大型公共建筑空调系统的节能技术探讨

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-12-04浏览：26次

　　摘要：本文对大型公共建筑空调系统节能方式进行了探讨，分析研究了几种常见空调技术，具有较强的理论和实用价值。

　　关键词：大型公共建筑,空调系统,节能技术

　　0引言

　　大型公共建筑往往将公寓、办公、商场、娱乐等多种功能集中在一起，其功能比较复杂。对于这种多功能的大型建筑，针对各部分作用和不同的工作特性及使用时间，经常会处于部分负荷状态下运行，尤其对于高能耗比重的空调系统，节能技术的应用潜力非常巨大。目前，节能技术在大型公共建筑空调系统中的应用已非常普遍。

　　1准确计算冷热负荷及选择恰当的冷热源

　　冷、热负荷是空调系统最基础的数据，减少冷、热负荷影响制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵、风机盘管等设备的型号，从而减少系统的初投资及所需的配电功率，是降低能耗的根本措施。《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003中规定，“除方案或初步设计阶段可使用冷负荷指标进行必要的估算外，应对空气调节区进行逐项逐时的冷负荷计算”，因此在大型公共建筑中央空调的设计中，设计人员必须对每个房间的夏季得热量和冬季散热量进行逐时的计算，然后累加得出整个建筑的冷负荷来选择制冷机的制冷量，进一步确定每个房间的空调方式。但目前很多设计人员都是用概算指标估算且指标一再加大，使冷、热源主机长期在低负荷、低效率下，冷热源选择过大的情况相当多。负荷计算是一个非常繁复的过程，其中要用到大量的气象数据、维护结构的相关数据等。如果一栋面积较大的公共建筑要用人工进行负荷计算，将消耗大量的时间，至使工作效率低下。而现在工程设计工期一般较短，显然人工负荷计算已不能满足现在的工作方式和社会的发展。负荷计算软件的开发和利用，大大缩短了负荷计算的时间。

　　在空调冷热源选择中，制冷主机常见的是离心式、螺杆式、活塞式等大型冷水机组，主机都要按最大负荷进行设计，而对每个具体工况而言，都有一条最佳的特性曲线，满足这条曲线工作，主机效率最高，能耗最小，可以达到节能的目的。

　　热源多采用中、小型工业锅炉和城市热网。对锅炉来讲，选用效率较高的锅炉以获得较高的热效率是很重要的，必须全面考虑建筑物冬季热负荷情况，合理配置锅炉房内单台锅炉容量和锅炉台数。

　　机组的组合不能简单的选择等容量机组，容易造成系统调节不灵活。机组台数不能过少或过多，台数过少则负荷可靠性下降。负荷高峰时机组出现故障，影响比例大，同时，机组台数少意味着单台制冷负荷大，一旦开启，只有部分负荷时就不适应，对离心式机组，还易发生喘振现象;机组台数过多则单机容量下降，机组COP下降，能耗高，同时，配置的循环水泵也多，水泵并联多，并联损失高。如果不恰当的使用多机头机组，绝对故障点太多，增大启动电流。因此，机组组合须根据全年负荷情况，合理搭配。

　　2风系统计算中的节能

　　新风的正确处理是空调系统节能的有效措施之一。出于对人身体健康的考虑，利用回风时不能无限制的减少新风，新风占送风量的百分数不应低于10%。新风系统的风机风量可以设计为总送风量和最小新风量两档调节。当室外空气焓值大于室内空气焓值时，采用最小新风档;反之则采用全新风运行，并可关闭冷源及其水系统，可有效减少设备能耗，而且还能改善室内空气品质。某些公共建筑部分在冬季仍需供冷，对于风机盘管空调系统由于其新风量无法增加，可以采用冷却塔供冷。风机的节能效果可用风输送系数(ATF)来分析。风输送系数是单位送回风机输入功率所排走的显热量，见下式：

　　其中Q----输送的显热量(kW);

　　∑P---送回风机的输入功率(kW)。

　　对定风量空调中应保证ATF≥4。

　　风管应选用优质高效的保温材料，加强保温隔热，保温层的厚度不仅要满足防结露，更应注意满足节能要求。同时，还要保证风系统的密闭性，密闭性不好的系统，其漏风造成的能量损失将占到送风量的5%-10%，远超出合理的范围，故应当选择气密性较好的空气处理设备和风管连接方式，做好密封处理和严格加工质量。

