中央空调系统如何进行节能改造 浅谈中央空调系统改造

　　本文主要是关于中央空调的相关介绍，并着重对中央空调改造方案及其现状进行了详尽的阐述。

　　中央空调系统如何进行节能改造

　　中央空调系统运行能耗是大多数公共建筑最主要的能耗环节，也是近年来既有建筑节能改造的重点内容。各类专业化的技术改造方案针对中央空调系统改造的切入点也不尽相同，能否对系统进行全面的科学分析，切入点是否准确，技改投资方案是否合理，都需要我们进行深入的探讨和研究。中央空调系统节能改造是一项复杂的系统工程，强调的是系统节能，只有通过对系统特点的科学评估，才能探索出最佳的解决方案。

　　一、现有建筑中央空调系统的运行现状

　　我国建筑能源消耗约占国家能源消耗的20%—30%，随着人们生存环境和办公环境的日益改善这一比例还存在逐步上升之势。建筑能耗中中央空调系统的能源消耗约占50%—70%，部分建筑甚至达到80%。也就是说空调能耗是建筑能源消耗中最主要的组成部分，如果我们能从这一重要环节上着手，合理优化最佳方案，探索节能的最大空间，对于我们使用者来说将会产生最直接的经济效益，同样也积极的缓解了国家的能源紧张局面。我认为中央空调节能方案应深入涉及到即将建设的项目以及目前正在运行使用的空调项目，要具体结合设计、施工、运行管理及节能改造等几个方面进行实施。

　　我国现有的中央空调系统基本上是从九十年代初期开始设计使用的，最近几年的发展速度更为迅猛。前期的空调设计中普遍存在冷热源设备装机容量大、水泵选型过大、系统配置不合理等系列问题，造成的后果是

　　（1）冷热源选型过大，开机容量远小于装机容量，造成设备的闲置浪费。

　　（2）设计负荷偏大，水泵的流量偏大，导致系统大流量小温差运行。

　　（3）水泵扬程选配过高或附加系数过大，空调水系统实际流量和水阻较小时，导致系统流量变大，电机出处于超负荷运转，严重时可导致电机烧毁。

　　（4）多台冷水主机和多台水泵并联时，根据负荷的变化范围，运行调节性能较差不能保证负荷变化时稳定经济运行。

　　（5）大部分时间水泵处于低效率运行，调节性能较差。

　　（6）由于南京地区夏季湿度较大，冷却塔效率较差，不能保证冷水机组满负荷运行。

　　（7）工程设计中取消自动控制装置，末端设备取消电动阀与温控装置，增加了主机与水泵的运行电耗。

　　目前我们常见的中央空调水系统运行方式主要为双管同程式一次泵变流量或一次泵定流量。双管异程式因管路水平衡问题很少在大型公共建筑中使用。三管式及四管式因初投资及实际的使用要求所限制也很少采用。一次泵定流量系统水流量不能因负荷变化而进行调节，一次泵变流量系统末端设置电动二通阀与温度控制装置，可以通过自动控制装置进行水流量调节，可以通过控制水泵的停启台数达到节能运行的效果。一次泵变流量系统必须设置压差控制仪与旁通管控制供回水压差以保证蒸发器水流量的恒定，保证制冷主机的稳定运行工况。不同的空调运行方式在系统控制与运行原理上存在很大的不同，所以在我们考虑系统的节能运行管理之前，应首先对空调水系统做一个全面的分析与了解。

　　

　　二、各项改造方案的研究与分析

　　1、系统改造方案的多元化

　　目前，社会上专业化的空调系统节能改造企业单位较多，各家公司对空调系统技术改造的侧重点也各不相同，总体来说中央空调的节能改造主要是针对空调水系统运行工况、系统智能化控制、能源管理智能化平台的改造，落实到实施措施及环节主要包括以下几个方面（1）通过对空调水系统管路的数据分析，对水泵的扬程与水流量加以调整，以合理的小功率水泵代替高能耗不合理的大功率空调水泵（2）通过智能化控制的建设和升级，以更精确的运行状态点数据分析，使空调系统处于最佳工况运行，减小能源浪费环节（3）利用夜间峰谷电价差值，进行蓄冰蓄热处理以达到节省运行费用的目的。（4）利用能耗监控及管理平台，通过数据计量分析，寻求更加合理的运行管理模式。

　　各家公司节能改造方案的总体思路是为了节省中央空调运行及维护费用，但各方案又有自己独特的技术理念与特点。下面我就针对每个节能方案的特点结合我院中央空调现状及常规中央空调系统进行具体分析，提出自己的一点看法。

