淺議中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化運行管理

李 馴

（北京鐵路局唐山站河北唐山063000）

淺議中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化運行管理

李 馴

（北京鐵路局唐山站河北唐山063000）

中央空調(diào)系統(tǒng)的滿負荷設(shè)計與較低負荷運行工況，存在巨大的節(jié)能潛力。本文通過對唐山站空調(diào)系統(tǒng)運行中存在的溫度不均衡等問題的分析，提出了技術(shù)與管理相結(jié)合的解決辦法，充分挖掘空調(diào)系統(tǒng)使用中的潛在功能，從而達到節(jié)能降耗目的。

中央空調(diào)；優(yōu)化；運行；管理

1 問題的提出

中央空調(diào)系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，其最大冷量負荷設(shè)計，往往是按使用地的最高溫度來確定的，并且還有10%～20%的余量設(shè)計。而實際上在我國很多的地區(qū)，年氣溫最高的時間只有2個月左右，且每天的最高氣溫也只有6、7個小時，所以大多數(shù)時間中央空調(diào)系統(tǒng)都達不到滿負荷運行狀態(tài)，這就導(dǎo)致負荷過剩問題。有專家推測，目前我國的中央空調(diào)節(jié)能挖潛的空間還有近30%的余量。根據(jù)唐山站運營三年的實地調(diào)研證明，鐵路高鐵站也存在著上述問題，為此需要我們探索出一條“優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)運行管理，實現(xiàn)節(jié)能降耗”的有效途徑。

2 唐山站空調(diào)系統(tǒng)概況

唐山站建筑面積59300m2，中央空調(diào)系統(tǒng)為獨立供給方式，采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，整個新風(fēng)系統(tǒng)由新風(fēng)空調(diào)機組組成。空調(diào)工程部位為候車大廳、售票廳、貴賓室、辦公室等。其中候車大廳、售票廳等大空間場所采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)。分設(shè)東、西制冷機房和換熱機房。東側(cè)制冷機房設(shè)在地下一層，空調(diào)系統(tǒng)總冷負荷3621.9kW，設(shè)置三臺螺桿式冷水機組提供冷量，單臺制冷量為1135 kW，三臺冷凍水循環(huán)泵與冷水機組一一對應(yīng)；西側(cè)制冷機房與東側(cè)制冷設(shè)備對稱設(shè)置。采用相同型號設(shè)備對稱設(shè)在西站房地下一層，按建筑面積設(shè)計總負荷略小于東側(cè)為3154.6kW。東制冷機房冷凍水循環(huán)泵流量Q=225m3/H；西制冷機房冷凍水循環(huán)泵流量Q=196m3/H；熱交換站的一次熱媒由城市熱力供給，采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)和地板輻射相輔助的冬季采暖。地板輻射采暖負荷：1230kW；空調(diào)系統(tǒng)冬季總負荷：5465 kW；唐山站整體空調(diào)系統(tǒng)通過這兩個制冷、供熱機房提供冷、熱源，通過風(fēng)機盤管、空調(diào)機組、地板輻射采暖三個供回水回路，分別輸送到各個房間和空調(diào)機房。

唐山站空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，是按照《鐵路旅客服務(wù)質(zhì)量標準》的規(guī)定：候車室冬季18℃~20℃;夏季26℃～28℃。經(jīng)我們實際測試，有的區(qū)域溫度相差5℃。夏季為了提高制冷效能，我們?nèi)籼岣咚脫P程，但這將會更多的電能浪費。

