郭 杰 严良文 李 文 丛 阅
(浙江桐乡新凤鸣集团)(上海大学机电工程与自动化学院)
目前民用、商用建筑使用的中央空调系统普遍存在能耗偏高的问题,空调年耗电量超过400亿kW·h。在许多地区的电网中,空调制冷负荷比重超过30%~40%,是众多能耗当中重要的一部分[1-4]。统计资料表明,在建筑物的总运行能耗中空调系统占到30%~50%,而为整个冷水循环系统提供动力的冷水循环泵耗电量又占空调系统耗电量的18%左右,即循环水泵耗电量占建筑物总能耗的5.4%~9.0%,这是一个非常可观的数字[4]。在空调系统的设计及设备选型中均以最大负荷作为设计工况,而实际运行中空调负荷则随多种因素波动,有时工作负荷甚至还不到设计负荷的10%,大量能源被浪费。我国目前中央空调水送能耗与重视节能设计、节能管理的欧美等发达国家,特别是日本相比,差距较大。以日本绿色饭店空调水送能耗评定指标为例,其规定值不大于28.6 W/kW,而统计表明,我国目前普遍为 59~143 W/kW,是日本的2~5倍。这说明平均有60%以上的电能被浪费[5]。
在能源问题日渐突出的今天,对空调的水系统进行节能改造变得非常普遍。当然这一部分确实有很多的 “能”可以节,主要体现在以下几个方面:(1)空调系统的设计原则是按照最极端的天气情况选择制冷机组及匹配循环水系统,甚至还使用安全系数放大系统负荷,但实际上一年之中绝大部分时间工作负荷远低于设计的最大负荷,而水泵通常是全速运行输送最大的流量,因而浪费了大量电能。(2)由于水力系统设计的复杂性,设计工况与水泵实际运行工况存在较大偏差,循环水的实际输送情况可能与设计不符,可能出现扬程偏高、流量偏大的情况,以及水泵处于低效区工作和水泵实际能量转换效率差等情况,这些都会造成能源浪费。(3)由于空调所处地昼夜温差、季节变化、人员流动等原因,使得空调工作负荷始终处于一定范围的波动之中,而水泵无法跟随负荷的波动调节自身的运行状况,只能以工频全速运转输送循环水。这些情况在现场中十分普遍,也引起了相关技术人员的注意。由于变频节能技术已经得到相当大的推广应用,一些现场技术人员认为,只要使用变频技术就一定能节能,但对于是否适合于现场的实际情况,以及变频后的节能效果是否明显,往往疏于考虑。
中央空调的水系统是否需要做变频改造,首先必须考虑空调系统负荷率的问题。一般空调系统是按照冷冻水和冷却水进回水温差为5~7℃设计的,因此系统的水流量就是按照最极端工况下的满负荷情况来设计的,并匹配相应的水泵。而实际运行过程中,由于受外界环境温度、内部人员流动等多方面因素的影响,实际测量冷冻水和冷却水的进回水温差大约只有1~2℃,这说明系统负荷非常小,而水系统机组却处于全速运行状态。当然对于系统的负荷情况必须有一个长期全面的测量,才能将循环水系统流量降低到一个合理安全的范围。同时,还需要综合考虑制热和制冷的工况,把握整个空调工作期间的运行情况和每天不同时段的负荷率。长期处于负荷低、波动大工况的系统是有很大的节能空间的。因此在决定对系统改造前,要全面地监测冷却水及冷冻水的进出口温差,以及循环水流量、压力等参数,针对空调系统实际运行负荷率及现场工况特点等情况制定周详的改造方案。同时需要特别注意:并不是水系统温差小就一定说明负荷率低,有时由于系统运行年限已久、换热系统结垢等原因,虽然温差小,但是楼内制冷效果并不好,对这种情况一定要区别对待。这种情况并不是由于负荷低而是由于换热器换热效果不佳造成了进回水温差小,因此应先对系统管道进行清洗后再考虑是否需要进行变频改造。
虽然变频可以降低水泵的能耗,但不能忽视另一个问题:当水泵转速降低后,流量随之下降,此时制冷机组的COP下降,导致能耗加大,因此改造之前需要衡量这两方面的得失。随着制冷剂技术的发展,蒸发器和冷凝器的循环水流量可以在一定范围内变化,例如日立水冷螺杆式冷水机组允许蒸发器、冷凝器水流量在额定流量的30%~130%之间变化,该范围内的流量变化引起的制冷机组COP下降不超过10%。因此水泵能耗占整个系统能耗的比例越大,改造后节能的幅度就越大,反之亦然。20%左右为临界状态,在泵能耗占系统总能耗20%以上时,变频改造才能达到节能的目的[6]。
通常情况下,必须准确评估水泵当前状态下的运行工况,并预测改造后的运行情况。可以使用便携式流量计方便地测量管路内循环水流量,还可以利用现场水泵进出口的压力表确定管路及水泵的运行情况。以单泵运行为例,首先可以通过下式计算管路系统的阻力系数γ:
式中H2——水泵输出压力(扬程);
H1——水泵输入压力 (扬程);
ΔH——系统背压 (封闭管路系统ΔH=0,开式系统ΔH为进出口液面高度差)。
求得γ后,即可根据公式H=ΔH+γQ2绘制出以流量Q为横坐标、扬程H为纵坐标的管路特性曲线(见图1中曲线1)。如果以5℃温差作为调节参数控制流量,可以使用下式预估改造后的流量Q′:
式中Q——系统改造前的实际流量;
Δt——改造前的循环水进出口温差。根据预估的流量Q′,即可在管路曲线上找到水泵新的工况点 (Q′,H′)。同时也可以由离心泵相似定理通过下式绘制出该泵在变速条件下的性能曲线 (见图1中曲线3)[7]:
图1 水泵性能曲线与管路曲线
由于变速后水泵效率曲线基本不发生变化,即可在水泵的效率曲线 (见图1中曲线4)上找到变速后水泵的机械效率。如果变速后水泵运行效率高,且在流量调节范围内水泵都处于高效区,则不需重新选择水泵。根据新的工况可以计算出改造后的水泵能耗。