　　2、针对冷冻水系统节能改造方案分析

　　某公司提出的针对空调水系统的节能改造方案，是通过对已经运行的中央空调水系统的运行数据分析，首先判断系统的运行与配置是否合理，有无节电的可能性，节电的空间，有无改造的必要。我们知道常规中央空调水系统包括冷冻水系统与冷却水系统，两系统为独立的水循环系统，随着空调主机设备技术的不管更新，制冷设备的效率不断提高，空调水循环动力设备在空调系统总能耗占比越来越大。针对空调水系统提出的改造方案，技术改造的对象为冷冻水泵、冷却水泵与不利循环管路的整改。前面我们提到的中央空调设计中存在的第三点问题，即冷冻水泵的设计扬程与流量偏大的问题。此类的技术改造正是抓住设计中存在的这种缺陷而加以改进，以合理扬程与流量的小功率水泵代替现有运行大功率水泵，以此达到节能的目的。

　　中央空调冷冻水系统主要以闭式循环系统为主。在冷冻水泵的设计及选型中主要是针对水泵扬程及流量的选型，闭式系统水泵扬程与建筑高度无关，水泵扬程只需克服最不利循环管路的阻力，阻力因数包括供回水管路的沿程与局部阻力、制冷主机蒸发器的水压降、最末端空气冷却器的阻力及各个阀门的阻力之和。冷却水系统扬程为供回水管路阻力、主机冷凝器的水压降、冷却塔集水盘水位至冷却塔布水器高差及冷却塔所需的喷射压头之和。两个水系统的水泵扬程的选择为各自的阻力之和乘以1.05—1.1的安全系数为准。空调水泵的扬程选择必须以此为依据，并要经过严格的水力计算，要针对不同管径不同的水流速对应的比摩阻进行精确的水力计算，最终得出最不利管路的阻力，从而得出最准确的扬程数据为设计选用扬程。但是在实际的设计过程中，不可否认有些设计人员相对比较保守，过分依赖于经验数据，没有经过谨慎的水力计算，而是选择类似建筑的参数再适当放大安全系数，最终选择了设计比实际偏大的结果。

　　此类节能改造理念正是建立在现行水泵的选型过大的基础之上的，它是通过测试水系统供回水压差等因素来确定空调水系统的实际扬程和流量，同各运行单位现有实际配置的水泵的技术参数的差值为它所示的水泵节能空间，这种理论结合数据的测试的确存在它的合理性一面。如果从整个空调系统的运行上分析，水泵节能改造方案实施的先决条件是必须对空调系统作一个更全面的测试，测试的范围应包括：水系统最不利循环管路阻力、空调水系统的额定水流量、分水器各支路的水力是否平衡，水流量的分配是否合理、水泵电机的实际运转功率、水泵的实际运转效率等。此外，还须对使用单位的空调运行方式进行更全面的了解分析，空调水系统是采用一次泵系统还是二次泵系统，一次泵变流量还是一次泵定流量，双管同程式还是双管异程式，空调水系统的自动化控制范围，末端设备是否设置电动阀与温控装置，各空调区域的实际使用情况，使用周期的变化情况，负荷变化曲线等综合因素。只有充分掌握这些情况才能使空调的节能改造方案更具体，更具针对性。

　　3、结合我院中央空调系统运行现状的分析

　　以南京市第一医院为例，我院原有中央空调冷冻水系统采用一次泵定流量双管同程式水循环系统，空调主机主要为螺杆式制冷主机，空调末端风机盘管支路控制阀门为手动截止阀。空调水系统无自动控制装置，无压差旁通控制，是最简单的定流量系统，除人为因素外，不能根据负荷变化进行能量调节，能耗较大。首先，我们无法对空调末端水流量进行控制，手动截止阀始终处于全开状态，这样整个空调冷冻水系统为定流量运行。但是在实际的使用过程中，日间负荷变化与季节性负荷变化很大，特别是夜间运行与冬季运行过程中，日均负荷变化就相当明显，如果空调水系统采用定流量运行，水泵能耗浪费就比较严重，同时水泵的负载对其使用寿命也产生较大影响。目前我院中央空调运行过程中的负荷变化能量调节主要是依靠人为调整空调主机与水泵的停启台数来满足实际的运行工况。我院夏季最热月空调运行过程中，五台主机全部开启，冷冻水泵与冷却水泵也以最大功率组合运行，这种组合方式看起来似乎很合理，但实际运行工况并非为最佳方案。

　　4、中央空调水系统改造的建议和要求

　　针对我院空调水系统的改造方案主要涉及水泵的改造及不利循环管路的整改，通过降低流量、扬程等参数选用小功率水泵代替原设计大功率水泵以达到节能的目的。我认为他们节能改造的前提必须满足以下几个方面的要求：

