中央空调制冷供暖系统是如何实现高效节能的?

文章出处：网责任编辑：作者：人气：-发表时间：2017-02-14 11:51:00

本文介绍中央空调制冷、供暖业界前沿的节能改造技术以期实现高效机房节能降耗、降本增效的效果，获得数以十万计(一般项目)、甚至数以百万计(特大项目)的节省运行费用收益。

一、高效机房的衡量标准

　　1、机房能效— ASHRAE高效机房衡量标准

　　根据美国采暖、制冷与空调工程师学会—ASHRAE提出的标准，冷水机房是否真正节能，应采用“冷水机房全年综合能效”(以下简称“机房能效”)作为衡量标准，如上图，机房能效=所有设备的输入功率/总制冷量，kw/ton。机房能效在 0.85 kW/ton 以下的为高效能机房，综合能效在1.0kW/ton以上的为需要改造的机房。目前湖南大部分机房能效都在1.0 kw/ton 以上，这决定了湖南制冷、供暖空调系统节能潜力巨大。

　　2、中央空调节能的意义

　　现代的大型建筑，中央空调系统能耗占建筑整体运行能耗的40~55%左右，其中，冷冻机房设备(包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔)用电占整个建筑全年用电的30~35%，建筑供暖所消耗的天然气是总天然气消耗中的大头。中央空调制冷、供暖系统的整体能效对公用建筑、工厂节能降耗都有着至关重要的意义!

　　二、中央空调是如何实现制冷，供暖系统高效节能呢?

　　1、采用高效机房自控系统

　　一个好的机房控制系统，肯定不是孤立的针对某一设备进行优化。而是针对所有机房设备自身特点，使机房各设备之间都能相互匹配，彼此都处于最优状态并为系统其它设备运行提供最优运行环境，从而使机房总体最节能。

　　高效机房自动控制系统最核心的控制逻辑包括以下3种：

　　1)、高效机房自控系统建模总体控制逻辑

　　a, 冷冻泵-按需控制

　　b, 冷冻水供水温度-不固定，关联控制

　　c, 主机加减-基于自然曲线并以系统能耗最低作为控制基础

　　d, 冷却泵-基于按照EMPP算法的自然曲线并以系统能耗最低作为控制基础

　　(不低于最低允许频率)

　　e, 冷却塔-基于按照EMPP算法的自然曲线并以系统能耗最低作为控制基础

　　(不低于最低允许频率)

　　调试高效机房自控系统，需要了解机房各种设备(冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、锅炉等)的特性曲线，并根据特性曲线及运行使用条件、环境、负荷等情况建模，确定控制逻辑。一个好的自控系统，可以实现系统节能10%-25%

　　2)、Nature Curve-自然曲线

　　在不同的冷却水出水温度下，冷水机组都存在一个最高效率点，它们的连接线就是机组的自然曲线。如下图所示：

　　在了解冷水机组的自然曲线后，为了使冷水机组在不同的运行负荷下都能运行在最节能状态，则需要自控系统进行建模，调整冷却系统供应相应的冷水机组侧冷却水进水温度，从而使冷水机组运行在最高效的自然特性曲线下。如：上图所示机组在负荷为60%时，需要机组侧冷却水进水温度为24度。

　　然后我们需要了解冷却塔的特性曲线，如下图所示，冷却塔的运行受到冷负荷，湿球温度，冷却水量和冷却塔风机转速的影响，为了提供相应的机组侧冷却水进水温度，则需自控系统进行建模，在各种工况下找到最优的组合，使得高效机房自控系统能够准确计算并调整冷却塔相应的状态。

3)、Demand Based Control-按需控制

　　按照建筑所需冷量，来调节冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、锅炉、阀门的状态，使得整个系统运行在最佳效率状态。

　　4)、EMPP(Equal Marginal Performance Principle)-相等边际效能原则

　　基于业界最权威的全变频系统控制专家Hartman的专利控制逻辑-Hartman LOOP的基础上而发展的控制逻辑，采用一定的时间步长对冷冻机房各个设备的运行能效和系统运行能效进行持续调整，找到最优工况点。