3 空調(diào)系統(tǒng)平衡失調(diào)的原因分析

為了解決影響唐山站空調(diào)系統(tǒng)運行效能的主要問題，經(jīng)過現(xiàn)場實地調(diào)查和研究分析，匯總了以下問題：

3.1 回水壓力不平衡的影響

我們對唐山站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的回水壓力進行了專門分析，見圖1。

圖1 設(shè)置在候車室三層的4個空調(diào)機房的冷、熱供回水壓力情況

從圖1可以看出，東北角和西北角比其他的回水壓力較小?？照{(diào)機房按空間負荷設(shè)計，對稱設(shè)置在候車大廳，各臺空調(diào)機組型號相同，設(shè)計送風(fēng)溫度基本一致，在滿負荷條件下正常運行時，各空調(diào)機組供回水溫度不應(yīng)相差較大。但是經(jīng)過查閱測溫記錄和筆者在現(xiàn)場親身體驗，卻明顯地感受到溫度差別。就拿西南角空調(diào)機房來說，此區(qū)域平時候車旅客稀少，可是在三伏天卻集聚了大量旅客，原來此處溫度大大低于其他區(qū)域，甚至在空調(diào)鼓型噴口的送風(fēng)管道上出現(xiàn)結(jié)露，與之相對應(yīng)的西北角空調(diào)機房的通風(fēng)區(qū)域溫度則高出2℃～3℃，這一現(xiàn)象充分反映出該系統(tǒng)存有嚴重的水力不平衡問題。

3.2 平衡閥在不同狀態(tài)下對流量的影響

唐山站空調(diào)水系統(tǒng)在每臺空調(diào)機組的回水管上，均設(shè)置了帶比例積分功能的動態(tài)流量平衡閥，該平衡閥從流體力學(xué)的角度看，就是根據(jù)設(shè)計流量合理的分配冷凍水，使之處于系統(tǒng)的動態(tài)平衡，滿足末端負荷需求而設(shè)置的節(jié)流件。其工作原理：通過改變閥芯的過流面積，適應(yīng)閥前后的壓差變化而控制流量，實現(xiàn)真正意義上的變水量運行，使空調(diào)機組出風(fēng)溫度穩(wěn)定在一定的設(shè)計值。

流量方程式為：

式中：Cv——與流體介質(zhì)和閥門開度有關(guān)的流量系數(shù)；

A——閥芯的過流面積；

ΔP——閥前后的壓差；

Q——流經(jīng)閥門的流量。

對于一定的流體介質(zhì)，當(dāng)閥門達到某一特定的開度時，Cv可近似恒定，其流量的恒定可以通過保持來恒定，而動態(tài)流量平衡閥就是以此原理來進行的。

動態(tài)流量平衡閥組件由平衡閥、碟閥和旁通管等組成。運行中檢修平衡閥時首先關(guān)閉平衡閥兩側(cè)閥門然后打開旁通閥。正常工作狀態(tài)下旁通碟閥則處在關(guān)閉狀態(tài)，平衡閥在接收到的壓差信號指令下，通過執(zhí)行機構(gòu)完成開度調(diào)整。

圖2 平衡閥組件安裝圖

唐山站在實際運行中，由于同一環(huán)路中個別旁通閥打開而引起水流短路，出現(xiàn)了最小和最大壓差，這時平衡閥很難在特定的壓差波動范圍內(nèi)正常工作，導(dǎo)致流量失調(diào)或調(diào)整不當(dāng)現(xiàn)象發(fā)生。管道過流面積發(fā)生變化，流量不一致就會導(dǎo)致溫度不平衡，平衡閥失去了動態(tài)調(diào)整功能，就出現(xiàn)了個別區(qū)域溫度異?，F(xiàn)象。

3.3 管道流程對流量的影響

空調(diào)冷凍水介質(zhì)在管道中流程越長，沿程阻力就越大，單位時間內(nèi)流過截面積的流量就會越小。實際運用中，流量計算并非達到理想化，往往會受到管徑、流速、路程、阻力、工作狀態(tài)等因素影響。

例如候車廳內(nèi)共有12臺空調(diào)機組組成通風(fēng)回路，距離提供冷凍源的制冷機房路程不一樣，沿程阻力也出現(xiàn)差異，導(dǎo)致位于管網(wǎng)末端的壓力下降。雖然是按設(shè)計參數(shù)來確定管道的額定流量，但是12臺機組共同向18000m2的大空間供冷，很難達到一致流量。

制冷機房設(shè)置在站房南側(cè)，供水主干管道管徑均為300mm，主管道從南側(cè)接入每個空調(diào)機組。北側(cè)機組跨越72m的地下旅客通道，北側(cè)管道流程阻力增大導(dǎo)致壓力減小，形成了距離制冷機房較近的南側(cè)機組達到了設(shè)定流量，而北側(cè)的空調(diào)機組距離機房較遠或?qū)儆谀┒怂跃托∮陬~定流量。