　　（1）、改造后水泵扬程必须满足最不利循环管路的阻力损失，流量必须满足制冷主机蒸发器水流量的安全范围。

　　（2）、原设计中冷冻水扬程流量偏大的主要原因是想通过大流量来解决各支路水力难以平衡的问题，所以节能改造的同时应解决系统水力平衡问题。由于我院中央空调集中控制三个区域的空调负荷，内、外科楼及门诊楼，内外科楼距空调机房较近，两支路的最不利循环管路也相对接近，门诊楼支路较长，其最不利循环管路阻力最大。即改造后水泵的扬程必须满足门诊楼支路最不利循环管路的的阻力损失，其他两支路可以通过支管阀门的开度来控制流量的分配与实际的扬程。如果此问题不能很好的解决，将会造成管路流量的分配不合理，出现局部空调区域效果很差的现象。

　　（3）、必须保证改造后空调的使用效果不受影响，这也是我们最基本的要求。

　　5、系统改造的节能评估

　　我们选择节能改造的目的是为了合理优化系统配置方案，使空调水系统处于最佳工况运行状态以达到节能减小运行成本的目的，不允许出现水泵节能改造后出现其他环节能耗的增加而导致系统能耗并无变化，更不允许出现空调的制冷制热品质的下降。在空调末端出风口温度的测试点的选择上必须选择最不利循环管路末端的风机盘管进行测试，测试的对象除了出风温度外还应对末端支路的水压、流速进行测试，保证流速范围达到0.5—0.6M/S。在对水泵改造前后的性能测试上应考虑综合因素，在扬程与流量都能满足的前提下，电机效率必须保证处于高效率运行区域，低能耗低效率的运行模式也不宜选用。

　　如果我们选择此类的改造方案，在技改效果测试上应更加细化与合理：（1）、水系统运行一段时间后，测试出风温度时必须选择分水器每支路的最不利循环管路的末端进行测温检测，应选择5个甚至更多点进行样点数据采集，记录此时制冷主机的出水温度与回水温度，记录冷却水的供回水温度与室外干球温度，采集综合数据进行具体分析。

　　（2）、对改造前后冷媒水的供回水压差进行分析，对分水器与集水器之间各支路的压差与流量进行分析，要保证不利循环管路改造后水流量的合理分配，满足各支管实际流量的需要。

　　（3）、在功率的检测中，要结合改造前后水泵的输出功率进行分析，同时要结合制冷主机的供回水温度及水流量对制冷主机的输出功率进行分析，以免出现主机效率的下降而导致实际能耗的增加。另外在电机功率的测试上不应由改造方进行测试，应有业主单位邀请专门的检测机构进行测试并记录备案。

　　三、其他节能改造技术方案

　　通过智能化控制升级改造也是中央空调系统运行的节能改造方案之一，通过楼宇控制系统改造和计算机模糊控制原理对空调系统的能量需求作为随机变量进行系统采样和模糊控制，优化系统的能量输出控制，它可以减小人为控制带来的不利因素而使系统更加合理化运行。通过控制器对冷冻水控制单元、冷却水控制单元、冷却塔风机控制单元，通过恒压差、恒温差及变频控制技术达到系统的合理化运行。我院目前中央空调系统为一次泵定流量双管同程式，要实现上述智能化控制的实现，必须对整个空调系统进行合理改造。要达到一次泵变流量智能化控制的效果必须进行改造的项目是1、末端温控单元的改造2、分水器与集水器之间增加压差传感器与旁通控制以保证供回水压差的恒定。这样才能保证制冷主机蒸发器流量的恒定即恒压差，主机才可稳定运行。3、现有水泵与风机电机增加变频器进行变频调节即变频控制4、供回水主管增加温度传感器与流量计以保证供回水温差的恒定即恒温差控制。5、要增加一套智能化控制设备，包含很多比较分散的控制器和执行器，涉及到整个空调系统的综合布线工程。

　　对于我院目前的中央空调系统来说，采用智能化系统以及能耗监控与管理平台系统改造确实能够达到节能运行的目的，但是从涉及几百万元以上的投资成本与改造的施工工期及现有空调系统的实际情况来看，还须我们慎重分析研究。此方案的选择与否与我院现有中央空调系统硬件设施的更新和能源中心的整体规划建设存在很大的关系。我院内、外科楼多年前已经进行了装饰出新改造，但空调系统并未进行系统性改造，老门诊楼大楼至今使用已近二十年，其中空调管道系统与空调末端趋于老化阶段，未来两年也须整体更新，这些因素都制约着现有中央空调系统的智能化节能改造的全面实施。选择一次性方案整体规划设计，围绕工程改造计划进行分步实施，以避免重复施工的浪费是我们理想的规划目标。

