中央空调节能基本原理.docx

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中央空调节能基本原理

中央空调节能基本原理

     在中央空调系统中，水泵和风机流量Q、压力P、转速n和功率N满足如下关系：

     流量Q与转速n成正比的关系; Q=an

     压力P与转速n2成正比的关系;P=bn2

     功率N与转速n3成正比的关系：

N=gn3

   由此可见，如果采用变频器，在改变输出频率的同时，改变输出电压就能保障电动机稳定运行。

在降低电源频率时，即可降低水泵和风机转速，减少水泵和风机的流量（风量），从而按立方关系大幅度降低水泵电机和风机的功率消耗，实现有效节能。

   见表1。

表1.变频调速的节电比率如下表：

冷量

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

温差℃

2.5

2.75

3.13

3.58

4.18

5.0

水流量Q

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

泵转速n

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

水压力P

1.0

0.81

0.64

0.49

0.36

0.25

电机轴功率N

1.0

0.73

0.51

0.34

0.22

0.13

节电率

0

0.27

0.49

0.66

0.78

0.87

中央空调节能技术路线

      水系统节能的技术途径是将定流量运行改变为变流量运行。

      调节旁通阀开度的变流量方法，其目的仅在于实现空调主机的定流量运行，保护主机安全,并不能节省能量。

      增减运转水泵数量的变流量方法，调节粗放，节电效果不好。

      能够有效的节能的变流量方法，是改变拖动水泵、风机转动的交流电动机的工作频率，即改变水泵、风机的转速。

应用变频调速技术，使水泵电机和冷却塔风机按照实际的需要，降低工作频率运行，实现变流量工作，这就是水系统节能的基本原理。

      由于水泵、风机消耗的电功率与其工作频率的三次方成正比，即,变频运行的节能效果是十分显著的。

      寻求并建立水系统运行参数与主机制冷/制热效率之间的耦合关系，也就是通过优化空调主机的工况，及时调节水系统的温度、流量，提高主机的效率，这就是主机节能的基本原理。

中央空调系统潜在的节能空间为什么与工频运行时的温差大小有关？

•        中央空调水系统节能的基本原理是：

在保持流量与温差之乘积即转移的热量不变的前提下，用大温差、小流量代替工频时小温差、大流量工况，以大幅度地减少转移等量热量时的水系统运输耗能（当然，这里的大温差、小流量是有约束条件的）。