经过前面的分析,空调系统存在各类不合理情况时,可以考虑采用变频等方式来减小循环水系统的流量,以达到节能的目的。但改造工作并不是简简单单添加变频器即可。例如,某中央空调系统进行变频改造,即在原有水系统基础上仅仅对冷冻水泵和冷却水泵加装变频器,但由于该楼入住率低于预期设计水平,空调负荷率非常低,结果改造完成后发现变频器始终工作在设定的最低限 (由于成本原因,电机没有更换为变频电机,仍使用现有的普通电机;考虑散热等因素,变频器低限设置在35 Hz),而且循环水系统热负载能力还有富余。虽然这样改造使得水泵耗电量下降了约2/3,但改造后的系统并不完善。如果在改造之初充分把握现场的负荷情况,加上对水泵以及管路的考虑,重新匹配水泵、优化管路,则可以带来更多的效益。所以为了实现节能量最大化,一定要根据水系统的实际运行情况因地制宜地进行改造。改造时,主要应考虑以下几方面问题:冷却水和冷冻水进出口温差、水泵运行情况、管路运行情况。
冷却水和冷冻水已经在前面讨论过,而水泵以及管路往往是容易被忽视的问题,而这些问题将直接影响到改造效果。绝大部分循环水系统在设计时都留有过大的余量,实际运行中需要通过进出口阀门来控制输出流量的大小,这时水流大部分动能白白耗在阀门阻力上了,而且初始的设计误差会导致水泵当前的工作状况并不合理,运行效率低下。此外,原有的水泵并不一定适合变频后状态下的运行,也会造成水泵运行效率低下等问题。所以改造的时候要根据这些现场情况以及计算结果考虑水泵的更换与否。
既然改造为调速运行,就需要考虑使用合理的参数作为调节的根据,这个参数必须能够恰当地反映负荷情况。由于冷却水管路系统结构固定单一,基本上为一次循环,因此最好使用进出口温差来调节。对于冷冻水部分则有多种选择,目前还没有统一的看法,有的使用出口温度作为控制量,也有的使用进出口压差或者进出口温差作为控制量。虽然温度能一定程度上反映负荷的波动情况,但其受外界环境、气候因素的影响波动严重。夏天制冷时冷冻水出口温度一般处于5~7℃,温度并不能完全地反映负荷波动情况,但使用温度作为调节参数可以兼顾制冷机组的效率和用户的舒适性。对于冷冻水为一次循环的系统,可以采用压差或者温差作为控制参数。以压差为控制参数,即以制冷主机的出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据,使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的压力,进行恒压差控制。如果压差值低于规定的下限值,电动机的转速将不再下降。若压差较小,说明系统负荷不大,可减小水泵的转速,使压差上升;若压差较大,说明系统负荷较重,可增加水泵的转速,使压差下降。以温差为控制参数,即对温差进行检测,以制冷主机的回水温度和出水温度之间的温差信号为反馈信号,使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的低温,进行恒温差控制。若温差较小,说明系统负荷不大,可减小水泵的转速,使温差上升;若温差较大,说明系统负荷较重,可增加水泵的转速,使温差下降。不管使用何种调节方法,其流量调节的范围不应低于系统的报警阈值。严格地说,若不考虑冷冻水在传输途中的损失,制冷主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间中带走的热量。采用以温差为主的控制方式,相比压差更能反映系统的供冷负荷,非常适合对已有空调的变频改造。以温差为主的控制方式相比其他控制方式,既无需在各支路增加电动二通调节阀,又能保证系统运行的可靠性。也就是说,各支路没有采用自主调节的电动二通阀门,阀门的开度还是根据初调节决定的。这样经过改造后的变流量系统,在泵进行调速时,流量还是按照原先的比例进行分配。在绝大多数情况下,各个房间的负荷急剧变化的情况很少出现,可以近似认为是相似工况,所以按照过去比例分配流量是可行的[8]。对于冷冻水二次循环系统可采用不同的控制方式,一次循环水泵使用温差作为主要调节参数,二次循环水泵以进出口压差为调节参数。
本文对中央空调系统的节能改造方法进行了论述。由于中央空调系统是一个复杂的关联系统,涉及到换热器、冷冻机、水泵、电机、管路,任何一个参数的变化都会引起整个系统运行状态的改变,因此改造之前必须全面结合系统运行状态,监测水温、流量、压力等参数,通过这些参数来制定合理的改造方案,并预测改造后的运行情况,以判断改造效果,从而作出合理的决策。
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[4] 赵贤兵,梁桂森,李芳芹.变频技术在空调水系统中的应用与节能分析 [J].节能,2004(11):19-21.
[5] 胡书琴,张九根.变频节能技术在中央空调水系统中的应用研究 [J].电气应用,2007(9):128-131.
[6] 蔡良君.浅析一次泵系统变流量的可行性 [J].福建建设科技,2006 (4): 18-82.
[7] 袁泉,蒋伟凌,王冰.变频调速离心泵并联运行的选型计算 [J].流体机械,2008(2):36-37.
[8] 张承维.变频调速技术用于中央空调系统节能 [D].贵阳:贵州大学,2008:68.