中央空調(diào)末端設(shè)備變頻節(jié)能效果預(yù)測與分析

鄧 翔，薛 雪

（深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 前言

中央空調(diào)系統(tǒng)在創(chuàng)造舒適的室內(nèi)人工環(huán)境時，也消耗了大量的能源。據(jù)統(tǒng)計，大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)全年能耗可占建筑總能耗一半以上[1]。大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)通常設(shè)計負荷選取偏大，造成系統(tǒng)實際運行能效比偏低，導(dǎo)致能源浪費[2]。在中央空調(diào)實際運行中，可以通過采用中央空調(diào)節(jié)能運行控制技術(shù)，提高中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)運行效率，降低能源消耗量。

本文作者以深圳某在建的大型辦公建筑為研究對象，預(yù)測其中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻節(jié)能技術(shù)運行時的全年負載率情況，并對其中央空調(diào)末端冷量輸送能效指標進行考核分析。

1 中央空調(diào)末端設(shè)備變頻原理

中央空調(diào)末端風(fēng)機、水泵類設(shè)備具有流量與軸功率成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比的負載特性[3]。利用該特性，調(diào)節(jié)電機電源的頻率可以改變電機的轉(zhuǎn)速，進而改變風(fēng)機、水泵的流量和軸功率。中央空調(diào)系統(tǒng)實際使用中大部分時間都是在非滿載的狀態(tài)下工作[4-5]。因此，通過風(fēng)機、水泵的降頻運行，可以達到節(jié)能目的。

中央空調(diào)末端設(shè)備變頻主要通過PID控制實現(xiàn)。被控量的檢測信號（傳感器測得的壓力、溫度等值）反饋到變頻器后與設(shè)定值比較，并根據(jù)兩者的差值輸出指令調(diào)整電機頻率，直至達到預(yù)定控制目標。

2 案例概況

2.1 建筑及其中央空調(diào)系統(tǒng)

該文選取的案例建筑位于深圳市南山區(qū)，共45層，單層層高4.5 m。大樓的空調(diào)冷源為4臺2 800 kW磁懸浮冷水機組，采用主機變流量，冷凍水泵變流量，末端變流量?？照{(diào)系統(tǒng)部分設(shè)備例如轉(zhuǎn)輪熱回收新風(fēng)機組為恒功率負載。

2.2 中央空調(diào)末端設(shè)備設(shè)計及節(jié)能目標

大樓采用空調(diào)末端冷量輸送能效指標E（單位為kW/t）作為評價空調(diào)末端系統(tǒng)的節(jié)能指標?？照{(diào)末端冷量輸送能效指標E定義為：

其中，COP為空調(diào)系統(tǒng)末端能效比，其定義為：

其中，Q為機組實際制冷量；W為空調(diào)末端設(shè)備實際運行總功率。

根據(jù)大樓的節(jié)能設(shè)計要求，中央空調(diào)系統(tǒng)末端冷量輸送能效指標不大于0.2 kW/t。

3 中央空調(diào)末端系統(tǒng)節(jié)能分析

3.1 全年逐時冷負荷預(yù)測

大樓冷負荷采用DeST軟件進行模擬評估。依據(jù)大樓的實際設(shè)計建造情況，模型主要參數(shù)設(shè)定如下：

（1）室外氣象數(shù)據(jù)采用深圳市典型氣象年模型。

（2）大樓方位、面積、維護結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)由大樓施工圖獲得。

（3）夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度為（24±1）°C，相對濕度（50±10）%；不考慮冬季采暖。

（4）大樓每層的功能分區(qū)設(shè)定如圖1所示。辦公區(qū)和非辦公區(qū)由門連接，兩區(qū)域之間通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)為5次/h。辦公區(qū)與外部進行滲透通風(fēng)，換氣次數(shù)為0.2次/h。

圖1 大樓功能分區(qū)

（5）大樓辦公時間為工作日08:30—17:30，空調(diào)提前半小時開啟并延后半小時關(guān)閉，故空調(diào)系統(tǒng)實際運行時間為工作日08:00—18:00。國家規(guī)定的法定節(jié)假日空調(diào)系統(tǒng)不運行。

在DeST中建立的大樓模型如圖2所示。

圖2 大樓建模

大樓的全年逐時冷負荷模擬結(jié)果如圖3所示。大樓的全年冷負荷需求量峰值出現(xiàn)在6～9月份（3 625～6 652 h），逐時總冷負荷峰值主要在6 000～9 000 kW之間。全年的最大逐時冷負荷值約為11 400 kW。

圖3 大樓全年逐時冷負荷

3.2 冷水機組制冷量與負荷匹配分析

大樓冷負荷需求處于變動中，冷水機組需根據(jù)實際情況選擇開啟臺數(shù)。由于冷水機組處于高負載率運行時，冷水機組COP值相對較低，費效比偏高[6]。故若單臺冷水機負載率高于90%時，若仍有空閑冷水機組，則額外開啟一臺。因此大樓冷水機組運行臺數(shù)與大樓冷量需求之間的實際關(guān)系如表1所示。

表1 冷負荷需求與冷水機運行臺數(shù)

根據(jù)大樓的全年逐時冷負荷需求變化情況，可以得出冷水機開啟臺數(shù)與對應(yīng)的累積運行時間之間的關(guān)系如表2所示。由表2可知，全年大樓空調(diào)冷水機組的負載率變動主要集中在22.5%-67.5%之間，即2—3臺冷水機運行；4臺冷水機同時運行所占時間不到8%。

3.3 空調(diào)末端能量輸送能效分析

根據(jù)風(fēng)機、水泵變頻特性，大樓空調(diào)末端設(shè)備的理論功率W與空調(diào)系統(tǒng)末端負載率L可以擬合成一元三次函數(shù)關(guān)系式：

由式（3）可得空調(diào)末端設(shè)備采用變頻控制后，末端冷量輸送能效指標E（kW/t）與冷水機組負載率L之間的關(guān)系。

表2 冷水機運行臺數(shù)及對應(yīng)累積全年運行時間

大樓空調(diào)末端采用變頻控制和未采用時的末端冷量輸送能效指標對比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著冷水機組負載率的提高，空調(diào)末端冷量輸送能效指標不斷下降?？照{(diào)末端設(shè)備采用變頻控制時的冷量輸送能效指標要整體顯著低于未采用變頻控制的情況。未采用變頻控制時，若冷水機組負載率小于45%，則無法滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標要求（≤0.2 kW/t）；采用變頻控制時，冷水機組負載率大于4.6%，即可滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標要求。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，空調(diào)系統(tǒng)全年運行時間為2 380 h，其中滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標要求的時間占96%，其空調(diào)末端冷量輸送能效比的全年數(shù)據(jù)加權(quán)平均值為0.05 kW/t。

4 結(jié)束語

結(jié)合深圳某在建的大型辦公建筑案例對空調(diào)末端設(shè)備運行情況進行分析。結(jié)果證明，中央空調(diào)末端設(shè)備采用變頻運行后，可顯著降低空調(diào)末端冷量輸送能效指標；大樓全年大部分時間滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標設(shè)計要求。