基于能效测试的中央空调节能诊断方法研究

胡宝华，邱泽晶，丁 胜，郑 鑫

(南瑞(武汉)电气设备与工程能效测评中心，湖北 武汉 430073)

0 引言

中央空调作为公共建筑的主要能耗来源，节能诊断是确保其正常工作、降低能耗的重要手段［1－4］，然而由于中央空调系统的复杂性，其运行管理以及节能诊断工作对从业人员提出了较高的要求。

目前，在空调系统节能诊断研究中，普遍采用的方法有:

(1)通过大量的数据调研［5－7］，分析空调系统普遍存在的问题;

(2)采用理论分析方法［8－10］，充分考虑空调系统的各个影响因素;

(3)结合模拟软件分析［11－13］，寻找节能潜力的空间。

上述方法存在的问题有:

(1)没有明确的诊断体系指导节能诊断的出发点、流程和重点，导致很多检测工作具有一定的盲目性;

(2)诊断方案存在很多不可操作性;

(3)缺乏对空调实际运行工况的真实反映。

本文从实际工程经验出发，提出基于现场能效测试的节能诊断方法。该方法能快速检测及判断空调系统及设备的能源使用水平，通过对标诊断及影响因素分析，找出问题所在，给出节能改造的建议。

1 中央空调系统存在的能耗问题

公共建筑中央空调系统主要存在以下方面的问题:

(1)很多大型公共建筑的中央空调系统由于年久失修，可能会出现冷水机组能效降低和冷冻、冷却水泵效率的下降，冷却塔调料破损或缺乏清洗导致散热能力严重下降，截止阀关闭不严导致冷水出现短路等现象，这些现象都严重影响着冷源系统的整体能效，导致冷源系统能耗升高;

(2)空调系统常采用定水量运行方式，设计时水流量按最大冷负荷和5℃的供回水温差确定，但在全年运行中最大负荷出现的时间很少，绝大部分时间在部分负荷下运行，因此普遍存在“大流量小温差”的问题;

(3)部分中央空调系统的控制由人工完成，对于面积较大的商业建筑，可能有上百台空调箱、新风机组，运行管理人员没有足够的精力去实现空调系统的节能运行与控制管理;

(4)某些公共建筑领域在满足供冷的条件下还有供热水的需求，而中央空调系统在制冷工况下，压缩机工作过程中会排放大量的废热，被白白浪费。若加以回收利用，不仅能节省其他能源，也能提高机组的运行效率。

2 中央空调系统的能效测试

针对上述问题，本文提出一种快速检测空调运行状况的能效测试方法。

空调系统的能效测试按照《蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组第1 部份:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组》GB/T18430．1 －2007、《容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法》GB/T10870 －2001 等标准执行。需要测试冷冻水流量和供回水温度、压缩机电压电流值等，从而确定典型工况下冷机运行的性能系数。

水泵的能效测试按照《泵类及液体输送系统节能监测方法》GB/T16666 －1996、《泵类系统电能平衡的测试与计算方法》GB/T 13468 －1992 等标准执行。需要测试水泵进出口流量、压力、高度差及电功率等，从而确定电动机负载率和水泵运行效率。电动机负载率的测试计算按《三相异步电动机经济运行》GB/T 12497 －2006 的有关规定进行。

3 中央空调系统的节能诊断

空调系统设备效率指标充分体现了系统设计、运行控制的水平，受建筑使用状况的影响很小，可作为用能水平的一项评估依据。不仅如此，将实测指标与参考值进行对比，还能清晰地反映空调系统各类设备节能潜力的大小，为深入进行节能诊断和改造指明方向。

3．1 制冷机组性能系数

计算表达式为

式中

Qc——机组提供的制冷量/kW;

cp——水的定 压 比 热/kJ·kg－1·℃－1，可 取

cp=4．186 kJ/kg·℃;

G——冷冻水流量/m3·s－1;

△t——冷冻水供回水温差/℃;

Nc——冷水机组输入功率/kW。

根据《冷水机组能效限定值及能源效率等级》GB19577 － 2004 和《公共建筑节能设计标准》GB50189 －2005 中的规定，利用电能驱动蒸汽压缩循环的冷水(热泵)机组，在额定制冷工况和规定条件下，性能系数COP 不应低于表1 中的限值规定。

表1 冷水(热泵)机组性能系数

3．2 水泵运行效率

计算表达式为

式中 pe——水泵的有效功率/kW;

Np——水泵的轴功率/kW;

pin、pout——水泵进、出口压力/Pa;

ΔZ——水泵进出口压力表高度差/m;

Q——液体平均流量/m3·s－1;

Vin、Vout——水泵进、出口处液体流速/m·s－1。

根据《空气调节系统及经济运行》GB/T17981 －2000，水泵运行效率的推荐值为60%至水泵额定效率的0．85 倍范围内。按照《泵类及液体输送系统节能监测方法》GB/T16666 －1996，电动机负载率应大于40%，水泵类及效率和泵类及液体输送系统效率合格指标见表2。水泵运行效率偏低说明有可能水泵性能发生了变化或与水系统阻力特性不匹配，应及时进行调整或更换。