　　3水系统的计算及节能

　　空调水系统一般包括冷却水系统、冷冻水系统和冷凝水系统。水系统的输配用电，在冬季供暖期间约占整个建筑动力用电的20%-25%;夏季供冷期间约占12%-24%，因此水系统的节能具有重要意义。

　　(1)系统的优化选择。闭式冷却水系统中冷却水泵的扬程只需克服水在管道中的流动阻力。相比之下，开式冷却水系统冷却水泵的扬程还要克服从冷却水池至高位冷却塔之间的高差，系统的能耗增加了。因此，在尽可能的情况下多选择闭式冷却水系统。

　　(2)各环路的平衡计算。设计人员应重视水系统的设计，保证各环路水力平衡，并认真核对计算空调水系统的相关系数，切实落实节能设计标准的要求值，尽可能加大水系统的供回水温差，可减少循环水量，节省输送能耗。夏季，在满足空气处理要求的前提下，尽可能采用初温较高的水。有资料表明，水初温每提高l℃，可节省2%-3%的电能。

　　(3)冷却塔的节能。冷却塔是冷却水系统的重要设备，其性能对整个空调系统的正常运行都有影响。冷却塔的选择要根据当地气候条件、冷却水进出口温差及处理的循环水量按冷却塔选用曲线或冷却塔选用水量表来设置。

　　(4)减少系统中水的耗失量。水的大量耗失，不但增加水资源的压力，也增加冷水机组、水泵和冷却塔的电能消耗。在冷却水系统中，要控制冷却塔的风机转速和运转台数，避免大风量造成水的过多流失;在冷冻水系统中，冷冻水在空调系统中主要起着中间载冷作用，要加强冷冻水系统的监控和管理，避免因为排污阀、旁通阀失效或关不死所致的水量流失。对排污阀而言，虽然水的消耗是不可避免，但保持水系统清洁却可减少排污换水的频率，从而减少水的流失。

　　(5)采用变频技术，亦称为变水量系统。变频技术在水系统中的应用主要是在水泵和冷水机组上，但在水泵的应用上较为成熟.。水泵的选择是按照最大设计负荷选定的，有10%的余量，最绝大部分时间内实际负荷比设计负荷低，一年内负载率在50%以下的运行小时数约占到50%以上，系统在流量固定的情况下，在全年绝大部分运行时间内，冷冻水和冷却水的温差仅为1.0-3.0℃，即在低温差大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，造成了能源浪费。采用变水量系统，针对水泵运行环境参数的非线性模量变化，通过采集运行时的变量，得出相应的控制参数，传送到水的自动控制系统，改变水泵的转速，从而改变循环流量，以保证空调系统的最佳工作状态，大大减少了系统的能耗。

　　4常见空调设计中的节能技术

　　(1)蓄冷空调技术

　　蓄冷空调系统是根据水、冰以及其它物质的蓄热特性，尽可能利用非峰值电力，使制冷机在满负荷条件下运行，将空调所需的制冷量以显热或潜热的形式储存在水、冰或其它物质中，一旦出现空调负荷，便可使用这些储存的冷量满足空调系统的需要。利用蓄冷技术，政府部门实行电力供应峰谷不同电价政策，在用电低谷期蓄冷，在用电高峰期供量，缓解了电力建设和新增用电矛盾。一方面，随着峰谷电价比的加大，用户侧可减少空调运行费用，降低用电成本;另一方面，采用蓄冷空调技术不仅移峰填谷，还有利于提高电网负荷率和电网的安全经济运行。

　　蓄冷按介质可分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷和气体水合物蓄冷四种方式，各有其适用的环境。现以盘管式蓄冷系统为例，说明冰蓄冷空调系统的工作原理。如图1、2所示：

