中央空调系统技术经济分析

赵金金 曹红奋

上海海事大学

中央空调系统技术经济分析

赵金金 曹红奋

上海海事大学

首先介绍了国内外空调节能发展现状，然后从冷却水系统、冷冻水系统、空气处理系统、和空调其他系统四个方面对中央空调节能进行了分析。并以南方某办公大楼为例，对主要能耗部分做了节能计算，可供类似中央空调设计计算借鉴和参考。

中央空调；节能；经济分析

Abstract: The article introduces current situations of domestic and oversea air-conditioning energy saving development then carries out analysis on cooling water, chilled water, air handling system and other systems of central air-conditioning system. Based on some office building in southern China as case study, the author calculates main energy consumption to give reference to similar central airconditioning system design calculation.

Key words: Central Air-Conditioning, Energy Saving, Economic Analysis

随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调的应用已越来越普及，但是空调的能耗也相当惊人，如一些发达国家用于空调(包括供暖)所消耗的能量约占总消耗量的1/3，有的甚至达到消耗能量的45%。我国的一些安装空调设备的生产单位所消耗的能量也相当可观，有的单位用于空调冷冻的用电量占全场用电量1/3，甚至更高。因此，降低空调的能耗意义重大。

本文结合工程案例从冷却水系统、冷冻水系统、空气处理系统和空调其他系统四个方面对中央空调节能进行了分析，并对主要能耗部分做了节能计算，以改善整个空调系统节能效果。

1 中央空调节能技术分析

1.1 冷却水系统节能分析

冷却水系统主要由冷却塔、换热器、循环水泵、压力过滤器和补水池组成，冷却水系统节能主要从冷却水供冷技术和循环水泵入手。

冷却水供冷技术又称为免费供冷技术，它是指在室外空气湿球温度较低时，关闭制冷机组，利用流经冷却塔的循环水直接或间接地向空调系统供冷，提供建筑物所需要的冷量，从而节约冷水机组的能耗。一般情况下，由于冷却水泵的扬程不能满足供冷要求、水流与大气接触时的污染问题等，较少采用直接供冷方式。采用间接供冷时，需要增加板式热交换器和少量的连接管路，但投资并不会增大很多。以美国的圣路易斯某办公实验综合楼为例，1986年将大楼的空调水系统改造成能实现冷却塔间接免费供冷的系统，当室外温度干湿球温度分别降到15.6℃和7.2℃时转入免费供冷，据此每年可节约运行费用达到125 000美元。

循环水泵的节能主要是采用变频水泵，根据冷却水与冷媒的热交换量调整水泵功率，即调整水泵电机的转速。电机耗电量决定于其输出功率，输出功率P与电机转速n的3次方正比，P∝n3，而电机转速n与供电频率f成正比，n∝f，即水泵的输出功率与其转速n和频率f的数学关系式为

由式（1）可知电机转速稍有下降，即稍微降低供电频率，输出功率将大幅下降。水泵电动机的功率与水量及转速的关系如表1[1]所示。

表1 水泵电动机的功率与水量及转速的关系

由表1可以看出，当水泵电动机的转速降低10%，水量减少10%，功耗将会下降26.1%，节能效果非常突出。

1.2 冷冻水系统节能分析

空调系统的负荷由于影响因素的变化而总是处于变化状态，且系统绝大部分时间都在低于额定负荷情况下运行。要适应负荷的变化，必须对空调冷冻水的流量作相应调节。

变水量的4种基本控制方法如图 1所示用三通阀的控制方式对于空气处理设备虽可实现变水量，但对整个水系统而言，则是定水量方式。因此，水泵的动力不可能节省，用双通阀的控制方式是改变管路性能曲线，以使系统的工作点发生变化，结果是流量减少，压力增加，水泵的动力降低有限。转速控制是改变水泵性能的方法，随着转速下降，流量和压力均降低，而水泵动力以转速比三次方的比例减少，所以这种方式具有极好的节能性。台数控制是目前采用较多的控制方式。它简便易行，其节能及经济效果十分显著，此外，还可以采用相互结合的控制方式，如台数+转速控制等[2]。