•        若工频时，流量为1，温差为1，转移的热量=1×1=1。

变频调速后，流量减小为0.5，温差扩大为2，则转移的热量=0.5×2=1不变；但水泵消耗的电功率则锐减至

  （0.5）3=0.125，节能效果是非常明显的

•        GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》6.4.1条

（2）空气调节冷水供回水温差：

5～10℃，一般为5℃（其他国家的地区也常用较大设计温差，并在国内一些工程中使用例如建筑物取6～9℃，区域供冷为8～10℃。

   考虑到我国目前制冷设备常用冷热量的名义工况，推荐为5℃）。

7.7.2条（3）冷却水进出口温差应按冷水机组的要求确定：

电动压缩式冷水机组宜取5℃，溴化锂吸收式冷水

机组宜为5～7℃（当考虑室外气候条件可采用较大温差时，应与设备生产厂配合选用非标准工况冷却水量的设备）。

     如某系统工频运行时冷却水温差均值为3.5℃，则其潜在节能空间按（3.5/5）3=0.343计，约65.7%。

中央空调及其节能

1 空调

  空调，即空气调节，指使房间或封闭空间的空气温度、湿度、洁净度、气流速度等参数，达到给定要求的技术。

  空调可分为舒适性空调和工艺性空调。

·舒适性空调满足人的居住，工作和活动时对环境舒适性的要求。

一般把冬季18～24℃,夏季22～28℃作为舒适性空调的标准。

·工艺性空调满足生产、科研过程对环境空气参数的要求。

  工艺性空调对温度变化范围、湿度、空气洁净度和气流速度等有特殊要求。

1.1 空调作温度调节时的主要物理过程

空调作温度调节时的物理过程的主线是热量转移。

有时说冷量转移，实际上，冷量转移与热量转移是等价的。

（1）      中央空调热季制冷时，热量转移的过程可示意如下。

·室内空气中的热量，通过风机盘管传热作用转移到冷水中；冷水升温，室内空气降温。

·制冷机消耗外部能量做功：

把冷水中的热量搬移到冷却水中；冷却水升温，冷水降温。

·冷却水中的热量，经冷却塔喷淋气化、风机吹风蒸发作用，转移到室外环境大气中；室外空气升温、湿度加大，冷却水降温。

需要说明的是：

·空调运行时转移的是热量，不是携带热量的水和空气。

室内空气并没有流到室外去；冷水和冷却水是相互隔离的。

·冷却水带出的热量大于从空调室内移出的热量，其差额部分就是制冷机耗能做功产生的热量。

·上述热量转移过程必须连续不断地进行，通道中任何一个地方都不能中断或消弱热量转移；否则，该处就会因为热量堆积而引发故障。

·热量转移的最终归属应该是一个可以无限吸纳热量的“无底洞”，通常就是环境大气和地下水。

（2）      中央空调冷季制热时，热量转移有两种方式。

·一种是先把煤、油、燃气的化学能转化为热能，再通过携带热量的热水，把热量经风机盘管转移到空调室内。

·另一种是热泵方式。

热泵是通过四通换向阀实现蒸发器与冷凝器功能互换的高效制热机。

热泵消耗一部分外界能量做功，把室外大气、地下水等较低温度的低位热能，提升温度使之成为可以直接利用的高位热能，然后通过携带热量的水或空气，把热量转移到室内空气中。

（3）      转移热量的计算

热量转移时，如果工质（水）的相态没有变化，经传热器转移的热量Q=kF△t。

式中，k=cp为常数。

c为水的比热容，p为水的比密度，F为循环水的体积流量（m3/s），△t为流经传热器前、后水的温度差（℃）。

   循环水系统经传热器转移的热量取决于流量F和温差△t的乘积。

这是以小流量、大温差代替大流量、小温差转移等量热量的依据。

1.2    中央空调系统的耗能

（1）      运输耗能

热能从高温物体传到低温物体是无需耗能，可以自发完成的。

但对中央空调来讲，这种自发的过程无法实用，必须对携带热量的冷水、冷却水施加推动力，使之作快速的长程运输，这是用水泵、风机完成的。

水泵、风机的耗能，常称水系统耗能或辅机耗能。

以压缩式制冷机为主机的中央空调系统，水系统耗能占系统总耗能的份额（平均值）约27.5%。

运输耗能的经济性指标是水输送系数，定义为提供给水系统的热（冷）量与输送水消耗电能量之比。

（2）      补偿耗能

热力学第二定律指出，热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体。

要想完成上述热量转移，必须消耗外界能量做功以作补偿。

这种补偿耗能就是制冷机，热泵的耗能，也称主机耗能。

制冷机补偿耗能的经济性指标是性能系数（COP）和能效比（EER），两者都定义为制冷量与净输入功率之比，且净输入功率都以W为单位。

同一台制冷机，在制冷量和净输入功率相同的情况下，由于使用制冷量的单位不同，所得的经济性指标值不一样。

若以kcal/h为单位COP=1时，制冷量改用W为单位，则COP=1.16;制冷量以BTU/h为单位，则EER=3.97。

· 热效率为了100%的一台100KW电炉，产生的热量是100KW。

一台效率为100%、净输入电功率也为100KW的制冷机，其制冷量也是100KW吗？

回答是否定的。

压缩式制冷机消耗电能做功，实现人工制冷的逆卡诺循环，将热量从低温端搬移到高温端。

开利离心式制冷机，额定输入电功率为211KW，制冷量为了1055KW，COP=5。

制冷机的制冷量总大于净输入功率，这并不违背能量守恒定律。

制冷机耗能用于搬移热量，并不是用于制造热量。

· 各种功、功率、冷量、热量单位的换算关系如下。

1Cal（卡）=4.1868J（焦）,1kcal=103cal=Cal（千卡，大卡）;

1kW=860kcal/h=3412BTU/h,1BTU（英制热量）=1055J=252cal;

1HP（英制马力）=745.7W,1PS（公制马力）=735.5W;

1USRT（美国冷吨）=3.5169kW=3024kcal/h,

1JRT（日本冷吨）=3.86kW=3320kcal/h,

1BRT（英国冷吨）=3.923kW=3373kcal/h.

