中央空调的节能技术

中央空调的节能技术奥宇员工技术培训之三中央空调的节能技术目录一、中央空调系统的能耗分析二、中央空调冷冻水系统的节能控制三、中央空调冷却水系统的节能控制四、中央空调冷水机组的节能控制中央空调系统的工作过程——五个循环与四次热交换中央空调系统的能耗分析一、中央空调系统的能耗分析1、中央空调系统的工作过程目前，大中型中央空调系统都采用间接制冷方式。间接制冷的中央空调系统的工作过程（制冷过程）是一个多环节串联构成的复杂过程。中央空调系统的能耗分析中央空调系统的耗能设备及热量关系图2、中央空调系统的能耗分析（1）中央空调系统的主要耗能设备中央空调系统有五种流体机械——末端风机、冷冻水泵、制冷压缩机、冷却水泵和冷却塔风机，它们是流体的输送设备，驱动着系统中的五个流体循环，以保障空调制冷过程的持续进行。这些流体机械是中央空调系统的主要耗能设备。中央空调系统的能耗分析在中央空调系统这些耗能设备中：制冷机等制冷设备能耗，约占系统总能耗的40%～45%；水泵等输送设备的能耗，约占系统总能耗的20%；末端用冷设备的能耗，约占系统总能耗的35%～40%。（2）降低中央空调系统能耗的途径水泵、风机、压缩机等流体机械推动流体流动时所消耗的机械功或压缩功N，可用下式计算：102GHN式中，N——流体机械的轴功率，kW；ρ——流体的密度，kg/m3；G——流体的循环流量，m3/h；H——流体循环所需的扬程或压差，mH2O；η——流体机械的效率。中央空调系统的能耗分析流体机械的能耗W可用下式计算：h102GHNhW式中，W——流体机械的耗电量，kWh；h——流体机械运行的小时数。可见，W与流体流量G、流体扬程H、运行时间h成正比，而与流体机械的效率η成反比。因此，降低空调系统能耗的途径有：◇通过有效的管理，实现“精细化使用”，减少设备不必要的运行时间h；◇采用动态调速技术，减小部分负荷时所输送流体的流量G和扬程H；◇采用先进的智能控制技术，提高流体机械的效率η，保证流体机械始终保持在高效低耗状态下运行。冷冻水系统的节能控制二、中央空调冷冻水系统的节能控制1、中央空调冷冻水系统的复杂性特征中央空调冷冻水系统是一个很复杂的系统，其复杂性表现为：◇现代大中型建筑物的中央空调系统，空调面积大，管道结构复杂、管网庞大，形式多样，路径各异，使管路系统运行的阻力特性和延迟特性十分复杂；◇现代建筑内部功能存在复杂性和多样性，导致各个区域空调负荷需求特征差异性很大，冷热均衡控制难度大；◇中央空调系统中，无论是风系统还是水系统，其热容量和热惯性都很大，是一个典型的大惰性系统。多个环节的热惰性使控制过程存在很大的时间延迟（大时延、大滞后）；冷冻水系统的节能控制◇中央空调制冷的过程是一个多环节串联而成并与物理反应、相变、能量转换、传热传质等复杂过程相伴随的，这些过程都是高度的非线性过程；◇中央空调的负荷由建筑物围护结构的传热特性，室内人员、工艺设备、照明灯具的散热散湿状况以及新风量输入的多少等诸多因素所决定，由于气象条件和人员流动等因素的多变性，造成空调负荷的多变性与不确定性；◇中央空调运行过程的变量涉及到负荷（制冷量）、流量、流速、压力（扬程）、水温、室温、室外温度、湿度、能耗等，是一个典型的多变量系统，而且这些变量间相互关联，相互影响，存在着强耦合及非线性关系。这种复杂性使中央空调系统的动态特性不易掌握，难以用精确的数学模型或方法来描述，因而控制难度较大。冷冻水系统的节能控制2、中央空调系统负荷的时变性（1）空调负荷的概念空调冷负荷，是指要维持空调房间所要求的空气温度，在某一时刻应从室内除去的热量。空调系统的负荷主要由两部分构成：◇外部得热量：指某一时刻由外界进入空调房间的热量，包括建筑物围护结构传热、外窗太阳辐射得热、新风和渗透空气所带入的热量；◇内部得热量：指空调房间内部的热源散发热量，包括室内人员、照明、机电设备、物料等热源所散发的热量。得热量的种类，分为稳定得热量和瞬变得热量两大类。稳定得热量是不随时间变化的得热量，如室内照明和机电设备的发热量。