中央空调系统的节能运行策略研究

中央空调系统的节能运行策略研究

Central air-condition system save energy runs the tactics and research 摘要：本文通过对某大型国际机场中央空调系统节能运行方案的研究，分别对空调系统中各种技术要素对运行方案的影响作出了分析。 Abstract： This text passes the research to the Pudong international airport central air condition system save energy project of operation, is to the air condition system various technique main factor to the influence of the project to make analysis. 关键词: 中央空调系统 经济性分析 节能 运行方案

Keywords: central air condition system, economic analysis, save energy, project of operation 1．引言

随着城市化进程及城市的大规模发展，建筑能耗已占总能耗的25%,达到夏季电网峰值负荷30%以上，能耗的增长也已占终端能耗增长量的37%，成为能源消费增长的主力。建筑能耗各主要构成中，采暖、空调系统能耗约占建筑总能耗的65%。因此，空调系统的运行节能措施始终为物业管理人员所关注，近年来大力宣传贯彻二个国家和地方标准GB/T17981-2000《空气调节系统经济运行》和DB31/255-2003《集中式空调（中央空调）系统节能运行与管理技术要求》。上述标准不仅规定了设备、系统的技术性能要求，还提出了优化运行控制等具体节能措施和运行管理技术要求。

空调系统的能耗主要由制冷机组、冷冻水和冷却水输送系统、空调末端设备三部分组成，这三者是相互关联的。其中制冷机组的能耗在空调系统中所占的比例最高，如何提高制冷主机的运行效率，使之能够实现节能运行受到高度重视。

某大型国际机场能源中心配置了4台14MW(4000RT) OM机组 和2台4.2MW(12OORT)的YK离心式水冷式冷水机组和4台5.2MW (15OORT)溴化锂吸收式冷水机组，我们根据对6台离心式机组的验收调试工作所得到的数据计算分析，掌握了机组的技术性能和运行管理特点，并且结合机场建筑的负荷特性，设计制定了浦东国际机场空调系统及冷水机组的节能运行

方案。

2． 冷水机组满负荷及部分负荷性能

从已测得的数据分析，反映出机组有如下性能特点。机组的满负荷测试结果符合原设计值，机组在实际工况下的性能达到了产品性能标准。对系统的高效、可靠运行是有利的，同时也为系统的节能运行提供了计算依据。

OM型冷水机组的部分负荷测试结果表明:主机的COP值不是随着负荷的变化呈线性变化的，随着负荷的减小，主机的COP值逐渐增加，在约80%的部分负荷状态下达到最大值，然后随着负荷的继续减小，COP值逐渐减小，这为寻求机组的最佳运行状态提供了相应的依据。详见图l。

765

COP

43210

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

负荷率

图l 3．空调负荷的变化

由于室外气温的变化，空调负荷分布是不均匀的，不同的建筑负荷情况有所不同，但是基本符合以下的分布规律。

表1 空调负荷的全年分布

改善空调主机及输送系统的性能，运行管理人员必须使系统能够在空调部

分负荷条件下高效运行。例如系统需要的供冷量为33600KW，可以采用几种组合方式:

3台OM机组工作，每台的负荷率为80%，主机总能耗为: N=2035×3=6105kW

b. 4台OM机组工作，每台的负荷率为60%，主机总能耗为: N=1923.4×4=7693.6KW

3台OM机组工作，l台的负荷率为 100%，2台的负荷率为70%，主机总能耗为:

N=2602+1882.4×2=6367KW

比较三种方案可见a为最佳,并且与耗能最大的方案b可以相差23%，这种比较是有必要的。

对于OM机组，由于其在部分负荷条件下的COP相对较低，例如在负荷率60%工况下运行，其能耗为N=l923.4KW, 而输出相同冷量的2台YK机组此时可以满负荷运行，其能耗为：N=773.6×2=1547.2kW，两者相差约22%，可见在不同负荷条件下合理配置运行设备对降低能耗是至关重要的。

4．冷冻水系统对制冷机组运行能耗的影响

冷冻水温的升高可以使冷水机组的蒸发压力和蒸发温度相应升高，从而提高主机的制冷效率增加制冷量，并且降低单位制冷量的功耗。变冷冻水温时机组测试结果见表2。

表2 变冷冻水出口水温测试结果

变冷冻水温的冷水机组特性

5.85.75.65.55.45.35.25.15

4.5

5.5

7

7.5

9

9.5

10

COP

冷冻水温度

图2

OM型冷水机组变冷冻水温测试结果表明，随着冷水机组的出口冷冻水温升高，冷水机组的制冷量逐渐增加，COP值上升，从4.4到9.5℃，冷冻水温升高了5.1℃，冷水机组的冷量增加了30.2%，COP值上升了79%。但是，必须注意冷冻水温的升高将降低空气处理设备的除湿能力，使供冷品质降低，影响室内空气品质。不仅增大单位冷冻水输送功耗，而且受空调处理设备的换热面积的制约。

