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摘要：文章介绍了空调系统的能耗组成，阐述了空调系统节能措施，当系统配置确定后,主要从运行方式和加强管理方面实现节能。
关键词：空调系统；装机容量；能耗；节能措施
跟据统计资料,集中空调系统的能耗约占建筑物总能耗的60%以上,在能源紧缺的今天,如何结合实际情况实现空调系统节能已成为一个非常重要的现实课题。文章从空调系统的能耗结构着手来探讨节能途径。
一、空调系统的能耗构成
集中空调系统的能耗由必要能耗和额外能耗组成,而额外能耗由显性额外能耗与隐性额外能耗组成,空调节能就是要尽量减小这两种额外能耗。
（一）必要能耗
必要能耗为空调系统供热、供冷所耗能量之和。其计算过程包括:（１）求出标准年逐时气象资料；（２）进行空调房间动态负荷模拟,计算建筑逐时负荷；（３）空调处理系统模拟；（４）装置能耗模拟,计算逐时能耗。
因此,必须建立负荷模型、空气处理模型及装置能耗模型三个数学模型。掌握制冷机、风机、水泵等设备的动态特性就能进行设备能耗模拟,进而计算出空调系统的装机容量和全年必要能耗。
（二）额外能耗
装机容量过大造成的额外能耗与系统在运行中由于各种干扰因素而造成的额外能耗都属于显性额外能耗。在空调冷媒水及冷却水系统中,由于密封工艺不够好或疏于管理,常使大量的水流失,由此带来的能耗即所谓隐性额外能耗。隐性额外能耗增加的同时导致大量水资源的浪费,而这方面往往被忽视。
二、空调系统主要耗能因素
装机容量过大。据统计，目前国内空调系统普遍存在装机容量过大的问题, 制冷主机长期在部分负荷下运行,这些空调系统一般都在35%～55%负荷下工作,造成大量的额外能耗损失，且工作效率低。
三、空调系统节能途径
（一）制冷主机的节能运行
在空调系统中,主机能耗占总能耗60%以上,因此制冷主机的节能运行是重要环节。在空调系统设计中主机都要按最大负荷进行选择,而实际工作时多处于部分负荷工况,当工况处于制冷机高效工作范围内时能耗较小。因此控制主机在高效率范围内工作,可以达到节能的目的。常见的节能控制方法有:
１．启停最佳控制。额定工况下空调装置的能耗等于运行时间和装置容量的乘积,如果运行时间减少,消耗的电能就会按比例下降。设备启停控制在最佳状态,既能满足人们对空调环境的要求,又符合节能的原则。要实现最佳控制方式, 首先要对建筑物不同场所的空调负荷进行详细的分析计算,在此基础上寻找最佳启停控制方式。图１为杭州某大厦办公室的节能运行方案,设备运行1h停20min,午休全停。
图 １某大楼节电运行方案
分析图2可知, 停机时间为2×60min+4×20min=200min,与9h连续运行相比的节电率为200/(9×60)=37%,由此可见,其节电效果比较明显。
２．针对负荷特点选择主机,即根据实际空调负荷调节主机台数或选择主机功率。例如该大厦采用了大主机和小主机组合的办法,即白天负荷高峰时使用大主机(耗电为150kW),18:00以后部分负荷时运行小主机(耗电为113kW),则可减少能耗近25%。由此可见节电效果非常明显,并且主机也受到保护。
常见的方法还有运行参数(运行功率)和冷热水出口温度控制(比例控制)的组合方式,变风量运行等。
（二）水泵的节电运行
由于水泵在选型时大都留有余量,因此出水侧阀门都不会全开,有的仅能开到1/2,这就造成了阀门的节流损失,同时由于阀门限制水量,使主机的制冷效果不理想,往往造成单机供冷不够,双机或多机时却在部分负荷下工作,导致大量的电能浪费。应用变频调速技术,能使阀门全开,减少节流损失,而且效果明显。
例如该大厦安装变频节电器,对集中空调系统的冷却水泵(37kW)进行变频调速,安装前后的测试参数如表1所示：
