改造方案的產(chǎn)生除考慮技術(shù)上可行外，還需要進行投資效益分析，這樣才能使空調(diào)節(jié)能工作更有意義。

［1］馬明明．公共建筑空調(diào)系統(tǒng)改造與節(jié)能潛力的研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2007．

［2］呂文娟，陳樂，陳正時．青藏±400 kV 格爾木換流站建筑節(jié)能及防風(fēng)沙研究［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(2):40 －43．

［3］文韜．空調(diào)工程運行能效檢測理論與方法［D］． 重慶:重慶大學(xué)，2008．

［4］鄧玲慧，王志新，沈劍鳴，等． 智能配電技術(shù)及其應(yīng)用［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(3):10 －15．

［5］王鑫，魏慶芃，江億．基于能耗數(shù)據(jù)和指標(biāo)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能診斷方法及應(yīng)用［J］． 暖通空調(diào)，2010，40(8):22 －24．

［6］李玉云，張春枝，曾省稚．武漢市公共建筑集中空調(diào)系統(tǒng)能耗分析［J］．暖通空調(diào)，2002，32(4):85 －87．

［7］周孝清，劉芳，陳偉青，等． 廣州公共建筑能耗調(diào)查及研究［J］．建筑科學(xué)，2007(12):76 －80．

［8］段小榮．空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔性能分析與診斷研究［D］．長沙:湖南大學(xué)，2011．

［9］Cui J T，Wang S W． Amodel －based on line fault detection and diagnosis strategy for centrifugalchiller systems［J］．International Journal of Thermal Sciences，2005，44(10):986 －999．

［10］周輝．辦公建筑空調(diào)能耗指標(biāo)的研究［D］．上海:同濟大學(xué)．

［11］唐娟，魏兵，石舒?。?基于Matlab/Simulink 的某空調(diào)系統(tǒng)能耗仿真分析［J］．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2010，29(2):53 －57．

［12］劉洋．基于TRNSYS 的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化仿真研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2013．

［13］Yu F W，Chan K T． Optimization of water －cooled chiller system with load－based speed control［J］．Applied Energy，2008，85(10):931 －950．