浅谈中央空调系统的节能设计

黄培炫　吴杰生

【摘 要】 本文从中央空调系统的各个组成部分出发，分析了冷热源、水系统及冷却塔、末端设备和变频控制的节能问题，提出相应的解决措施，强调系统整体节能的重要性。

【关键词】 中央空调系统 系统节能 变频

在我国的能源消费主体中，建筑能耗占了很大的比例，据统计，已占我国能源总消费的27.6%。而中央空调能耗又占了其中的40～60%。因此，如何降低空调能耗成为建筑节能的重中之重。

1 中央空调系统能耗组成

中央空调系统主要是由冷热源、水系统（含冷冻水和冷却水）及冷却塔、末端设备和控制系统组成。冷热源为整个空调系统提供所需的冷、热源；冷冻水泵输送冷媒至各末端设备，冷却水泵完成冷却水的循环，而冷却塔则将冷凝热排放到外界环境；末端设备将空气处理至所需的温湿度；控制系统将各部分有机地联系起来并实施各种功能控制。

2 冷热源节能设计

冷热源作为中央空调系统的“心脏”，是整个系统的核心，也是耗能最大的子系统。冷热源选择就是准确地计算空调冷、热负荷，科学合理地配置主机设备，使系统运行处于最佳状态。

2.1 合理选择主机设备

（1）选择名义工况性能系数（COP）和综合部分负荷性能系数（IPLV）高的机组。为中央空调提供冷热源的设备中，蒸汽压缩电制冷机组以其技术可靠、节能显著而占主导地位，典型产品为螺杆式和离心式冷水机组。在选型时，不仅要考虑机组的COP，更要注重机组的IPLV，关于IPLV，在新版GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》中已有明确规定。

（2）选择能量调节范围宽广的机组。空调负荷具有典型的动态性，同一建筑物，日夜空调负荷是不同的，各季节的负荷差别更大，这就要求主机具有宽广的能量调节范围，以适应负荷变化。多机头机组、离心机组，以及变频调节可以适应这个要求。

（3）因地制宜合理选择机组。当夏天既需制冷又需制取生活热水时可选择具备热回收功能的机组；具备地下水、地面水资源，或有适合水源热泵运行温度的废水等水源条件时，可采用水源热泵机组；在电力资源紧张地区可选择双工况机组，并应用蓄冷技术，利用低谷电，实现经济运行。

2.2 科学配置主机设备

以节能为原则进行组合配置：（1）热回收+单冷机的不同功能组合；（2）离心机+螺杆机的相同功能、不同类型设备组合；（3）按等分或1：2不等分原则配置总冷量等。

3 水系统及冷却塔节能设计

水系统包括冷冻水系统和冷却水系统，水系统节能设计主要从总容量匹配、水泵配置、阀门选择、管径设计、降低冷却水进水温度和变频调节等方面入手，而冷却塔节能设计主要从控制模式考虑。

（1）正确设计冷冻水系统，避免出现“装机容量偏大、水泵偏大和末端设备偏大”现象。（2）冷冻水泵容量应与负荷匹配。过大的水泵容量造成“大马拉小车”，使泵的耗电大幅度增加。水泵的选取必须遵循《公共建筑节能设计标准》的规定，空调冷冻水系统的输送能效比ER≤0.0241。（3）合理选配阀门。以流量系数确定阀门的口径，口径过小达不到系统要求且系统需提供较大的压差以维持足够的流量，加重泵的负荷；口径过大使控制性能变差且系统易受冲击和振荡，也达不到节能目的。根据阀门流量特性选择合适的快开、线性或等百分比的阀门，如调节阀宜选用等百分比的阀门。根据使用位置选择阀门的类型，如冷冻水供、回水主干管道上宜选用阻力较小的闸阀，过大的阀门阻力特别是水泵前后和干管上的阀门往往多消耗水泵2～6%的动力。（4）正确设计管道直径。不能为节省初投资而缩小管道直径，太小的管径将使泵的电耗增加20～30%。（5）变频节能技术。冷冻水和冷却水系统通常按定流量系统设计，由于建筑物大多数时间是部分负荷，同时水泵选型一般按额定流量附加10～30%的裕量。在部分负荷运行时，水系统经常处于“大流量、小温差”的状态，水泵满负荷运行，造成很大浪费。水泵采用变频调节，可使水泵流量与实际需求量相一致，耗功也大幅降低，实现节能运行。有关资料显示，如冷负荷下降20%，则冷媒水输送量约降至50%。若调节得当，水泵的能耗可降至额定值的12.5%（含3～5.5%调速损耗和15.5～17.5%总动力消耗）。（6）降低冷却水进水温度实现节能。降低进水温度其目的在于降低机组冷凝温度，从而降低压缩机功耗。冷却水温每降低1℃，压缩机功耗可减少1.8～2.6%，主机能效比将提高3.5～4.3%。因此，维持较低的进水温度对实现机组节能运行非常有意义。为保证机组压缩机润滑及系统节流装置正常工作，冷却水进水温度应维持在24～30℃范围内较为适宜。（7）冷却塔节能控制。自控技术的迅速发展使冷却塔节能变为可能，采用调节风机转速的变频温控模式、调节风机级数的风机温控模式和调节风机运行数量的多风机群控模式，均能保持出水温度恒定。

4 末端设备节能设计

末端设备一般为空气处理机和风机盘管，主要构成为风机、电机、换热器、外壳等。风机选型是否合适、电机效率的高低、换热器配置的合理性、外壳保温优劣等都是影响末端设备节能的最直接因素，在末端设备的选型和制造时，应针对这些问题充分考虑。

（1）变风量技术。变风量系统具有控制灵活、节能等优点，可根据空调区负荷的变化，自动改变送风量。系统送风量减少，风机的输送能耗也相应减少。（2）能量回收技术。将排风的余冷（热）通过能量回收装置与新风进行热交换，从而降低新风处理能耗。常见的能量回收技术有转轮热回收、板式热回收以及盘管热回收等。转轮热回收可回收显热和潜热，效率最高可达到80%；板式热回收和盘管热回收只回收显热，热回收率约为60%。（3）新风节能设计。为了保证室内空气品质，合理的新风是空调系统所必需的。但新风的引入必然导致空调负荷的剧增，新风量的大小对空调设计负荷及全年耗能的大小有着十分重要的影响。新风节能需从多方面考虑：合理确定新风量，注重引入新风的品质而非简单的数量；新风应与能量回收技术结合，以减少新风负荷；新风应可根据使用情况动态调节。

5 结语

（1）空调系统大部分时间为部分负荷，选择综合部分负荷性能系数（IPLV）高的机组更有实际意义。（2）中央空调系统应综合考虑各个子系统，才能实现整个系统节能效益的最大化。

参考文献：

[1]贾晶，严新娟.对变频离心式冷水机组全年节电的探讨.《暖通空调》，2009（1）.

[2]潘金文，汪琼珍.变频控制技术在中央空调水系统中的应用.《工程建设与设计》，2003（1）.