2        中央空调

中央空调也称集中式空调，用一台或几台制冷/制热机组集中供冷/供热，是集中进行空气处理、输送和分配的空调技术。

当空调房间数为40～500间时，中央空调的耗能约为分散式空调的63%～74%。

按空气处理设备的不同，中央空调可分为

·集中系统：

用风管集中进行空气的处理、输送和分配。

·半集中系统：

各空调房间内的空气处理由各自的风机盘管完成。

·混合系统：

即有集中系统，又有半集中系统。

2.1  中央空调系统

2.1.1 大、中型中央空调系统，从布局上看，大致可分为三个部分。

（1）空调机房

  制冷制热机组及其控制、辅助设备，低压配电柜，水系统的阀门，水泵、旁通阀、分水

箱、集水箱、各种传感器等等，通常被安装在一个机房内，也称制冷制热站。

（2）      循环水管网

其主体是分布在建筑物中的循环水管道，还有冷却塔，加压泵等。

管网连通制冷制热机组与末端装置，制冷制热机组与环境大气，是热量转移的通道。

（3）      末端装置

半集中系统的末端装置多为风机盘管，二（三）通阀，装在空调房间内，实现管网中冷/热水和室内空气间的热交换。

末端装置还有新风机、排风机、空气过滤器、加湿机、去湿机等。

2.1.2 中央空调系统，从功能上看，可分为另三个部分

（1）      冷热源，即空调主机

（2）      冷/热水循环系统

冷/热水循环系统为闭式系统，在最高处设置膨胀水箱，在机房内设置定压补水装置。

 a  按冷/热水管道的设置不同，冷/热水管网可分为：

 两管制：

用同一套管网，热季循环冷水，冷季循环热水，不能同时供冷又供热。

 三管制：

供水管路为两套，分别供冷和供热，末端装置可选择用冷或用热；回水管路为同一套。

四管制：

用两套不同的供、回水管路，分别供冷和供热。

b  按水流在末端装置中的路程不同，冷/热水管网又可分为：

·异程系统：

水流经过各末端装置的路程不相等。

·同程系统：

水流经过各末端装置的路程相等。

c  按有无加压泵，冷/热水管网还可分为：

·一次泵系统：

只用一次泵推动冷水在用户装置与主机蒸发器之间循环。

·一、二次泵系统：

一次泵推动冷水通过主机蒸发器循环，二次泵（加压泵）向用户提供冷水。

 冷/热循环水，从主机流出的，称供水；流入主机的，称回水。

（3）冷却水循环系统

  冷却水系统，只在热季制冷工况下才需运行。

  冷却水为开式系统，冷却塔与大气连通，需要经常补水。

  冷却水，从主机流出的，称出水；流入主机的，称进水。

2.2 中央空调系统示意图

图中， 主机为双台直燃型溴化锂吸收式冷热水机组，热季工况运行，主机在供冷的同时供给生活热水；冷/热水循环系统为两管制，同程式，一、二次泵系统，一次泵二用一备，二次泵一用一备；

冷却水泵二用一备；

图中标注的参数为额定工况下的运行参数。

3  中央空调系统节能

3.1 空调耗能的宏观态势和政府的节能方针

目前，我国中央空调耗能己占建筑耗能的60%以上，并有逐年上升的趋势。

一些大、中城市空调用电占高峰时段用电量的35%以上。

作为世界第二大能源消费国，国家发改委在2004年发布了《节能中长期专项规划》。

《规划》指出，“我国单位建筑面积采暖能耗相当于气候相近发达国家的2至3倍”；“我国公共建筑和房住建筑全面执行节能50%的标准是现实可行的；与发达国家相比，即使节能50%后，仍有50%的节能潜力”；“中央空调系统应采用风机，水泵变频调速技术”。

国家标准《集中式空调系统经济运行》（征求意见稿）指出，“为适应空调负荷的变化，对制冷压缩机、水泵、风机应采用节能调节措施，如台数控制、变速装置等，不宜使用节流、旁路排放等方法”；“在满足生产工艺和舒适性的条件下，合理降低建筑物空高的温、温度标准，适当增大供回水温差。

”