　　冰蓄冷或水蓄冷的空调方案目前技术已经相当成熟，结合国家能源战略的导向，政府与供电公司对此项目也进行了积极的推广。结合大型医院中央空调系统运行的时间规律特点，蓄冷的必要性是存在的，在场地空间条件具备的前提下，只要在方案优化与设计施工合理的前提下，解决好初投资成本与运行成本回收矛盾的问题，再加上供电部门不断的峰谷电价比例调整及相应的的费用减免政策，冰蓄冷空调改造方案是可以考虑的重要方案之一，这里不再进行具体分析。

　　中央空调系统改造效益分析

　　随着经济的不断发展，建筑物大量建造，其配套的中央空调普遍存在能耗较大问题，在世界能源供应紧张的背景下，将影响经济的持续发展。中央空调系统是各大办公楼不可或缺的一部分，其能耗较大，一般占整个建筑总能耗的50～60%，因此为使中央空调系统尽量以较低的能源成本提供最佳的舒适环境，优化建筑物空调节能系统显得极为重要。

　　1 项目概况

　　某5A级写字楼于2003年建成并投入使用，总建筑面积为12.6万平方米。采用集中空调系统，空调总面积达9.2万平方米。现阶段写字楼出租率在95%以上。对该大厦进行调研后，我们对大厦的总体能耗情况有了大致了解。在大厦的整体能耗中，中央空调系统占建筑能耗总量的40%、照明用电占25%、办公用电占20%、动力用电占15%左右，大厦的总耗能支出约每年1265万元。大厦主要耗能设备是中央空调系统，它的能耗支出约每年300万左右。

　　该大厦的中央空调制冷系统配有离心式制冷主机3台，螺杆式制冷主机1台以及90kW低区冷冻水泵5台，37kW高区冷冻水泵3台，55kW冷却水泵3台，45kW冷却水泵1台，11kW冷却塔风机7台。现采用制冷主机随机配备的控制系统进行联控，水泵均采用星三角降压方式启动。

　　2 节能改造方案

　　根据上述情况，该大厦通过建筑物节能管理系统，采用强弱电一体化的手段，对大厦中央空调制冷系统进行节能改造。

　　（1）系统原理

　　建筑物节能管理系统采用分布式构架、模块化设计，其核心是模糊控制器及其控制软件。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，是近几年发展起来的新型控制技术，尤其适用于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性的系统控制。

　　系统以设备能效跟踪为核心，以基础能源统计和管理为手段，将制冷系统能耗设备的运行信息、能耗数据、故障信息及环境参数进行跟踪采集、统计分析，进而运用现代模糊控制技术，实现冷冻水系统的模糊预期控制、冷却水系统的自适应模糊优化控制和主机系统的间接（或启停）控制，实现空调冷媒流量跟随负荷的变化而进行动态调节，确保整个空调系统始终保持高效、协调地运行，从而最大限度地降低空调系统能耗。

　　图1中所示的模糊控制器由模糊化接口、数据库、规则库、推理机、解模糊接口等构成。它的输入变量都选用受控变量，能够比较准确地反映受控过程中输出变量的动态特性。对于中央空调节能控制系统而言，受控变量是由系统的供回水温度、流量及压差等造成的。

　　当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工作状况时，模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值，如系统供回水温度、供回水压差、流量及环境温度等。经推理运算后输出优化的控制参数值，对系统运行参数进行动态调整，确保主机在任何负荷条件下都有一个优化的运行环境，始终处于最佳运行工况，从而保持效率最高、能耗最低，实现主机节能10%～30%。

　　（2）系统构成

　　本系统主要由模糊控制柜、水泵智能控制柜、风机智能控制箱、现场模糊控制箱、各种传感器件以及系统软件组成，如图2所示。

　　（3）模糊控制器

　　模糊控制器包括1台模糊控制柜和1台现场模糊控制箱，模糊控制柜内配置智能模糊控制单元1套，工业控制计算机1台，通讯协议转换单元1套，数字量接口单元4套，保护单元1套以及系统软件1套。现场模糊控制箱内配置传感器接口单元2套，铂电阻输入单元2套。