图1 变水量控制方式

1.3 空气处理系统节能分析

空气处理系统的主要任务是将处理过的空气与新风混合后送到房间。空气处理系统的主要能耗体现在空气处理机组的功率以及送风量的大小上。

选用空气处理机组时，应注意机组风量、风压的匹配，选择最佳状态点运行。不宜加大风机的风压，风压提高，风机耗功率显著增加。

选用空气处理机组时应选用漏风量及外形尺寸小的机组。国家标准规定在700 Pa压力时的漏风量不应大于3%，目前很多厂家的产品漏风量均在5%以上，有的甚至高达10%。实测证明：漏风量5%，风机功率增加16%；漏风量10%，风机功率增加33%；漏风量达到15%时，风机功率增加50%[3]。

空气输送系数（ATF）为单位风机消耗功率所输送的显热量，选择机组时应校核和比较ATF的大小，选择ATF较大的机组。

送风量是根据房间的需求进行配送的。传统的空调系统使用的送风模式是定风量送风，当房间负荷小于额定负荷时会造成能源浪费，因此应根据房间负荷的变化调整送风量，此即变风量送风。风量控制原理图如图2所示，根据室内温度的设定值和实测值的差值向风量控制器回路设定风量，风量控制回路再根据设定风量和实测风量的差值给末端风阀控制信号，以此来调节送风量，达到对室内温度的控制[4]。

从流体力学原理可知，风机的风量与风机的转速成正比，风机的风压与风机的转速的2次方成正比，风机的功率与风机的转速的3次方成正比。随着风机转速的下降，风机调节范围 变宽，附加损失减小，变风机转速（变频调速）节能效果好。

1.4 空调其他系统节能分析

空调其他系统主要由送回风管道、冷水泵及末端送风装置组成，能耗主要由冷水泵和送风管道引起，水泵的节能已阐述，这里就只分析送回风管道节能措施。送回风管道附加在空调系统上的能耗主要是管道的沿程阻力和局部阻力带来的，沿程阻力和局部阻力的公式分别为式（2）和式（3）。

式中：

②扎筋立模：按照图纸和规范要求，绑扎钢筋，并固定好位置；待钢筋绑扎后，检查钢筋是否齐全，经现场工程师检验后开始立模；钢模立好后，用钢管、对销螺栓进行固定。确保模板具有足够的刚度和强度，防止混凝土浇筑时变形过大。

hf-沿程阻力损失；hj-局部阻力损失；λ-沿程阻力系数；ζ-局部阻力系数；l-管道长度；d-管道当量直径；v-流体速度；g-重力加速度。

由式（2）知，沿程阻力损失与管道长度l、流体速度v的2次方成正比，与管道的当量直径成反比；由式（3）知，局部阻力损失与流体速度v的2次方成正比。此外λ不是一个常数，它与流体的性质、管道的粗糙程度以及流速和流态有关；影响局部阻力系数ζ的因素有管径大小的改变、管径方向的改变以及阀门等配件的安装。因此，在设计风管时应注意以下问题：

（1）避免风管过长；

（2）管材的内壁保证光滑，减少直角转角的使用；

（3）尽量做到风管阻力平衡，避免后期加设平衡阀使局部阻力系数增大；

（4）尽量减少使用渐变管；

（5）风管设计的风速不宜过大。

图2 变风量控制原理图

2 广州某办公大楼节能经济分析

该建筑总建筑面积为22 245 m2，首层占地面积为3 000 m2，建筑物总层数为13层，该建筑功能以办公为主，采用的送风方式为风机盘管加新风系统。本设计中整栋建筑的最大冷负荷为1 635 kW，新风冷负荷为809.19 kW。选用的制冷机组、水泵以及空气处理机组的型号分别列于表2、表3和表4中。

表2 冷水机组选型

表3 水泵选型

表4 空气处理机组选型

针对此办公大楼，下面从冷却水系统、冷冻水系统、空气处理系统以及空调其他系统对其进行经济计算。

首先针对冷却塔节能技术进行计算。冷却塔节能技术的使用时间受季节影响，使用时间段基本为过渡季节，考虑到广州气候的特殊性，一年中可使用冷却塔节能技术的天数为60 d左右。空调系统每天的使用时间为10 h，电价为0.71元/kWh，由表2可知两台冷水机组的功率为620kW，一年中可节省的电费为264 120元。

