中央空调系统的节能与能源合理利用

中央空调系统的节能与能源合理利用[关键词]中央空调中华商务网讯:随着我国城市建设的发展,各类现代化建筑不断增多,在这些建筑中广泛采用中央空调统为人们提供一个舒适的环境。而空调耗能般占整个建筑能耗的60%以上,空调耗能占个城市能源消耗的比例也在不断增加。城市年的用电高峰在夏季,空调制冷用电也是在6、7、8、9几个月,并出现在每天的用电高峰期间,空调在此时间内的耗电要占总发电量的30%左右,有的地区,如广州地区高达50%～60%。因此,空调系统的节能对整个节能工作有着较大的影响。近10年来,在我国原先不采暖的地区如长江流域,由于冬季比较冷也普遍采用了各种采暖措施,其中也有采用不节能的电热直接取暖的方法,如何解决这些地区的采暖问题并做好节能工作是值得进一步研究的课题。本文从中央空调冷热源的选用、中央空调系统设计及运行等方面讨论了如何使中央空调系统节能运行,使能源得到合理利用的各种措施。中央空调冷热源与节能冷热源的能源消耗占中央空调系统能源消耗的绝大部分,因此,合理配置中央空调系统的冷热源对节能与能源合理利用意义重大。中央空调常见的冷热源配置为水冷冷水机组RT’美国冷吨(IRT=3.517kW)+锅炉;2热泵型机组;3溴化锂吸收式机组。第一种配置夏季用水冷冷水机组制冷,冬季用锅炉供热。用水冷冷水机组制冷时消耗电能。在设计工况的能效比(制冷量/耗电量)比较高,一般为3.7～5左右,其中主机为离心式压缩机的机组能效比最高,为5左右,但机组容量较大,一般空调制冷量在300RT*以上选用离心式压缩机,空调制冷量在150～300RT的制冷量范围内选用螺杆式压缩机比较合适,其能效比虽比离心式压缩机低但高于活塞式压缩机,活塞式压缩机的能效比最低,一般在4左右,当空调制冷量小于150RT时选用活塞式压缩机较为合适。水冷冷水机组要有一个冷却水系统,包括冷却塔和水泵等,机组运行时有一定的耗水量,在水源比较充足的地区使用水冷冷水机组比较合适。国内外均有使用冷却塔造成“军团菌”感染的情况,冷却塔不能置于新风进口和临近窗处,以免成为“军团菌”的感染源。冬季的供热锅炉有燃煤、燃油、燃气锅炉和电锅炉,其中燃煤锅炉为多。我国虽然煤的储量较大,但燃煤锅炉运行产生的SO2等有害气体对环境有较为严重的影响,其大量排放的CO2气体对地球会产生“温室效应”。目前,不少大中城市已禁止在市中心地带使用燃煤锅炉。与燃煤相比,燃油、燃气对环境的影响较小,使用燃油锅炉要考虑储油罐安放处的安全问题。天然气丰富的地区可适当使用燃气锅炉。根据我国目前的电力供应状况,不应提倡使用电锅炉。热泵型机组的使用对节能是很有利的,其中风冷热泵冷热水机组在中央空调中使用的较多,这种机组一机两用,夏季制冷,冬季供热。夏季制冷时采用风冷冷却制冷系统的冷凝器,省去了水冷机组的水系统,特别适用于缺水地区。在设计工况下其能效比比水冷机组低,一般在3左右,其主机为螺杆式压缩机和活塞式压缩机,螺杆式压缩机机组的能效比比活塞式压缩机机组高。虽然风冷机组在设计工况下的能效比比水冷机组低,但相同容量的机组从整个运行周期来看,风冷机组的耗电量不一定比水冷机组高。其原因为在整个夏季制冷运行期间,一天内的大部分时间机组并不在设计工况下满负荷工作。当机组在部分负荷下运行时,水冷机组水系统的耗电量降不下来;另一个原因是风冷冷凝器的冷却效果主要受空气干球温度的影响,而水冷冷凝器的冷却效果主要受空气湿球的影响,我国南方夏季空气干球温度在一天内的变化在8～10℃左右,而湿球温度的变化范围很小,因此,当机组满负荷运行时,风冷机组的耗电量比水冷机组大15%左右,在2/3负荷下运行时,风冷机组的耗电量与水冷机组持平,在1/3负荷下运行时,风冷机组的耗电量比水冷机组低30%左右[2]。