表2 水泵类及效率和泵类及液体输送系统效率合格指标

3．3 冷冻水供回水温差

空调系统的水流量是由空调冷负荷和空调水供回水温差决定的，空调水供回水温差越大，空调水流量越小，从而水泵的耗电量越小。但是空调水流量减少，流经制冷机的蒸发器时流速降低，引起换热系数降低，需要的换热面积增大，金属耗量增大。经过技术经济比较，空调冷冻水的供回水温差4 ～6℃较为合理，大多数空调系统按照5℃的供回水温差工况设计。

3．4 制冷压缩机排气温度

空调在制冷过程中会排放大量的废热。若废热的数量相对较大，排放较集中，且在相当长的时间内较稳定，可根据实际需求，开展空调余热回收节能改造。

4 中央空调系统的节能改造建议

中央空调系统的节能措施包括减少冷负荷、提高制冷机组效率、减少水系统泵机的电耗、使用智能控制系统、中央空调余热回收等。本文根据能效检测的结论，给出节能改造的建议:

(1)提高制冷机组效率

结合运行记录分析，计算整个供冷季主机运行效率，判定机组是否高效运行，分析冷冻机制冷能力衰减情况。比如冷却塔的冷却效果变差、输水系统设计不合理或运行控制管理不科学等原因，都可能导致空调能效水平较低。

(2)减少水泵的电耗

空调水泵的耗电量占空调系统耗电量的15% ～30%。在中央空调系统中，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的容量是按照建筑物最大设计热负荷选定的，且留有10% ～15%的余量，在一年四季中，系统长期在固定的最大水流量下工作。由于季节、昼夜和用户负荷的变化，空调实际的热负荷在绝大部分时间内远比设计负载低。一年中负载率在50%以下的运行小时数约占全部运行时间的50%以上。当空调冷负荷发生变化时，所需空调循环水量也应随负荷相应变化。所以采用变频调速技术调节水泵的流量，可大幅度降低水系统能耗。

(3)合理调节供回水温差

空调循环水泵的耗电量跟流量的3 次方成正比，实际工程中有很多空调系统的供回水温差只有2 ～3℃，如果将供回水温差提高到5℃，水流量将减少到原来的50%左右，所以如果水流量减少50%，水泵耗电量将减少87．5%，节能效果明显。

通过接收到的测定好的供水管路中的供水温度信号值、回水管路中的回水温度信号值，并对回水温度信号值、供水温度信号值的差值与温差设定值进行比较，并根据比较结果以及预先设定的条件调节设置在回水管路上的比例调节阀的开度。

(4)中央空调余热回收

压缩机工作过程中会排放大量的废热，采用中央空调余热回收技术，在制冷的同时可免费生产温度为50 ～60℃热水，减少了锅炉的运行时间。同时，由于部分余热回收利用，从而降低了冷凝温度，使空调主机负荷减少，配合使用泵组变频系统，降低水泵和冷却塔的能耗，可使中央空调机组效率提高5% ～10%。

5 结论

中央空调系统是一种多参量非常复杂的一个系统，即当气温、末端负荷发生改变时，系统温度、温差、压力、压差、流量、制冷机组性能系数等均会发生改变。在实际工作中，可采用多种节能诊断技术，对空调系统开展节能潜力分析。节能改造方案的产生除考虑技术上可行外，还需要进行投资效益分析，这样才能使空调节能工作更有意义。

［1］马明明．公共建筑空调系统改造与节能潜力的研究［D］．重庆:重庆大学，2007．

［2］吕文娟，陈乐，陈正时．青藏±400 kV 格尔木换流站建筑节能及防风沙研究［J］．电网与清洁能源，2012，28(2):40 －43．

［3］文韬．空调工程运行能效检测理论与方法［D］． 重庆:重庆大学，2008．

［4］邓玲慧，王志新，沈剑鸣，等． 智能配电技术及其应用［J］．电网与清洁能源，2012，28(3):10 －15．

［5］王鑫，魏庆芃，江亿．基于能耗数据和指标的空调系统节能诊断方法及应用［J］． 暖通空调，2010，40(8):22 －24．

［6］李玉云，张春枝，曾省稚．武汉市公共建筑集中空调系统能耗分析［J］．暖通空调，2002，32(4):85 －87．

［7］周孝清，刘芳，陈伟青，等． 广州公共建筑能耗调查及研究［J］．建筑科学，2007(12):76 －80．

［8］段小荣．空调系统冷却塔性能分析与诊断研究［D］．长沙:湖南大学，2011．

［9］Cui J T，Wang S W． Amodel －based on line fault detection and diagnosis strategy for centrifugalchiller systems［J］．International Journal of Thermal Sciences，2005，44(10):986 －999．

［10］周辉．办公建筑空调能耗指标的研究［D］．上海:同济大学．

［11］唐娟，魏兵，石舒健． 基于Matlab/Simulink 的某空调系统能耗仿真分析［J］．建筑热能通风空调，2010，29(2):53 －57．

［12］刘洋．基于TRNSYS 的中央空调冷却水系统节能优化仿真研究［D］．广州:华南理工大学，2013．

［13］Yu F W，Chan K T． Optimization of water －cooled chiller system with load－based speed control［J］．Applied Energy，2008，85(10):931 －950．