5．冷却水系统对制冷机组运行能耗的影响

冷却水温的升高将使冷水机组的冷凝压力和冷凝温度升高，从而降低主机的制冷性能，制冷量降低，并且COP值降低。变冷却水温时机组性能测试结果见表3。

表3 变冷却水温冷水机组性能测试结果

变冷却水温的冷水机组特性

765

COP

43210

26

28

29

30

31

32

34

tc1

图3

OM型冷水机组冷却水温测试结果表明:随着冷水机组进口冷却水温升高，冷水机组的制冷量逐渐下降，其COP值逐渐降低，从27.8℃到32.7℃，冷却水温升高了4.9℃，冷水机组的冷量减小了15.2%，COP值降低了14.3%。

6．冷冻水温和冷却水温同时变化时的综合分析

通过以上的工作，根据相似原则，我们可以推导出在不同的冷却水进口温度和冷冻水出口温度下的制冷主机的性能参数。详见表4

表4 OM机组制冷量变化系数表

7．机场的空调系统能耗分析及节能运行技术方案的制定

国际机场航班旅客进、出港时间约18～20小时，并且为其服务的综

合工作区工作时间约10小时，这样空调系统日负荷有较大的峰谷差，对于能源中心的冷水机组来说会出现两个负荷高峰:一是开机时需要负担建筑的蓄热负荷，二是需要负担户外气温和太阳辐射综合作用后带来的建筑围护结构最大空调冷负荷以及室内旅客、各类发热设备的得热负荷。在制定过渡季节及高峰负荷时段的运行策略时我们综合考虑了以下要点： a) 通过测试和分析航站楼运行巡检记录得到航站楼内环境温度与外部环境的温差以及在各种气象条件下的供冷量、冷冻水温度、流量等技术参数，作为制定运行策略的基础数据。

b) 结合机场航班的情况确定合适的开机时间。根据机场目前的营运情况，凌晨开机早些，此时户外的空气干、湿球温度较低，太阳辐射得热的影响也小，这样的环境工况对冷却塔的工作有利，从测试结果可以看出较低冷却水温能提高主机的COP值，制冷主机的运行效率较高。 c) 要充分利用管网中冷冻水所蓄冷量，这部分能量的合理利用从两个方面有利于制冷机组的经济运行，一方面在启动制冷机组前约1小时启动冷冻水循环系统，与空调末端设备进行热交换，带走部分建筑的蓄热负荷。与此同时提高了冷冻水回水温度，从而也相应提高了机组的蒸发温度，使机组在较高的效率区间运行。另一方面生产这部分冷量的时间一般在晚间22：00～次日凌晨1：00时间段内。这个时间段的电价为谷时电价，有利于降低运行成本。

d) 从制冷机组的全性能曲线可以看出，在约80%～85%的部分负荷时，冷水机组的效率最高，可见使冷水机组处在约80%～85%的部分负荷状态是主机节能的有效途径。运行管理人员必须根据系统设备的效率合理配置机组及辅机，尽量使整个系统能够处于最优的部分负荷运行状态。 e) 在一定范围内降低冷却水温有利于提高制冷机组的运行效率，但是受多方面因素的限制，如气象条件、冷却塔效率等，从而使冷却系统能耗上升，必须在冷却系统能耗与主机的能耗之间寻求新的平衡点。从测试结果可以看出，在30℃以下，制冷机组的冷却水进口水温对机组能耗影响不大;当水温为30.2℃时，其能耗指标比31.6℃时减少8.4%，比32.7℃减少12.4%。可见将冷却水温控制在30℃左右，对提高冷水机组的运行效率是较为有利的。

f) 冷冻水温的高低直接影响空调系统的供冷品质，寻求合理的冷冻水温不但要考虑冷水机组的性能，而且要兼顾空调末端设备的换热性能、

去湿能力及输水能耗。降低水温对于空调箱中表冷器的换热是有利的，对表冷器传热系数K值的影响不大，主要是通过增大冷冻水与空气的温差来体现，但是降低水温会使冷水机组的制冷量降低，能耗指标增加，这是不利的。从测试的结果可以看出，在满负荷的情况下，不宜将空调的冷冻水温度设置过低，一般设定在约6.5～7.5℃较为合理，不但可以确保合理的水一空气传热温差，也可以使冷水机组的运行较为经济，这与平常要求的空调冷冻水温度设定在7℃是较为吻合的。但是在部分负荷情况下，冷冻水的温度可以结合气候条件（环境温度、湿度及空调空间的去湿要求）及冷却塔的运行情况进行调整，在相同的干球温度下，60%RH比90%RH条件可提高约1℃冷冻水供水温度，提高制冷效率约1.5%。

g) 控制较大的冷冻水（冷却水）温差对降低系统的运行能耗和设备的初投资都有影响，通常冷冻水供、回水温差设计为5℃，供冷量与供、回水温差及冷冻水流量有关，计算公式如下：