下面针对冷却水系统和冷冻水系统中的主要耗能部件水泵进行经济计算。

传统的中央空调所使用的水泵为定频水泵，本设计采用的是变频水泵，变频水泵的优点主要体现在以下几点。

（1）电动机可以实现软起动，既降低起动能耗，又可避免对电网产生冲击；

（2）水泵的机械使用寿命得以延长，降低水泵维护率和工人的劳动强度，从而获得更多的经济效益；

（3）通常情况下，采用变频节能控制技术以后，每台电动机的节电率可达到20%～30%。

该空调系统一年使用的天数为240 d，日运行时间为10 h，电价为0.71元/kWh，按节电量20%计算，水泵采用两用一备，故一年可节省的电费为102 240元。市场上IS125-100-315C型号的水泵均价在2 000元左右，本设计中共采用了6台，总价为12 000元，而水泵一年的节电量至少为102 240元，使用不到一个周期即可得到投资回报。

在空调系统设计过程中，设备选型时一般均会加大风机的送风量和风压，这样做的目的一般有两个：一是为了满足使用者的需要；二是加大风机的送风量和风压，这样可以弥补空调系统在设计上的阻力不平衡，考虑到风量的分配不均以及施工质量验收规范规定的允许漏风量，风机风量的富余量一般控制在5%～10%，压力损失附加值为10%～15%，又由于空气处理机组定型时，风机的实际风量比额定风量大5%左右，最后的空气处理机组的实际风量比原设计值大10%～15%，暂取最小值10%。

由表4可算出空气处理机组的总功率为

32×10+57.1×12+64.9×1=1070.1 kW

由于实际功率比原设计功率大10%，则实际增加功率值为107.1 kW，一年中使用的时间为240 d，每天使用10 h，电价按0.71元/kWh计算，则一年增加的电费为

107.1 ×240×10×0.71=182498.4元

又由于空调机组风量的增加，在夏季，将造成冷却水泵、冷机、冷却塔的超时间运转；在冬季，造成电加热器等设备耗电量增加。如综合考虑上述情况，费用将会更多。而且由于实际风量的增加，使系统偏离了设计要求的运行工况，给调节带来不少的麻烦。

综上所述，问题的关键在于对漏风量进行控制，控制主要有以下几点。

（1）对一线工艺制作流程的控制，保证成型产品具有良好的保密性。

（2）对进场原材料的控制，控制原材料的质量是控制漏风量的重要保证，如板材的厚度、平整度，密封垫的弹性和宽度等，把好质量关。

（3）对制作过程进行严格的检查，中间过程检查是必不可少的控制手段，早发现，早处理，向制作工人传递质量意识，并采用一定的经济手段使制作工人不敢放松对质量的要求。

（4）对空调系统的严密性进行严格的检测，施工质量验收规范对空调系统的严密性检测已有明文的规定，根据系统的工作压力，将漏风量的测定分为三个级别[5]：A.高压系统（大于1 500 Pa）必须进行全面测试；B.中压系统（大于500 Pa而小于1 500 Pa）在全部系统严格灯光检漏合格下，实行抽检20%，但至少测试一个系统；C.低压系统（小于500 Pa）允许使用漏光检测方法代替漏风量测。

总之，如果能有效地控制漏风量，使之达到设计要求和规范规定的允许漏风量，不但可以节约工程的一次性投资，降低系统运行成本，而且易于运行调节和维护，延长系统的使用寿命。

空调其他系统的经济计算主要从材料买进价格和安装入手，只要保证买进价格实惠，安装流程及工艺按照国家规定的标准进行即可达到节能的目的。

3 结语

在我国全面建设资源节约型、环境友好型社会的进程中，空调作为高耗能电器，其节能技术必将越来越受到重视。相信在不远的将来，经过一代代工程技术人员的努力，空调节能技术将会进一步提升，为我国的可持续发展带来新契机。

[1] 翟力, 黄文美, 宋桂英. 智能楼宇中央空调节能控制研究[J]. 电气应用, 2011, 30(18): 32-34.

[2] 张建一, 李莉. 制冷空调节能技术[M]. 北京 机械工业出版社,2011:23-24, 161-188.

[3] 谭文波. 建筑中央空调节能初探[J]. 制冷与空调 (四川), 2008 (z1): 22-23.

[4] 朱建红, 潘丽萍, 邱天博. 中央空调空气处理监控设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2015 (11): 248-252.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中华人民共和国建设部.通风与空调工程施工质量验收规范[S].北京: 中国标准出版社, 2002.

Economic Analysis on Central Air-Conditioning System Technology

Zhao Jinjin, Cao Hongfen
Shanghai Maritime University

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.013