3.4 季節(jié)轉(zhuǎn)換后流量之間變化的影響

目前空調(diào)冷水系統(tǒng)大都采用1級泵定流量系統(tǒng)，水泵容量是按冷水機組最大負荷時選定的且全年在固定的水流量下工作。當(dāng)部分空調(diào)末端停機時，水閥不能關(guān)閉，回水溫度逐漸降低，導(dǎo)致供回水間溫差減小。因季節(jié)和晝夜的不斷轉(zhuǎn)換，自然導(dǎo)致建筑物使用功能的不同，實際上空調(diào)負荷在一年中的絕大部分時間內(nèi)遠比設(shè)計負荷低，全年約有60%的時間實際運行負荷是在設(shè)計負荷的50%～70%以下運行，而冷水流量不變情況下，供回水間溫差由設(shè)計的5℃～7℃降為0.5℃～1.0℃，也就是系統(tǒng)在大流量小溫差狀況下運行，導(dǎo)致了水泵運行的輸送能量浪費，且增加了管路系統(tǒng)的冷熱量流失。從中央空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程可看出，夏季室內(nèi)溫度越低、相對濕度愈低，系統(tǒng)設(shè)備耗能愈大；冬季室內(nèi)溫度越高、相對濕度愈高，系統(tǒng)設(shè)備耗能愈大，相應(yīng)地運行耗能也隨之增大。在舒適溫度范圍內(nèi)，夏季降溫時，取較高的溫濕度值；冬季采暖時，取較低的溫濕度值，可獲得一定的節(jié)能效果。

4 優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)運行的措施

4.1 設(shè)置制冷主機的節(jié)能運行

在空調(diào)系統(tǒng)運行中，主機能耗占總能耗60%以上，是整個系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。因為空調(diào)系統(tǒng)主機是按最大負荷進行設(shè)計的，而空調(diào)系統(tǒng)對每個具體工況而言，都有一條最佳的特性曲線，滿足這條曲線工作，主機效率最高、能耗最小。為了控制主機盡量滿足其特性曲線，達到節(jié)能的目的，唐山站選擇了集成化的BAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合車站的建筑特點及先進的控制和管理要求。例如：夜間循環(huán)程序分別設(shè)定低溫極限和高溫極限。在涼爽季節(jié)，夜間候車旅客稀少時只送新風(fēng)，以節(jié)約能耗。同時，按采樣溫度決定室內(nèi)溫度，實現(xiàn)加熱循環(huán)或冷卻循環(huán)控制。

4.2 做好動態(tài)流量平衡管理

一般空調(diào)水系統(tǒng)的輸配用電，在夏季供冷期內(nèi)約占12%～24%，冬季供暖期間約占整個建筑動力的20%～25%。所以說空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能空間比較大。為了減少水泵能耗，可從以下著手。

（1）盡量減少閥門、過濾器的阻力。閥門是調(diào)節(jié)管路阻力特性的主要部件，因閥門阻力會增加水泵的揚程和電耗，應(yīng)盡量避免使用閥門調(diào)節(jié)阻力的方法。

（2）合理設(shè)定流量。水流量與水泵電耗是有一定比例的。空調(diào)系統(tǒng)中水流量是由空調(diào)冷熱負荷和空調(diào)供回水溫差決定的，供回水溫差越大，空調(diào)水流量越小，水泵電耗越小。

（3）提高水泵效率。水泵效率是指電動機軸功率被流體利用的程度。水泵的效率隨水泵工作狀態(tài)點的不同從零到最大效率變化。在輸出功率相同的條件下，如果水泵的效率降低，水泵的能耗也會增大。

4.3 合理使用新風(fēng)系統(tǒng)

在滿足站房室溫要求的同時實現(xiàn)節(jié)能，必須合理使用新風(fēng)系統(tǒng)。

（1）科學(xué)控制新風(fēng)閥。冬、夏季室內(nèi)外溫差較大，在進站口進行室內(nèi)預(yù)冷預(yù)熱時，將新風(fēng)閥全部關(guān)閉，在保證旅客舒適性的前提下，選擇最佳啟動時間；而在春、秋過渡季節(jié)，由于新風(fēng)溫度適宜，不需預(yù)冷預(yù)熱，切斷新風(fēng)閥后反而會增加負荷。