风冷热泵机组在冬季制热时消耗一部分高品位能源(电能),将从低温大气环境中吸取的低位热量Q1提升为温度高于供热环境的热量,连同输入的电能向高温环境排放热量Q2(Q2=Q1+W,不计损耗)以达到供热的目的,其制热能效比(制热量/耗电量)为3以上,与用电直接取暖相比绝对节能。由于风冷热泵使用的电能有一个发电效率和输电效率,与消耗一次燃料的锅炉相比节能与否要以能量利用系数E来衡量。E=A×B×(coph),其中A为发电效率,B为输电效率,coph为热泵的制热能效比。取A=0.33(火力发电),B=0.9,coph=3,则热泵的能量利用系数为0.89左右,而一般锅炉的热效率为0.65左右,因此,风冷热泵用于冬季供热的一次能源利用率也高于锅炉。从环保角度讲,使用热泵可较大幅度地减少SO2、CO2的排放量。当获得相同的热量时,用燃煤锅炉直接供热CO2的排放量比火力发电再驱动热泵高30%,与燃油锅炉相比,使用风冷热泵相应的CO2的排放量也可有较大幅度的减少[3]。风冷热泵的使用也有一些问题,最主要的是受环境温湿度的影响大。一般当大气温度在-5℃以下时其使用效果明显降低,对于空气湿度大,温度低的地区,由于会在风侧换热器的表面结霜,这时的使用效果就更差,故风冷热泵的应用要以当地的大气环境是否符合其使用要求为条件,不能盲目使用。文献[4]提供了一些风冷热泵使用的环境条件,可供参考。为发挥热泵可利用低位能量的特点以及减少环境条件对其使用的影响,人们也在不断开发其它热源热泵,如水源热泵可吸取地表水或建筑物内有一定温度的水中的热量用于供热,对需同时制冷和供热的建筑,水冷机组的冷却水可作为热泵的热源;也有以地热为热源的热泵,由于一定深度下土壤的平均温度为10～20℃,可将吸热盘管预埋在地下,这种热泵的工作不受环境的影响,也无结霜的问题,还有将吸热盘管埋在建筑物墙体及地基基础中吸取太阳辐射热和地热的,并取得了实际的使用经验。总之,中央空调以热泵为冷热源对节能和环保均有利。另一种冷热源为溴化锂吸收式机组这类机组分为外燃式和直燃式两种,外燃式机组制冷动力为热能,可利用废热或余热,在无废热或余热的地方采用锅炉提供热能作为夏季制冷动力和冬季供热。直燃式机组以直接燃烧油或气制冷或供热。溴化锂机组的能效比(制冷量/消耗的热能)比较低,外燃式为1.0～1.2左右,直燃式机组稍高。溴化锂机组节电不节能。对于有废热、余热的地方,如热电厂、钢铁厂、化工厂等企业使用外燃式溴化锂机组,既利用了废热、余热,又达到了制冷的目的,是非常合适的。对于缺电而无废热或余热的地区可考虑使用直燃式机组。目前溴化锂吸收式机组无电制冷使用的氟里昂制冷剂(CFCS、HCFS)存在对大气臭氧层的破坏问题。蓄冷空调的使用与电力调峰我国的用电状况存在着电负荷峰谷差较大的情况,一方面在用电高峰时电力供应不足,而在低峰时电力供应过剩,如上海地区1996年底的用电负荷峰谷差为306万kW。按最高用电负荷建电厂,一方面经济效益差,一方面会带来环境污染(火电)等问题,目前,珠江三角洲、长江三角洲均出现酸雨。国家计划在2000年以前要把1000～1200万kW的高峰电力负荷转移到低谷。但若采用转移工作时间来移峰的话,会带来如上下班、加班、改变正常生活节奏等问题。由于空调负荷占有较大的峰值负荷,而转移空调负荷不会带来上述问题,因此,采用蓄冷空调,利用晚上峰谷期制冷并蓄冷,将对整个移峰填谷工作起很大的作用。