表 1水泵节电测试参数对比
阀门开启度 泵电机运行功率/kW 用电量/(kWh) 进水温度/℃
变频前 70 39 780 34
变频后 100 20 400 32.4
节电率/%48.7
表1表明,对水泵进行变频调速,使得出水侧阀门全开,节电效果明显。另外,冷却水进水水温降低了1.5℃。根据经验,进水温度每降低1℃,主机冷凝压力降低20kPa,而主机冷凝压力每降低10kPa,可使主机运行耗电减少4%左右,由此推算出,该空调主机运行耗电可减少12%,因而,对整个系统来说,节能的效果就更明显。
（三）冷却塔的节能运行
冷却塔的能耗在空调系统中所占的比例虽然不大, 但由于其使用频率高，累计能耗也不容忽视。冷却塔通常是按全年最不利工况进行设计的，如何改善其工作状况,实现节能，同样具有重要的意义。
冷却塔冷却能力的影响因素有循环水量、水温、诱导风量、当地空气干湿球温度和空气中灰尘浓度等。其中,除当地空气干湿球温度和灰尘浓度无法控制(要靠管理人员勤于清洗冷却塔)外,其他因素可以通过一些控制手段来改变。找出这些因素的最佳匹配工况,即可得到节能的途径。
１．温度控制。如圖２所示,利用热敏电阻连接温度调节器,控制冷却塔风机电源的通断。热负荷变化时,通过热敏电阻的检测,发信号给调温计,控制风机的启停,热负荷小于某值时,风机停止运转,热负荷增大,则再启动风机,从而达到节能目的,此方法目前应用最普遍。
图 ２集中空调冷却水系统节能措施
２．风机台数的控制。对并联配置的冷却塔而言,风量的调节可以通过风机台数控制来实现,根据实际需要来确定风机开启的台数。
３．电机极数变换和电机变频控制,通过改变风机的转速达到节能目的。
（四）降低水系统的隐性额外能耗
１．冷媒水系统的节能。冷媒水在空调系统中主要起着中间载冷作用,其隐性额外能耗主要表现在管路保温的冷量损失及冷媒水流失方面,其中后者往往被忽视。冷媒水流失主要是由操作管理人员的疏忽所致,如排污阀、旁通阀失效或关不死。例如某空调系统试运行阶段,发现膨胀水箱经常需要补水,年补水量约1200m3,经检查发现部分排污阀未关死,造成长期排水。同时冷媒水泵漏水偏大,经测算平均流失水量为0.5m3/d,一年即为183m3,排除此故障后,水流失量仍有:1200-183=1017m3,此为由于排污阀、旁通阀导致的水量流失。取∆t=26-14= 12℃,可粗略计算损失的冷量为14238 kWh。可见,冷媒水的流失,直接造成冷量的损失,也增加装置的电耗,同时造成水资源的浪费。所以严格管理是控制冷媒水流失、降低水系统隐性额外能耗的一种有效节能手段。
２．冷却水系统的节能。冷却水系统中,水量流失主要表现在如下3个方面：
（１）蒸发耗水,冷却塔的工作原理是热水通过蒸发吸热而实现水系统的冷却，在设计工况下,冷却塔内空气近似呈等温加湿变化,空气的进出口干球温度应该近似一致,空气吸收了水分而湿度增加,焓值增加。然而当冷却负荷减小而风量不变时,空气与水热湿交换的结果是使一部分水分蒸发吸收空气的热量,使空气出口的干球温度下降,如图３所示。图３中A为空气初始状态点,C为A的等温饱和状态点,A-B是设计工况下空气状态变化过程,A-B′是冷却负荷减少而风量不变时的空气状态变化过程。显然,在A-B′过程中,空气会把热量传给水,这样空气温度下降Δt,水分将多蒸发Δd,即所谓的蒸发耗水。Δd使空气温度下降,而对冷却水的冷却无益。多余的风量要消耗电能。两部分均为隐性额外能耗,所以适当减小风量,尽量使之与冷却负荷匹配,能达到节能效果。据有关资料介绍,1台200t/h的冷却塔,冷却负荷为设计工况的40%时,空气温度下降2℃,多蒸发的水量为1.7kg/h,按每天运行15h计算,每月蒸发耗水为71.7kg/h×10-3×15h×30d=32.265t。