Q M CP T

式中：设CP为常数。若所供冷量Q不变，可采用增大流量M而降低温差ΔT的方法（即增加输送功耗而减少机组功耗），又可采用增大温差ΔT而降低流量M的方法（即增加机组功耗而减少输送功耗），而这两种方法的系统总能耗可能并不相等。特别是在部分负荷（或管网输送功耗相对较大系统）条件下，控制较大的冷冻水（冷却水）温差对系统有明显的节能效果。

但是在运用大温差/小流量系统运行方案时，需注意以下几点： a) 根据不同水系统，设计相应的运行方案，水系统相对输送能耗越大，其效果越明显，具体取决于空调负荷特点、设备性能、系统阻力等。

b) 机组要具有能在较宽的蒸发温度、冷凝温度范围内高效、安全、可靠运行特性。

c) 水流量不能过小，须根据设备的特性进行校核计算后，确定合适的流量、温差和供水温度。

d) 末端空调表冷器在变工况条件下的性能变化，选取机场一台42000m3/h风量的空气处理机组（表冷器4/10/FL）为例，设定进口空气干球温度26℃，湿球温度21.2 ℃,迎面风速2.5m/s,水流速1.4m/s，冷冻水进口温度7℃（标准工况）供冷量Q 274kw(额定工况) 供冷量随进口水温变化情况如下表：

空气-冷冻水温差

302520温度

1276

151050

e) 表冷器工况随冷冻水温差变化情况如下： 表冷器的热交换计算公式如下：

Q K F LMTD

设式中传热系数K不随温差的变化而改变，传热面积F不改变，则表冷器的热交换量Q仅与空气与水的对数平均温差LMTD有关。

TD2 TD1

LMTD

TD2 ℃ LnTD1

式中TD1、TD2分别为表冷器的进水端和出水端的空气与水的温差。 在设计工况条件下：

冷冻水5℃温差（12/7℃）LMTD=9.44℃ 冷冻水7℃温差（13/6℃）LMTD=9.69℃

可见末端空气处理设备表冷器运用大温差/小流量运行，是能满足空气处理热交换要求的。 8． 结论

目前大部分建筑空调系统设计设备配置都存在着一定的裕度，而空调系统全年绝大部分时间是在部分负荷条件下运行，运行管理部门可根据建筑、设备的技术特性，得到楼内环境温度与外部环境的温差以及在各种气象条件下的技术参数作为基础数据，制定相应的运行策略降低能耗。

主机是空调系统的主要组成部分，主机的节能要结合冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、空调箱、风机等设备来综合考虑，在所有设备的共同运行之间寻求最佳的系统设备配置，而不能只是以单个设备的性能分析来替代整个空调系统的节能运行分析。

对于工程设计人员，在空调系统的方案设计阶段充分考虑建筑的空调负荷，变以满足设计工况为主的静态负荷设计为全年动态负荷设计，选用的空调制冷机组配置要与负荷变化条件相匹配，不能仅以最大负荷为依据，更应考虑占全年绝大部分时间是在部分负荷条件下运行。这样既可以减少设备的初投资，节省建筑面积，而且还可以有效节约空调系统的能耗，降低空调系统的寿命周期成本。

参考文献：

李金川编 空调运行管理手册 上海:上海交通大学出版社 2000 卢士勋主编 制冷与空气调节技术 上海:上海科学普及出版社

钱以明编 高层建筑空气调节与节能 上海: 同济大学出版社 1990年 付小平等编 中央空调系统运行管理 北京： 清华大学出版社 薛殿华编 空气调节北京北京：清华大学出版社 1991 YORK OM系列、YK系列制冷机组技术手册

作者王伟军个人信息

单位：上海电力股份公司闵电实业有限公司 原任：

能源中心运行管理部经理、主任工程师

现任：

上海闵行电力实业有限公司副总工程师 上海泛电能源科技有限公司 总工程师

上海市制冷学会 空调、热泵专业技术委员会委员 上海市能源标准化技术委员会委员 注册建造师 职业经理人

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