中央空调系统的节能探讨

中央空调系统的节能探讨能源是发展国民经济的重要因素，我国近年来能源短缺的现实，已经迫使我们要把节能问题提到一个重要的位置上来。我们已经进入了一个可持续发展的新世纪-21世纪，人类的生活更加依赖于技术的进步，建筑作为人类生活息息相关的物质产品，每一次变革和技术进步都伴随着新材料，新技术的成功应用，空调系统的产生及发展就是这种技术进步的直接产物.随着我国国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调技术已在国防、科研、工厂等建筑中广泛使用，从而使得建筑物的总能耗逐年增长。一些工业发达国家，由于广泛使用空调系统，以致空调耗能约占1/3（如美、日等国），有的甚至达到总能耗的45%（如瑞典）。据统计自1945年以来，空调消耗能量以每年平均4~5%的速度递增。因此，一些发达国家相继制定了节能法规及建筑能量管理系统的标准。与此同时，我国也相应的制定了节约能源法。城市年用电高峰在夏季，空调制冷用电也是在6、7、8、9这几个月，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%[1]，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。本文从维护结构、中央空调冷热源、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。1．维护结构当今，已经比较注意通过优化诸如墙体和屋面一般建筑物中的围护结构的设计来降低中央空调的能耗。建筑物冬季的热负荷和夏季冷负荷有一部分来自建筑物的外围护结构。从建筑体形来说，同样面积的建筑物，接近立方体的外表面面积最小，可以节能。对于长方形的建筑物，朝向对空调负荷有相当大的影响，长边（主要面）朝向西或东的比朝向南或北的大，最大设计冷负荷大25%左右。以下就从门窗节能方面进行阐述：（1）控制窗墙比通过外窗的耗热量占建筑物总耗热量的35%～45%，在保证室内采光的前提下，合理确定窗墙比十分重要。一般规定各朝向的窗墙比不得大于下列数字：北向25%;东、西向30%;南向35%。（2）提高门窗气密性房间适当减少换气次数，建筑物的耗冷可大大降低，因此设计中应采用密闭性良好的门窗。加设密闭条是提高门窗气密性的重要手段。密闭条应采用弹性良好、镶接牢固严密、经久耐用的产品。根据门窗的具体情况，分别采用不同的密封条。如：橡胶条、塑料条或橡塑结合的密封条，其形状可为条形或楔形。可用粘贴、挤紧或钉结方法固定。2.中央空调冷热源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：1.水冷冷水机组+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，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。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。中央空调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。3．空调系统的节能措施（1）减少输送系统的能耗空调系统中，空气与水通常是冷量载体。输送过程能耗包括：通过传热的冷量损失和输送过程的流动阻力损失。对于输送冷量的水系统或空气的管路系统，克服流动阻力的能量又转变为热量导致冷量损失。减少输送过程的能耗主要可以从以下方面着手：1）做好输送冷量的水管、风管的保温。2）精心设计、正确计算系统阻力，选择合适的泵与风机的型号与规格，切忌选择流量、扬程或全压过大的泵与风机，避免不必要的能量损失。3）在满足工艺和舒适条件下，应尽可能地增大送风温差和供回水温差。常规空调的冷冻水和冷却水温差为5℃，大温差系统冷冻水温度可增加到8～10℃，冷却水温差增加到8℃。常规的空调系统送风温差一般在6～10℃，最大不超过15℃，大温差系统的送风温差在14～20℃。大温差不仅可以减少输送过程的能耗，同时减少了管路的断面，从而降低了管路系统的初投资。但是大温差也会影响空调设备的性能。如冷冻水大温差会导致风机盘管、表冷器冷却能力和除湿能力的下降，为弥补这不利的影响，可以降低冷冻水的供水温度，这样又使冷水机组的性能系数降低和能耗增加。因此确定温差时必须对利弊充分估计。也就是说，应综合考虑系统总能耗（包括输送能耗和冷水机组能耗）、经济性、环境控制质量等多方面来选择合理的温差。（2）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，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。（3）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。如上所述，影响人体热舒适性的环境参数众多，不同的环境参数组合可以得到相同的热舒适性效果，但不同的热湿环境参数组合空调系统的能耗是不相同的。例如在冬季，如果我们采用传统的空调方式，把整个室内的空气加热，通过空气实现人体与环境的热湿交换，就需要较高的空气温度，此时通过维护结构的热损失和加热新风的热损失都比较大。如果我们根据热湿环境的研究成果，改变传统的空调方式，增加辐射热（如低温地板辐射采暖），此时所需要的空气温度降显著下降，一般可达到12~14度，而传统方式一般在18~20度，显然后者比前者具有显著的节能效果。在夏季也有类似的结果。同时，许多空调系统冷热回收利用研究也在蓬勃开展，如空调系统排风的全热回收器，夏季利用冷凝热的卫生热水供应等，都是对系统冷热的回收利用，显著提高了空调系统能源利用率。（4）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。（5）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