图 ３冷却塔内空气的焓湿量变化
从系统的角度来讲,通过增大风机送风量能降低冷却塔出水温度,有利于提高机组的性能,却增加了冷却塔的风机和水泵的电能消耗。机组冷凝温度的降低并不总是导致机组性能的提高,实际上机组的耗电指标随着冷凝压力的进一步降低有升高的趋势,因此用增大风量来降低出水温度并不总能达到节能的目的。
综上所述,按冷却负荷的变化来改变风量,可降低冷却水系统的隐性额外能耗,节水效益显著。
（２）控制飘水,减少水耗。空气将水(滴)带出冷却塔,造成水耗称为冷却水飘水,这是冷却水系统的另一种隐性额外能耗,其产生的原因主要在于循环水量过大。因此在满足冷却水机组负荷的情况下,应适当调整循环水流量,调整布水器角度,清扫散水槽,适当调整风机叶片的角度可以将飘水降至最低程度。例如,一冷却塔飘水现象严重,经检查发现冷却塔安装上存在不少问题,布水器与风机叶片角度太大,水流量过大,通过一系列的观察、调整,终于较好地解决了飘水问题。
（３）排污换水消耗。尽管排污换水是不可避免的,但是保持水系统清洁却可以降低换水的频率,从而减小水耗。
四、结论
１．空调系统额外能耗包括显性额外能耗和隐性额外能耗两种。显性额外能耗是冷热源设备和冷热量输送设备工作时受干扰因素影响或操作失误而造成的额外能量消耗,本文研究的隐性额外能耗是指由空调水系统中水量(包括冷媒水和冷却水)的流失而带来的水耗和电耗。在研究空调系统能耗中,常容易忽视隐性额外能耗,应特别注意。
２．空调系统最佳启停时刻的控制和针对负荷的不同分别选择主机功率, 对水泵进行变频调速和对冷却塔进行温控等技术手段可有效地降低系统的显性额外能耗。采取有效措施减少冷却塔的蒸发耗水和飘水,则能明显地减少空调系统的隐性额外能耗。
３．合理选择建筑物空调系统的装机容量以实现节能,避免由于系统装机容量过大而长期在低效区工作而增加额外能耗。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：空调系统；装机容量；能耗；节能措施
跟据统计资料,集中空调系统的能耗约占建筑物总能耗的60%以上,在能源紧缺的今天,如何结合实际情况实现空调系统节能已成为一个非常重要的现实课题。文章从空调系统的能耗结构着手来探讨节能途径。
一、空调系统的能耗构成
集中空调系统的能耗由必要能耗和额外能耗组成,而额外能耗由显性额外能耗与隐性额外能耗组成,空调节能就是要尽量减小这两种额外能耗。
（一）必要能耗
必要能耗为空调系统供热、供冷所耗能量之和。其计算过程包括:（１）求出标准年逐时气象资料；（２）进行空调房间动态负荷模拟,计算建筑逐时负荷；（３）空调处理系统模拟；（４）装置能耗模拟,计算逐时能耗。
因此,必须建立负荷模型、空气处理模型及装置能耗模型三个数学模型。掌握制冷机、风机、水泵等设备的动态特性就能进行设备能耗模拟,进而计算出空调系统的装机容量和全年必要能耗。
（二）额外能耗
装机容量过大造成的额外能耗与系统在运行中由于各种干扰因素而造成的额外能耗都属于显性额外能耗。在空调冷媒水及冷却水系统中,由于密封工艺不够好或疏于管理,常使大量的水流失,由此带来的能耗即所谓隐性额外能耗。隐性额外能耗增加的同时导致大量水资源的浪费,而这方面往往被忽视。
二、空调系统主要耗能因素
装机容量过大。据统计，目前国内空调系统普遍存在装机容量过大的问题, 制冷主机长期在部分负荷下运行,这些空调系统一般都在35%～55%负荷下工作,造成大量的额外能耗损失，且工作效率低。
三、空调系统节能途径
（一）制冷主机的节能运行
在空调系统中,主机能耗占总能耗60%以上,因此制冷主机的节能运行是重要环节。在空调系统设计中主机都要按最大负荷进行选择,而实际工作时多处于部分负荷工况,当工况处于制冷机高效工作范围内时能耗较小。因此控制主机在高效率范围内工作,可以达到节能的目的。常见的节能控制方法有:
１．启停最佳控制。额定工况下空调装置的能耗等于运行时间和装置容量的乘积,如果运行时间减少,消耗的电能就会按比例下降。设备启停控制在最佳状态,既能满足人们对空调环境的要求,又符合节能的原则。要实现最佳控制方式, 首先要对建筑物不同场所的空调负荷进行详细的分析计算,在此基础上寻找最佳启停控制方式。图１为杭州某大厦办公室的节能运行方案,设备运行1h停20min,午休全停。
图 １某大楼节电运行方案
分析图2可知, 停机时间为2×60min+4×20min=200min,与9h连续运行相比的节电率为200/(9×60)=37%,由此可见,其节电效果比较明显。
２．针对负荷特点选择主机,即根据实际空调负荷调节主机台数或选择主机功率。例如该大厦采用了大主机和小主机组合的办法,即白天负荷高峰时使用大主机(耗电为150kW),18:00以后部分负荷时运行小主机(耗电为113kW),则可减少能耗近25%。由此可见节电效果非常明显,并且主机也受到保护。
常见的方法还有运行参数(运行功率)和冷热水出口温度控制(比例控制)的组合方式,变风量运行等。
（二）水泵的节电运行
由于水泵在选型时大都留有余量,因此出水侧阀门都不会全开,有的仅能开到1/2,这就造成了阀门的节流损失,同时由于阀门限制水量,使主机的制冷效果不理想,往往造成单机供冷不够,双机或多机时却在部分负荷下工作,导致大量的电能浪费。应用变频调速技术,能使阀门全开,减少节流损失,而且效果明显。
例如该大厦安装变频节电器,对集中空调系统的冷却水泵(37kW)进行变频调速,安装前后的测试参数如表1所示：
表 1水泵节电测试参数对比
阀门开启度 泵电机运行功率/kW 用电量/(kWh) 进水温度/℃
变频前 70 39 780 34
变频后 100 20 400 32.4
节电率/%48.7
表1表明,对水泵进行变频调速,使得出水侧阀门全开,节电效果明显。另外,冷却水进水水温降低了1.5℃。根据经验,进水温度每降低1℃,主机冷凝压力降低20kPa,而主机冷凝压力每降低10kPa,可使主机运行耗电减少4%左右,由此推算出,该空调主机运行耗电可减少12%,因而,对整个系统来说,节能的效果就更明显。
（三）冷却塔的节能运行
冷却塔的能耗在空调系统中所占的比例虽然不大, 但由于其使用频率高，累计能耗也不容忽视。冷却塔通常是按全年最不利工况进行设计的，如何改善其工作状况,实现节能，同样具有重要的意义。
冷却塔冷却能力的影响因素有循环水量、水温、诱导风量、当地空气干湿球温度和空气中灰尘浓度等。其中,除当地空气干湿球温度和灰尘浓度无法控制(要靠管理人员勤于清洗冷却塔)外,其他因素可以通过一些控制手段来改变。找出这些因素的最佳匹配工况,即可得到节能的途径。
１．温度控制。如圖２所示,利用热敏电阻连接温度调节器,控制冷却塔风机电源的通断。热负荷变化时,通过热敏电阻的检测,发信号给调温计,控制风机的启停,热负荷小于某值时,风机停止运转,热负荷增大,则再启动风机,从而达到节能目的,此方法目前应用最普遍。
图 ２集中空调冷却水系统节能措施
２．风机台数的控制。对并联配置的冷却塔而言,风量的调节可以通过风机台数控制来实现,根据实际需要来确定风机开启的台数。
３．电机极数变换和电机变频控制,通过改变风机的转速达到节能目的。
（四）降低水系统的隐性额外能耗