冷冻水系统的节能控制瞬变得热量是指随时间而变化的得热量，如外部得热量，因为外部因素是不稳定的，波动幅度较大而且随天气和季节而变化。瞬变得热又分为显热得热（包括辐射得热和对流得热）和潜热得热（室内散湿过程产生的潜热）。瞬变得热使中央空调系统的负荷具有时变性特征。（2）人流量的变化人体的散热量和散湿量是中央空调系统的一种主要负荷。建筑物内人体的散热、散湿量随着室内人流量的增减而变化。由于人的流动性，使得一些大中型建筑物公共场所人流量大且人流量变化也大。人流量的变化会造成空调负荷大幅波动，这种波动不仅随时间而变化，而且还随空调区域的不同而变化。（3）室外气象条件的变化冷冻水系统的节能控制建筑物外墙、门窗的传热特性，以及输入建筑物的新风焓值都与室外气象参数（空气温度、空气湿度、太阳辐射、风速等）密切相关，因此，室外气象条件的变化会带来空调负荷的变化。当建筑物的地理位置及其围护结构确定以后，空调系统日负荷和年负荷都是变化的。空调负荷的变化使空调系统经常在部分负荷下运行，冷冻水系统广州地区空调日负荷变化曲线广州地区空调年负荷变化曲线冷冻水系统的节能控制常常在“大流量、小温差”的低效率状态下运行。显然，当空调系统的冷负荷变化时，冷冻水流量也应该跟随负荷的变化进行相应调节，否则会产生输送能耗的浪费。3、冷冻水变流量运行的可行性（1）冷冻水流量改变对蒸发器传热的影响经计算，在湍流状态下，即Re＞10000时，对于温度为0℃～50℃的水，水侧的表面传热系数是不会降低的。实质上，所谓的冷冻水变流量运行，是指负荷减小时，相应地减少冷冻水流量，而单位冷量的冷冻水流量并不减少（如每kW冷量的冷冻水流量不小于0.037L/s），所以不会影响传热效果。条件是冷冻水的流速u不应低于机组要求的最小流速——即防止蒸发器铜管内的水流状态由湍流转变为层流的最低限制流速。冷冻水系统的节能控制（2）冷冻水流量改变对冷水机组安全性的影响随着控制技术的不断进步，先进的冷水机组可以在大范围内调节机组的制冷量输出，且允许冷冻水流量在较大范围内变化运行，并保证出水温度稳定，而对机组的效率和能耗影响不大。◆冷水机组冷量输出的自动调节溴化锂吸收式机组，可在5％～105％范围内无级调节冷量输出；离心式冷水机组，可在15％～100％范围内无级调节冷量输出；螺杆式冷水机组，可在30％～100％范围内无级调节冷量输出。◆冷水机组的流量变化范围与流量变化率◇允许的流量变化范围离心机的冷冻水流量范围为30％～130％；螺杆机的冷冻水流量范围为45％～120％；溴化锂吸收式冷水机组的冷冻水流量范围为50％～120％。节能控制中，冷冻水流量调节的范围一般都不会超出这一范围。冷冻水系统的节能控制需注意的是，冷水机组流量的变化范围不可能从0%～100%，因此，冷冻水的最小流量不能小于冷水机组允许的最小流量，以确保蒸发器的安全运行。◇允许的流量变化率先进的冷水机组允许的每分钟最大流量变化率，如表所示。空调类型离心式冷水机组螺杆式冷水机组工艺性空调25%10%舒适性空调50%30%对于最大流量变化率每分钟为30%的冷水机组，其流量从0%增大到100%或从100%减小到0%时，大约需要2分钟时间；对于最大流量变化率每分钟为10%的冷水机组，其流量从0%增大到100%或从100%减小到0%时，大约需要6分钟时间；冷冻水系统的节能控制一般的冷水机组最大流量变化率每分钟为2%，则需要约30分钟时间。因此，工程中应尽量避免蒸发器水流量的瞬间突变。4、冷冻水变流量的控制技术（1）恒压差变频控制根据压差传感器ΔP安装的位置不同，可分为：◇远端恒压差控制：ΔP安装在最远的末端负载两端。◇近端恒压差控制：ΔP安装在最近的负载两端或供回水集管两端。◆负荷分布和变化对控制的影响负荷的分布和变化，对恒压差控制的影响较大。远端控制与近端控制冷冻水系统的节能控制负荷的分布不同，管路系统的阻抗损耗也不同。