3.2 中央空调系统的节能空间

传统的中央空调系统的设计，以当地气象资料的极端条件为环境因素，以最大需冷（热）量为负荷因数，再加上一定的安全系数，选择冷热源的容量和水系统的运输能力。

并以此作为典型工况。

这种典型工况与实际工况相差甚远。

据介绍，我国大多数宾馆的中央空调，全年之中有70%以上的时间都运行在设计负荷的50%以下。

中央空调一开机，水泵和风机就50Hz满负荷情况下运行，而不管实际需要转移热量的多少。

其结果是造成水系统多数时间都在大流量、小温差下运行，既浪费了运输能量，还在制冷工况下加重了主机的耗能。

（1）中央空调系统潜在的节能空间，与工频运行时温差的大小有关。

水系统节能的原理是：

在转移等量热量的条件，以大温差、小流量代替小温差、大流量工况，由于水泵、风机消耗的电功率与流量的立方近似成比例，从而大幅度地降低转移等量热量时的运输耗能。

如：

工频运行时，设流量F=1，温差Δt=1，转移的热量Q=KFΔt=1，水泵消耗的电功率P=mF3=1（取k=1m=1）；变频调速运行时，若F=0.5，Δt=2，则转移的热量Q=0.5×2=1，不变，而这时水泵消耗的电功率P=（0.5）3=0.125。

（2）扩大温差、降低流量不能任意进行，是受约束的。

GB50019—2003的推荐值是：

冷水供回水温差一般为5℃，热水供回水温差一般为了10℃。

电动压缩冷水机组的冷却不进出口温差宜取5℃。

澳化锂吸收式冷水机组的冷却水进出口温差宜取5～7℃。

如：

某中央空调工频时冷却水温差的均值为3.5℃，冷却水泵潜在的节能空间可按（3.5÷5）3=0.343计，约可节电65.7%。

（3）热季制冷工况下的大温差、小流量运行，有利于主机节能。

冷水、冷却水系统，在流量不变即流速不变的情况下，水泵消耗的电能，没有用来增加水系统的动能和重力位能，仅用以克服管阻做功，其最终会造成冷水、冷却水升温，这将加重制冷主机的负荷。

而小流量运行，可降低这部分有害的热量的产生。

这是优化水系统运行参数能使主机节能的主要原因。

（4）空调负荷侧的需冷/热量，与季节、气象、时段、昼夜、周日、客流等诸多因素有关，是随机变量。

若以P。

表示典型工况下系统总的额定功耗，P（t）表示系统运行时实际需要的功耗，那末中央空调系统理论上可节约的能量为∫[P。

-P（t）]dt，即为下图中阴影部分的面积。

中央空调水系统的自动控制

自动控制是采用控制软、硬件使被控对象自动的按照给定规律运行。

按控制目的不同，中央空调自动控制有运行控制、保护控制、节能控制等。

1．开环控制和闭环控制

   按系统中是否有被控变量反馈到输入端，控制系统可分为开环控制和闭环控制两大类。

1.1 开环控制系统

开环控制的输入量是预先给定的，不受输出量的影响，即没有反馈回路。

原理框图如下：

  开环控制多用在控制要求不高，环境条件和系统参数比较稳定的场合。

·手动变频调节循环水流量，是一个开环控制系统。

  手动调节电位器电压（0～10V）作为参考输入量，变频器在输入电压控制下，自动变频变压，控制水泵转速进而控制循环水流量。

·简单编程控制循环水流量，也是一个开环控制系统。

  按不同的时段设置不同频率值，作为参考输入量，以后的控制过程同手动变频。

1.2 闭环控制系统

闭环控制有反馈回路，把被控变量反馈到输入端并与参考输入作比较，得到误差信号；误差信号加入控制器；控制器按减小误差的方向改变被控变量。

原理框图如下：

闭环控制具有将误差减至最小的趋向，对环境条件和系统参数的变化有一定的抗干扰能力；但在有些情况下，闭环系统的误差校正作用，会导致系统不稳定。

·用压差传感器测得的冷水供回水压差，控制旁通阀开度，是一个闭环系统。

  设参考输入值为Po；当压差传感器测得的实际压差即反馈信号P>Po时，误差信号有输出，控制旁通阀电机向开度加大方向转动，使P=Po。

·冷却塔风机的开/停控制，也是一个闭环系统。

  设参考输入值为温度T1、T2。

当温度传感器测得的实际冷却水进水温度即反馈信号T>T2时，误差信号有输出，接通冷却塔风机；T