１．冷媒水系统的节能。冷媒水在空调系统中主要起着中间载冷作用,其隐性额外能耗主要表现在管路保温的冷量损失及冷媒水流失方面,其中后者往往被忽视。冷媒水流失主要是由操作管理人员的疏忽所致,如排污阀、旁通阀失效或关不死。例如某空调系统试运行阶段,发现膨胀水箱经常需要补水,年补水量约1200m3,经检查发现部分排污阀未关死,造成长期排水。同时冷媒水泵漏水偏大,经测算平均流失水量为0.5m3/d,一年即为183m3,排除此故障后,水流失量仍有:1200-183=1017m3,此为由于排污阀、旁通阀导致的水量流失。取∆t=26-14= 12℃,可粗略计算损失的冷量为14238 kWh。可见,冷媒水的流失,直接造成冷量的损失,也增加装置的电耗,同时造成水资源的浪费。所以严格管理是控制冷媒水流失、降低水系统隐性额外能耗的一种有效节能手段。
２．冷却水系统的节能。冷却水系统中,水量流失主要表现在如下3个方面：
（１）蒸发耗水,冷却塔的工作原理是热水通过蒸发吸热而实现水系统的冷却，在设计工况下,冷却塔内空气近似呈等温加湿变化,空气的进出口干球温度应该近似一致,空气吸收了水分而湿度增加,焓值增加。然而当冷却负荷减小而风量不变时,空气与水热湿交换的结果是使一部分水分蒸发吸收空气的热量,使空气出口的干球温度下降,如图３所示。图３中A为空气初始状态点,C为A的等温饱和状态点,A-B是设计工况下空气状态变化过程,A-B′是冷却负荷减少而风量不变时的空气状态变化过程。显然,在A-B′过程中,空气会把热量传给水,这样空气温度下降Δt,水分将多蒸发Δd,即所谓的蒸发耗水。Δd使空气温度下降,而对冷却水的冷却无益。多余的风量要消耗电能。两部分均为隐性额外能耗,所以适当减小风量,尽量使之与冷却负荷匹配,能达到节能效果。据有关资料介绍,1台200t/h的冷却塔,冷却负荷为设计工况的40%时,空气温度下降2℃,多蒸发的水量为1.7kg/h,按每天运行15h计算,每月蒸发耗水为71.7kg/h×10-3×15h×30d=32.265t。
图 ３冷却塔内空气的焓湿量变化
从系统的角度来讲,通过增大风机送风量能降低冷却塔出水温度,有利于提高机组的性能,却增加了冷却塔的风机和水泵的电能消耗。机组冷凝温度的降低并不总是导致机组性能的提高,实际上机组的耗电指标随着冷凝压力的进一步降低有升高的趋势,因此用增大风量来降低出水温度并不总能达到节能的目的。
综上所述,按冷却负荷的变化来改变风量,可降低冷却水系统的隐性额外能耗,节水效益显著。
（２）控制飘水,减少水耗。空气将水(滴)带出冷却塔,造成水耗称为冷却水飘水,这是冷却水系统的另一种隐性额外能耗,其产生的原因主要在于循环水量过大。因此在满足冷却水机组负荷的情况下,应适当调整循环水流量,调整布水器角度,清扫散水槽,适当调整风机叶片的角度可以将飘水降至最低程度。例如,一冷却塔飘水现象严重,经检查发现冷却塔安装上存在不少问题,布水器与风机叶片角度太大,水流量过大,通过一系列的观察、调整,终于较好地解决了飘水问题。
（３）排污换水消耗。尽管排污换水是不可避免的,但是保持水系统清洁却可以降低换水的频率,从而减小水耗。
四、结论
１．空调系统额外能耗包括显性额外能耗和隐性额外能耗两种。显性额外能耗是冷热源设备和冷热量输送设备工作时受干扰因素影响或操作失误而造成的额外能量消耗,本文研究的隐性额外能耗是指由空调水系统中水量(包括冷媒水和冷却水)的流失而带来的水耗和电耗。在研究空调系统能耗中,常容易忽视隐性额外能耗,应特别注意。
２．空调系统最佳启停时刻的控制和针对负荷的不同分别选择主机功率, 对水泵进行变频调速和对冷却塔进行温控等技术手段可有效地降低系统的显性额外能耗。采取有效措施减少冷却塔的蒸发耗水和飘水,则能明显地减少空调系统的隐性额外能耗。
３．合理选择建筑物空调系统的装机容量以实现节能,避免由于系统装机容量过大而长期在低效区工作而增加额外能耗。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。