例：一个冷冻水系统40%负荷的三种分布情况如下：①所有负荷均匀分布②所有负荷集中在近端③所有负荷集中在远端上述三种情况负荷的总和都是额定负荷的40％，但整个管网系统的扬程损失却大不一样。第②种情况，负荷集中在管网近端，接近水泵，系统供回水间的总阻抗小，管路系统可变扬程损失小于①。冷冻水系统的节能控制第③种情况，负荷集中在管网远端，远离水泵，系统供回水间的总阻抗大，管路系统可变扬程损失大于①。在不同的负荷分布和不同控制方式下，水泵所需的扬程是不一样的。Ⅰ为水泵特性曲线；R为管路系统特性曲线；①为负荷均匀分布时的控制曲线；②为负荷集中于近端的远端控制曲线；③为负荷集中于远端的远端控制曲线；④为近端控制曲线。曲线②和③代表的是两种极端情况下的控制曲线，它们之间所所围成的封闭区域（图中的阴影区域），为远端恒压差控制时系统工况点的变化范围，这个区域称为管网扬程损失域，区域中的每一点都代表着负荷分布变动时可能出现的管网总流量与管网扬程损失之间的关系。不同负荷分布时的控制曲线冷冻水系统的节能控制管网扬程损失域说明，管网实际动态变化的复杂性不是一条抛物线所能表示的。实际上，一个系统所需的水泵扬程是在一个较宽范围内变化，即在扬程损失域内变化。◇采用近端控制时，所需水泵扬程仅取决于负荷大小而与负荷分布无关；◇采用远端控制时，所需水泵扬程不仅与负荷大小有关，还与负荷分布有关；◇采用远端控制时所需水泵扬程较小，系统运行较节能。因为远端控制时，系统具有最大的可变扬程。◇采用远端控制时，负荷集中于近端时所需扬程较负荷均匀分布时小，负荷集中于远端时所需扬程较负荷均匀分布时大。因为远端负荷需要的输送能耗大。冷冻水系统的节能控制恒温差控制原理图（2）恒温差变频控制控制原理：在冷冻水的供、回水干管上分别装设温度传感器，检测供、回水温度并传送至PLC，PLC作为控制器，将实测的温差值与设定的温差值相比较，根据偏差大小采用PID（或PI）算法控制变频器的输出频率，驱动水泵变速运行，从而实现流量调节的目的。冷冻水是传递冷量的介质，它所传递的冷量一般等于空调系统的冷负荷Q：)TT(GcQD1D2D优点：其一，空调系统的冷负荷与冷冻水供、回水温差和流量成正比，温差的变化直接反映了空调负荷的变化；其二，将定流量、变温差运行改为变流量、定压差运行，也有一定节能效果。缺点：其一，温度采集点离末端换热点有一定的距离，冷冻水至少冷冻水系统的节能控制要经过一个循环后，其温度变化才能反映出来。冷冻水的循环周期通常都较长，因此存在较大的时间延迟。其二，冷冻水热容量大、热惰性大，温度反应迟缓。因此，当负荷发生突变的时候，也要等到温度缓慢地反应出来后才能产生相应的调节动作，存在较大的控制时间滞后，影响了控制的及时性和快速性。（3）基于负荷预测的冷冻水流量动态控制技术◆负荷预测控制的基本思想对大滞后系统，控制的难度在于控制过程的不可控性和易变性，导致系统运行紊乱或振荡。为了改善大滞后系统的控制品质，早在1957年，史密斯（O.J.M.Smith）就提出了一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。冷冻水系统的节能控制冷冻水系统变流量运行时，其循环周期是变化的，其时滞时间τ也是变化的，因而不能简单地采用Smith预估器控制。冷冻水系统的这种大时滞、大惰性是客观存在的，无法改变也无法消除，控制系统的输出总是要经过时间τ才起作用。但受Smith预估器控制方法的启发，解决控制滞后的一个有效办法，就是使控制作用“超前”，就是“提前”时间τ实施控制动作。其实，提前实施控制动作的做法，很多空调管理和操作人员都在运用。例如，在早晨上班之前，很多空调系统就被提前启动。提前启动的时间往往根据实践经验进行判断决定，这个提前就是为了克服冷冻水系统的滞后（特别是容量滞后）。而提前开机的冷水机组台数，又取决于操作人员对未来时段空调负荷（需冷量）的预测判断。如果天气变化较大或负荷变化较大（如安排有大型会议等）。就适当增加开机台数或调整提前开机时间。如果采用计算机技术和现代控制技术代替人来实现这种负荷预测冷冻