　　(2)变频调速控制技术

　　变频调速是集电力电子技术、微电子技术、控制技术于一体，通过改变电机电源频率来改变交流电动机转速，从而实现变速调节降低能耗的一种技术。现代变频调速控制技术应用在中央空调系统中，主要是应对水泵和风机运行环境参数的非线性模量变化，通过采集系统运行时的各种变量，得出相应的控制参数，传送到水和风系统的自动控制系统，改变水泵和风机的转速，从而改变循环流量，以保证空调系统在各种负荷条件下均处于最佳工作状态，可大大减少系统的能耗。中央空调中广泛采用的变风量系统和变流量水系统，均是变频调速技术的应用，节能效果非常显著。

　　中央空调系统负荷的变化，会导致系统工质参数(即主机运行环境)的变化，主机效率(COP)也随之而变化。通过有效控制系统工质参数，可以优化系统的运行效率，然而，这些参数的运行特征表现为非线性和时变性，因此，传统的或简单的控制技术都难以取得满意的效果。新型中央空调系统节能技术采用智能模糊控制系统。该系统采用先进的计算机技术、模糊控制技术、系统集成技术和变频调速技术，实现了中央空调冷媒流量系统运行的智能模糊控制，科学地解决了中央空调能量供应按末端负荷需要提供，在保障空调效果舒适性的前提下，最大限度地减少了空调系统的能源浪费，达到了最佳节能的目的。同时，该系统可与新建的中央空调系统配套使用，也可取代传统的定流量控制模式对现有的中央空调系统进行技术改造，提供先进的节能控制运行模式。

　　(3)吸收式制冷技术

　　吸收式制冷是利用制冷剂气化吸热实现制冷，直接利用热能驱动，以消耗热能为补偿将热量从低温物体转移到高温物体中去。利用该吸收式制冷技术的制冷机组，其热源可采用附近的工业余热、废热，在夏季便实现对外界空气的冷却，在冬季可直接加热外界的低焓值空气，也可利用太阳能作为能量输入，对综合利用热能有实际意义。吸收式制冷原理见图3：

　　(4)热回收技术

　　在空调系统运行中，状态不同(载热不同)的两种流体(一般为空气、水、制冷剂或载冷剂)，通过热交换设备进行总热(或显热)传递，不消耗或少消耗冷(热)源的能量，完成系统需要的热、湿变化过程叫热回收过程。

　　热回收技术的应用之一是在中央空调风系统中安装排风热回收装置，即采用全热交换器或转轮式热回收装置，使新、排风进行热交换，最大限度地把排风的显热(冷)和潜热(冷)交换到新风系统中去，有效解决了新风的节能问题。空调系统中，往往忽视换气排气所带走的冷热量，造成极大的能源浪费。我们知道，新风负荷占空调负荷的比较较大，一般会占到20%-30%。在设计时，为了保证室内环境卫生，空调运行时要排走室内部分空气，必然带走部分能量，而同时又要投入能量对新风进行处理。如果安装有能量回收装置在系统中，则用排风中的能量来处理新风，便可减少处理新风的能量，降低机组负荷，提高空调系统的经济性。

　　热回收技术的应用之二是在冷凝热的回收上。传统上，冷凝热是通过冷却水系统送到冷却塔排放到大气中，这不仅造成热量的浪费，同时也加强了城市大环境的热岛效应。从节能角度看，大型公共建筑例如大型的宾馆，需要生活热水，如果在空调系统中安装有冷凝热回收系统的装置，有效回收冷凝热，可替代传统锅炉对大楼进行热水供应，节约锅炉燃油消耗。空调设计中，对于中高档宾馆，一般取冷负荷指标为100-150W/m2，而冷凝热量一般为冷负荷的1.25倍左右，可见空调冷凝热量从数量上看相当庞大。因此，冷凝热直接排入大气势必造成大量宝贵能源的浪费。冷凝热一般分为三个部分，高温显热、液化潜热和过热热量。过热蒸汽的温度一般在45℃-90℃之间，而相变热量再40℃-50℃之间。对于中央空调系统要求供应热水，其温度一般要求在60℃左右，根据两种热量性质的不同，可采取直接回收或者间接回收，以节约能源。

　　目前，制冷机组常用的冷凝器冷却方式主要有风冷式，水冷式和蒸发式。其中蒸发冷凝式制冷机组采用平板液漠蒸发式冷凝技术，通过将冷凝器直接置于冷却塔内部，即可直接获得更接近空气湿球温度的冷却水温度，降低了制冷工质冷凝温度，冷却效率高于其它两种方式。