2、采用高效机组、合理选择设备

　　1)、根据负荷匹配设备

　　一般冷水机组、锅炉及配套设备选型，是根据建筑最为炎热/寒冷的天气计算最大负荷，并预留充足的余量选取的，在实际运行过程中，冷水机组、锅炉及配套设备经常运行在部分负荷，对于高效机房，应根据建筑的负荷及能耗情况，以最节能的选择对设备做负荷匹配。包括：

　　a, 根据运行负荷、冷凝器小温差及节能情况对冷却塔做评估，提高效率。

　　b, 根据运行负荷、设备运行状态建模，采用高效机房节能控制策略。

　　c, 根据运行负荷及节能情况对冷水机组做评估，采用最优制冷量。

　　d, 根据运行负荷及节能情况对锅炉做评估，采用最佳制热量。

　　e, 根据运行负荷及节能情况对水泵做负荷匹配，采用高效泵。

　　2)、采用高效冷水机组

　　对于现有机房改造，如果机房老旧，将旧的涡旋机、活塞机，效率低的老旧螺杆机、离心机更换为高效机组，可以获得较好的节能效果。随着制冷技术的发展，现如今螺杆机组NPLV能效可以达到7左右，变频离心机组NPLV可以达到10左右，根据改造前机组NPLV值，节能30~45%;

注：NPLV值—衡量空调部分负荷耗电指标

　　美国空调、供热及制冷工业协会AHRI规定的评估冷水机组耗电指标的最新标准(ARI550-98)—NPLV(分级运行部分负荷数据)用于计算冷水机组的年运行费用，并为国家能效评判所采用。

　　标准规定：机组部分负荷综合平均值：

　　IPLV=0.01/A+0.42/B+0.45/C+0.12/D ，单位KW/KW。其中：

　　A=100%负荷时的耗电指标，KW/KW。

　　B= 75%负荷时的耗电指标，KW/KW。

　　C= 50%负荷时的耗电指标，KW/KW。

　　D= 25%负荷时的耗电指标，KW/KW。

　　中央空调冷水机组99%以上运行在部分负荷，采用NPLV值可以更确切的反应冷水机组运行过程中的节能能力，NPLV值越高，冷水机组越节能。冷水机组耗电量=冷水机组运行时间×机组冷量(kw)÷机组NPLV值。

　　3、冷水机组热回收

　　节能改造条件：同一时间既有制冷需求又有供热需求。

　　对于同一时间既有制冷需求，同时又有供热需求的场所，如：工业制冷并消耗热水/蒸汽，制冷开机月份长并供热水的酒店，有工业余热回收场所。

　　采用带热回收功能的机组，既可以满足制冷的需要，同时又不需要消耗多余的能源制取热水，一举两得，能够极大的节约能源。

　　如下图，某生物制药工厂制药工艺需要热水40℃-90℃，原采用蒸汽加热，生产工艺需要冷冻水用于发酵冷却。改造后采用高温热泵(7℃/60℃)，同时制冷/供热，年节省能耗费用120万元。

4、Free-cooling自然冷却免费制冷

　　节能改造条件：冬季、过渡季节、气温较低的夜晚仍需要开启空调机组供冷的场所。

　　采用板式换热器与冷水机组并联或串联，在冬季、过渡季节、气温较低的夜晚开启板换替代冷水机组向末端供冷，为了最大限度的节能与控制，必须引入自控系统，使得机组供冷和板换供冷能够及时切换。

　　切换温度应根据室外湿球温度、冷却塔冷幅、板换换热温差来确定，当开启free-cooling自然冷却时可以完全不开冷水机组或降低冷水机组开机负荷实现节能，如某项目供应7℃的冷冻水，完全使用板换的切换温度为室外湿球温度1℃，全年有1054h。

　　当板换供应冷冻水为7℃-11℃时，板换预冷，切换温度为室外湿球温度5℃，全年有1017h。

　　节能量为31.12万kwh/年，(1054 h不开冷水机组不耗电，1017 h冷水机组耗电量较原先大幅度减少)。

　　5、锅炉房/空调房热回收、空气源热泵热水器替代锅炉

　　节能改造条件：锅炉房/空调房热量较高，且需要使用热水的场所

　　对于锅炉房、空调房通常热量高，可以采用空气源热泵热水器回收热量，制成热水后使用。采用空气源热泵热水器制热水较采用天然气锅炉，节省费用30%-50%

6、VSD变频改造技术在离心机上的应用

　　1)、低冷却水温下的节能效果

　　机组在夜间、过渡季节甚至是冬天运行时，冷却水的温度往往比较低。对于恒速机组，需要有恒定的工作条件，即需要有恒定的蒸发压力和冷凝压力。但冷却水温度降低后，必然使得冷凝压力相应地降低。

　　此时，为了满足离心压缩机的工作条件，传统控制主要通过关小进口导叶开度，减小输气量，以调整离心压缩机的工作点，来适应更低的冷凝压力。但是此种节流的调节方式由于导叶开度的减小，增加了输气时的阻力，降低了机组的效率，白白消耗了更多的能量。而一旦安装VSD变频驱动装置后，机组可以通过调整压缩机的转速来调整输气量，适应冷凝温度的变化，最大限度地利用低冷却水温的节能效应，达到节能的目的。