蓄冷空调分全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷,全负荷蓄冷是在晚上谷期蓄足白天所需的冷量,白天的空调负荷全由蓄的冷量来满足,这种蓄冷方式移峰效果最好,但初投资大,投资回收期长,目前我国用户较难接受。部分蓄冷即在晚上蓄上部分白天所需的冷量,白天制冷机与蓄冷系统同时工作以满足空调负荷的要求。这种蓄冷方式既可转移部分峰值负荷,又可减少总的电力装机容量,并可降低蓄冷系统总投资,是用户较能接受的一种方式。蓄冷方式有水蓄冷和相变材料蓄冷,相变材料蓄冷的单位体积容量的蓄冷量较大,蓄冷系统的体积小,设备投资大;水蓄冷需有较大的蓄冷空间,但成本较低,适合于有足够场地的场合使用。相变材料蓄冷有冰蓄冷和高温相变材料蓄冷两种,冰蓄冷要改变目前常规空调的送风温度,由于制冷机工作的蒸发温度较低,对制冷机有一定的要求,高温相变材料的蓄冷系统的送风温度与常规空调相近。我国目前已有多例蓄冷空调系统,蓄冷空调由于其对电力移峰填谷的特殊作用,值得大力推广。其推广工作要得到政府部门,特别是供电部门的支持并给予相应的政策,如采用峰谷差电价等经济鼓励政策,空调行业要抓好样板工程,要加速蓄冷材料和设备的国产化进程以降低蓄冷空调的成本。空调系统的节能措施(1)采用大温差送风系统合理调节新风比例人对空调舒适性的感觉有一个由温度和湿度构成的区域[5],在这个区域内人体的热舒适感没有明显改变,但系统的耗能却有较大幅度的变化,适当加大送回风温差可减少水路、风路的系统的容量,降低水泵、风机的功率。加大送风温差办法有加大目前常规空调的送回风(送回水)温差和采用低温送风的方法,低温送风可结合冰蓄冷系统的运行。这两种方法要求空调末端设备作相应的改动,以适应新的传热条件,低温送风要解决出风口结露的问题。空调机组处理的新风过多会增加其负荷,进而增加电耗,处理的新风过少会影响空调环境的质量,应针对具体的空调环境做好送风温度和新风比例的调整,如商场、车站、医院大厅等人数多的地方,新风比例要适当增加,但室内温度不一定调得过低。而对于旅馆客房等对室内温度有明确要求而空调环境内人数较少的情况可适当控制新风量。(2)采用热回收与热交换装置由于新风的引入,空调环境必然要将一部分旧空气排掉,排气的温度相对大气温度有一定的温差,如制冷时若室内温度为28℃,室外温度为35℃,则将28℃的气体排入大气会带来能量损失,采用热回收交换设备使新风在被处理前先与排气进行热交换,新风温度会有所降低,这样可减少新风机组的负荷,减少了能耗,这种装置对于可集中排风而需新风量较大的场合更为合适。(3)采用变频控制变频技术在工业中得到了较成功的使用,但目前在中央空调的水系统和风系统中很少采用变频技术。根据空调负荷改变水流量或风量会有效地节能,现在人们也在开发适用于变风量送风的变频设备,在其成本和性能达到一定要求后,可望得到推广使用。(4注意围护结构的保温建筑围护结构的保温特性对空调耗能的影响很大,推广和采用各类新型保温复合墙体材料及节能型窗户等措施对建筑节能有很大的作用。国家拟在一定的时间内将北方建筑采暖能耗在原有基础上节能50%[6]。为北方采暖节能提出了具体的目标。但现在我国南方的各类建筑中也广泛采用供热措施,而对围护结构的保温效果考虑的较少,这个问题应得到重视。结束语我国在大力加强能源建设的同时也逐步加强了用电一方的管理,这对提高能源的合理利用与环境保护都有积极的意义。中央空调作为耗能大户应从设计、运行方面特别注重节能的问题,结合设备性能的改进,新技术的利用,设计水平、运行管理水平的提高不断改善中央空调的节能效果。有关的管理部门要根据当地的能源状况进行宏观指导,以政策法规和经济杠杆引导和规范用户合理选择空调的冷热源,鼓励采用各类节能措施和推广应用蓄冷空调。