　　如果热回收的热水温度要求较高，则制冷机组冷凝温度需升高，一般螺杆式冷水机组冷凝温度为39℃，而冷凝温度每升高1℃，制冷效率降低2.1%，如果生产45℃热水，则冷凝温度至少需要46℃，则制冷效率减少14.7%。因此需要回收15%左右的冷凝热回收才不影响制冷机组的综合能效系数。如果冷凝温度过高，则冷凝压力过大，设备制造成本显著增加。工程实践证明，回收10~15%的能凝热量总的能源利用率最高，目前只有螺杆式冷水机组比较适用于热回收，因为离心机组的冷却水出水温度大多要限制在40.6℃以下，并且在部分负荷运行时很容易发生喘振。而螺杆式制冷机组的调节性能好，冷却水出口温度可达50℃以上，因此生产热水温度较高，完全能符合卫生洗浴热水温度，生产热水量能满足空调季节卫生洗浴热水，节约了空调季节生产热水所消耗的能量。

　　(5)热泵空调技术

　　热泵是一种利用高位能使热量从低位热源(低温热源)流向高位热源(高温热源)的节能装置，是直接燃烧一次能源而获取热量的主要替代方式。目前，热泵在暖通空调中得到广泛应用，主要为暖通空调提供100℃以下的低温用能。这是一项很有节能潜力的新技术，也是空调减少CO2、SO2、NO2、排放量的一种有效方法。因此，在工程实践中，常在空调系统的部分设备或全部设备中选用热泵装置。空调系统选用热泵时，称其系统为热泵空调系统，或简称为热泵空调。热泵空调技术的广泛应用，出现了水源热泵、空气源热泵、地源热泵、VRV多联机组等。热泵供热的原理的可见图4中所示：

　　由T-S图可知，热泵机组从室外低温热源吸收的热量Q0(图中面积为15781)，消耗的能量为W。(图中面积为123451)，向房间释放的热量Q1(图中面积为2345782)，Q1= Q0+ W。利用热泵肯定比单纯用电能加热生产热量更多，效率更高，更节能。

　　随着夏季空调的广泛使用，我国用电高峰已逐渐从冬季转到夏季，从而使冬季电力供应能力过剩。需要增加冬季用电负荷，减少冬夏季电负荷差，这是近年来各地推行电采暖的实质原因。直接电热相当于燃煤供热效率为30%，无论如何不应推广。热泵方式的主要问题是从哪种低温热源中吸取热量，怎样使低温热源能够提供足够的热量，同时热泵节能高效提取。依低温热源不同，常见的热泵形式有：热泵型家庭热水机组，即从室外空气中提取热量制备生活热水，当没有余热、废热可利用时，这种方式应是提供家庭生活热水的最佳方式;空气源热泵，冬季从室外空气中提取热量为建筑供热，主要应用于住宅和其它小规模民用建筑供热;地源热泵，包括地下水地源热泵、地埋管地源热泵、地表水地源热泵，其中地下水地源热泵是通过从地下抽水提取其热量后再把水回灌到地下，用于建筑供热，地埋管地源热泵，是通过在地下垂直地或水平地埋入塑料管，通入循环工质，成为循环工质与土壤间的换热器，需要注意造价问题和热平衡的问题，地表水地源热泵，或从江河湖海中提取热量，或直接从城市污水中提取热量，据测算城市污水充当热源可解决城市20%建筑的采暖。综上热泵也是对新能源的开发利用，受到当地环境的限制，并且还需要和国土资源、规划部门的协调。

　　结束语

　　本文讨论了节能技术在大型公共建筑空调系统上的应用，从冷热负荷的准确计算、冷热源的选择、风系统计算、水系统计算到几种常见空调系统中的节能技术，分别从理论和引用数据的角度强调节能技术的重要影响。

　　参考文献：

　　[1]彭卫池.节能技术在中央空调系统中的应用[J].广州建筑.2005，(4)

　　[2]廉乐明，李力能，吴家正等.工程热力学[M].北京:机械工业出版社，2005

　　[3]杨向东，左帅赢.中央空调节能方法研究[J].四川建筑.2008，28(3)

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