（2）合理設(shè)置設(shè)定參數(shù)。冬、夏季科學(xué)合理設(shè)定室內(nèi)溫度值，也可根據(jù)氣候變化適時調(diào)整設(shè)備。合理的空調(diào)設(shè)計與控制系統(tǒng)完美結(jié)合，能有效實現(xiàn)節(jié)能降耗。

（3）減少制冷機運行周期。采用全年多工況控制方式，在過渡季節(jié)加大新風(fēng)的利用，縮短制冷機開啟周期，降低耗電量。由于新風(fēng)溫度低于送風(fēng)溫度，在室內(nèi)溫度升高情況下，可采用適當(dāng)開啟新風(fēng)機組來降低溫度，從而縮短制冷系統(tǒng)的開啟周期。

（4）利用室外自然風(fēng)源。當(dāng)室外空氣的焓值和溫度低于室內(nèi)時，在供冷期內(nèi)就可以利用室外風(fēng)所帶有的自然冷量來全部或部分滿足室內(nèi)冷負荷的需要。在過渡季節(jié)全部打開候車室兩側(cè)及東、西站房前廳的通風(fēng)排煙窗，利用室外新風(fēng)的天然冷源降溫。既改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)，又節(jié)約了制冷系統(tǒng)在過渡季節(jié)所耗費的電能。

（5）科學(xué)設(shè)定開啟模式。目前,唐山站通風(fēng)窗的開啟模式有：中控室BAS遠程控制、就地手動控制，隔窗開啟、區(qū)域開啟等模式。開窗調(diào)節(jié)最大開度為80%，最小開度為20%。

4.4 加強硬件設(shè)備的維護保養(yǎng)

定期做好對空調(diào)設(shè)備的檢修和維護保養(yǎng)工作，也是確?？照{(diào)設(shè)備正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在日常檢修保養(yǎng)中，我們總結(jié)出了聞、聽、看、摸、查“五字法”。

（1）聞：巡檢時通過嗅覺辨別空氣中，是否有高速旋轉(zhuǎn)的軸承可能因缺少潤滑油“干研”而散發(fā)出的特殊氣味，是否有電機漆包線、電源線發(fā)出的異常氣味等，根據(jù)各種味道快速準確地判斷出故障所在。

（2）聽：在機房內(nèi)的嘈雜聲中，判斷出各種異常聲音。比如：螺栓松動、金屬開焊、斷裂而產(chǎn)生的共振，軟連接風(fēng)管出現(xiàn)破洞發(fā)出的呼嘯聲等。還可借助螺絲刀頂在需要檢查的部位，通過刀柄將聲音傳到耳膜，根據(jù)不同的頻率來判斷設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（3）看：觀察設(shè)備是否有異樣、挪位，電機軸承是否有因高溫缺油產(chǎn)生“烤藍”現(xiàn)象，電機附近的物品是否有烤焦、烤糊現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就應(yīng)立即采取緊急措施。

（4）摸：用手感直接檢查可疑部件。摸的時候要特別注意安全，防止高溫燙手。還有摸電機或帶電原件時一定要用手背去觸摸，萬一有漏電由于條件反射手會很快抽回來，有效地防止觸電事故。

（5）查：主要查每次檢修和日常巡視記錄，查設(shè)備明細、規(guī)格、數(shù)據(jù)等，是否符合原設(shè)計要求，查上一次發(fā)現(xiàn)問題處理后的使用效果。

5 結(jié)語

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后的空調(diào)系統(tǒng)，在實際驗證后，全部符合有關(guān)設(shè)計規(guī)范標準，空調(diào)系統(tǒng)運行能耗明顯下降。唐山站的空調(diào)總耗電量由2014年的400×104kW·h，下降到2015年的336×104kW·h,節(jié)約用電64×104kW·h，節(jié)約運營成本61.12萬元。

[1]呂喆安,薛猋,索東盛.空氣調(diào)節(jié)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用.天津:資源節(jié)約與環(huán)保,2014,11:79.

[2]李云勝,張亞平,張傳志.醫(yī)院高層建筑的暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)分析.天津:資源節(jié)約與環(huán)保,2014,10:77.

李馴（1965—），男，河北唐山，唐山站辦公室專職節(jié)能工程師，從事節(jié)能工作10多年，在唐山市和北京鐵路局多次交流經(jīng)驗。