　　模糊控制柜与现场用通信线缆、水泵智能控制柜、风机智能控制箱、现场模糊控制箱以及原有的空调启/停控制柜连接。

　　模糊控制器系统通过协议解析，可与以上各控制柜进行通信，通过对空调系统进行全面的参数采集，实现对空调系统运行的集中监测、控制和管理。

　　（4）冷冻水模糊控制系统

　　建筑物节能管理系统对空调冷冻水系统采用最佳输出能量控制，在保证空调服务质量的前提下实现水泵的最低能耗。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，冷冻水供回水温度、温差、压差和流量也随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据独创的预期算法和所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷量以及冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并与检测到的参数值进行比较，根据其偏差值利用现代变频调速技术，调节冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的温差、供回水温度、压差和流量运行确保在模糊控制器给定的最优值。

　　在中央空调低区循环系统中，模糊控制系统设置标准水泵智能控制柜5套，每套配置90kW变频器1台，分别控制5台90kW低区冷冻水泵；智能模糊控制单元、智能数字单元各1套。高区循环系统中，模糊控制系统设置标准水泵智能控制柜3套，每套配置37kW变频器1台，分别控制3台37kW高区水泵；智能模糊控制单元、智能数字单元各1套。每台变频器、水泵智能控制柜、控制单元及各管路上的传感器通过传输线路与模糊控制柜连接。

　　原电机控制柜内的主电路不变，断开原控制柜进线断路器与启动主电路的导线连接，加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端，水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜，与启动主电路连接，原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端，当需做能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。

　　模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出负荷需用制冷量及最佳温度、温差、压差和流量值，并与检测到的实际参数作比较。根据其偏差值控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量趋于模糊控制器给定的最优值。

　　当原电机控制柜启动完毕后，启动完毕信号送至模糊控制器，由模糊控制器向对应的变频器发出指令，变频启动冷冻水泵。冷冻水泵启动后，按模糊控制器输出的控制参数值，调节各冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的转速，使系统在保证末端空调用户舒适需求的同时，可实现最大限度的节能。机组运行时，如果冷冻水出口温度、流量或供回水压差出现异常，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。

　　（5）冷却水模糊控制系统

　　建筑物节能管理系统对中央空调冷却水及冷却风系统采用最佳效率控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，主机冷凝器的最佳热转换温度也随之变化。模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据计算出主机冷凝器的最佳热转换温度及冷却水最佳进、出口温度，并与检测到的实际温度进行比较。根据其偏差值，利用现代变频调速技术，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出口温度接近模糊控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳效率状态下运行。

　　冷却系统中根据水泵数量，模糊控制系统设置标准水泵智能控制柜3套，每套控制柜内配置55kW变频器1台，分别控制3台55kW冷却水泵。

　　中央空调系统耗电的现状

　　一般来说，中央空调系统的大负载能力是按照天气热、负荷大的条件来设计，但实际上系统极少在这些极限条件下工作。根据有关资料统计，空调设备95%的时间运行在70%负荷以下，特别是冷气需求量少的情况下，主机负荷量低，为了保证有较好的运行状态，主机能在一定范围内根据负载的变化加载或卸载，但与之相配套的冷却泵和冷冻泵却仍在高负荷状态下运行，这样会带来以下一系列问题：

　　l 水流量过大使冷水系统进水和回水温差降低，引起主机热交换效率下降，电能浪费严重。

　　l 水泵压力过大，通常都是通过调整管道上的阀门开度来调节冷却水和冷冻水流量，因此阀门上存在着很大的能量损失。

　　由于中央空调冷却水、冷冻水系统运行效率低，能耗较大且属长期运行，进行节能技术改造是完全必要的。

　　中央空调冷冻/冷却泵调节转速的节电原理

　　采用交流变频技术控制冷冻/冷却泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的有效途径之一。

　　泵的负载功率与转速成3次方比例关系，即P∝N3，其中P为功率，N为转速；可见用变频调速的方法来减少水泵流量的经济效益是十分显着的，当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。例如：

　　A． 当水泵流量下降10％（跟踪输出频率为45Hz）

　　则电动机轴功率P′=（0.9）3P=0.729P 即节电率27.1％

　　B. 当水泵流量下降30％（跟踪输出频率为35Hz）

　　则电动机轴功率P′=（0.7）3P=0.343P 即节电率65.7％

　　当用冷量下降时，所需的水流量减少，通过电动机的调速装置降低泵的转速来减少水的流量，泵的轴功率相应减少，电动机的输入功率也随之减少。当用冷量增加，冷机负荷量增大，冷凝器进出水温差增大，变频器运行频率增加，水泵转速加快，水流量增加，从而维持温差恒定。反之亦然。从而达到理想的节能效果。

　　结语

　　关于中央空调的相关介绍就到这了，希望通过本文能让你对中央空调有更全面的认识。

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