中央空调系统节能分析

中央空调系统的节能分析翟少斌孙文哲付秉恒张立华（上海海事大学上海2007813）摘要随着能源的紧缺及公用及商用建筑中央空调的高速发展，对中央空调系统的节能改造途径的研究变的非常重要，尤其是中央空调制冷系统在部分负荷下运行状况。

本文分别对空调冷热源系统，空调机组及末端设备，水或空气输送系统进行分析，其中特别设计一种含有射流装置的回水循环系统。

关键字节能中央空调系统射流装置The analyses of energy conservation inAir-conditioning SystemZhai Shaobin Sun Wenzhe Fu Bingheng Zhang Lihua（Shanghai Maritime University, Shanghai,2007813）Abstract: As the scarcity of energy and the rapid development of air-condition system in public and commercial buildings ,the approach of saving energy has become very important in air-condition system, it is more important when the air-condition system works in part .This article analyses the air-condition system of cold and heat source,the air-condition units and the water and air feeding system .we especially design a backwater circular system with jet pump . Keywords: energy conservation air-condition system jet pump1 引言在当今世界上充满着“能源紧缺”的时刻，“节能”问题已成为世界各国最关心的首要问题，也是我国政府和研究部门广大科学工作者探计中最注重的一环。

一些发达国家空调工程的能耗，已占据建筑物总能耗的60~70%。

我国也占据50~60%[1]。

一般空调制冷系统的设计都是以最大负荷为设计工况，但在实际运行中，所有的因素综合与设计工况相符合的情况是比较少的，因此空调制冷系统常常会在部分负荷下运行。

据统计，空调制冷系统在满负荷情况下运行只占20~30%，在70~80%的时间是在部分负待下运行。

这就给空调设计工程师们提出了一个新问题，在部分负荷运行情况下如何设计才能使空调制冷系统符合节能的原则。

这比在设计工况下提出能耗指标更为重要[2]。

中央空调节能途径主要有以下两个方面:一是依靠科学的运行管理方法;二是系统自身,采用合理的设计方案,并考虑部分负荷下运行的节能问题。

中央空调系统的能耗一般包括三个部分,即:1)空调冷热源系统；2)空调机组及末端设备；3)水或空气输送系统。

工程实际中,中央空调水系统部分负荷下的节能方法一般采用变流量控制技术。

本文利用新型的冷冻水的循环系统，该循环系统将由冷水机组出来的冷冻水分为两路。

一路与传统的冷冻水循环系统相同通过水泵将冷冻水送到末端，另一路将一部分冷冻水送入射流泵用于引流由末端流出的冷冻水。

保证通过冷水机组的水量，提高水泵的效率。

射流泵的引入减小了水泵进出口压力，减小水泵的能耗。

2 空调冷热源节能在整个空调系统能耗中冷热源的能耗占了大约50%，是空调系统的主要耗能设备。

冷水机组能耗主要包括压缩机和热交换器，而热交换器又包括蒸发器和冷凝器。

所以说冷热源节能主要着手于压缩机、蒸发器和冷凝器。

常用的制冷机组有活塞式压缩冷凝机组、螺杆式压缩冷凝机组、离心式压缩冷凝机组、溴化锂吸收式蒸汽机组和溴化锂吸收式直燃机组。

螺杆式、离心式制冷机组的能效比比较高一般都在4.5～5.8之间。

所以选型设计时尽量选用此类能效比高、耗电少的机组。

压缩机是整个冷水机组的核心部分，类型有很多包括往复活塞式制冷压缩机，转子式制冷压缩机，涡旋式压缩机，螺杆式压缩机[3]。

其中每一种压缩机都可以进行节能改造，而且要按其所适应的制冷量范围有针对性的进行研究。

蒸发器按冷却介质的不同，分为冷却液体载冷剂、冷却空气或其他气体的两大类型。

在冷却液体载冷剂的蒸发器中，有水箱式（沉浸式）蒸发器（包括立管式、螺旋管式、蛇型式）、板式蒸发器、螺旋板式蒸发器、壳管式蒸发器（包括卧式蒸发器、干式蒸发器）等。

在冷却空气蒸发器中、有空调用翅片蒸发器、冷冻冷藏用空气冷却器（冷风机）及排管蒸发器等。

在小型别墅式及模块化风冷热泵冷热水机组的水侧换热器的型式有：套管式，板式及立式盘管式。

整体式机组一般使用干式壳管式换热器[4]。

根据冷却介质和冷却方式的不同,常用的冷凝器一般可分为水冷式(又分为壳管式、套管式、沉浸式等) 、空气冷却式(或称风冷式)及蒸发式(制冷剂在管内冷凝,管外同时受到水及空气的冷却) 3种。

选择不同形式的冷凝器,其水泵和风机的能耗不同,同时造成的冷凝压力差异又影响压缩机压缩过程的功耗和制冷效果,因此要根据具体情况来确定冷凝器的种类，由于冷却效果较差、冷凝温度较高,空气冷却式冷凝器主要用于缺乏冷却水源场所、分散式及小型制冷系统。

蒸发式冷凝器具有节水、节电和结构紧凑、占地面积小等优点,是一种能源节约型产品,具有良好的发展前景。

此外，在一些有废热可供利用的地区应充分利用废热节能，其次要提高能源利用率，《中华人民共和国节约能源法》明确规定：“推广热电联产，集中供热，提高热电机组的利用率，发展热能梯级利用技术，热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术，提高热能综合利用率”。

冬季用热电厂的热源供热，夏季采用溴化锂吸收式制冷机供冷，使热电厂冬夏负荷平衡，高效经济运行。

当具有电、城市供热、天然气、城市煤气等能源中两种以上能源时，可以采用几种能源的合理搭配作为空调的冷热源。

这种复合式能源方式，使投资和运行费用都降低，取得了比较好的节能效果和经济效益。

如果条件许可也可以利用以地下水、地表水或工业废水等低品位热能作能源的水源热泵技术供暖。

此外，地热能、太阳能等其他清洁能源有效利用的技术也取得了良好效果。

3空调机组及末端系统节能循环冷冻水是在中央空调的主要制冷方式，主要结构包括循环水泵、冷水机组、室内空调器和新风机组。

目前在用的中央空调其上述部件中，新风机组与室内空调器之间的冷冻水管是并联的这种结构存在下述缺点：一是由于新风机组处理的是室外温度较高的空气，空调器处理的是室内温度较低的空气，冷冻水管并联导致冷冻水冷量未能按品质分级利用，造成室内空调器送风温度偏高，风机的能耗增加，在大温差中央空调系统中此问题尤为突出；二是在大温差中央空调系统中，不易采用标准的5℃温差空调器，致使大温差中央空调造价较高；三是由于新风机组与室内空调器之间的冷冻水管路并联，使新风机组不能自动地依室内空调器负荷的变化而变化，其自适应能力差。

针对以上问题采用冷冻水冷量梯级利用的中央空调系统技术。

这种技术的基本思路是连接在循环水泵、冷水机组、空调区中室空调器和新风机组所组成的循环回路之间，空调区中的新风机组和室内空调器，均由风机盘管和空调机组构成，空调区中的新风机组、循环水泵，冷水机组和空调区中的室内空调器之间，由冷冻水管路依序将其串联。

空调区中的室内空调器，通过冷冻水管路与空调区中新风机组串联，从而各段冷冻水管路将冷水机组、室内空调器、新风机组、循环水泵组成循环回路；优点是：处理温度较低空气的室内空调器，使用低温段冷冻水；处理温度较高空气的新风机组，使用高温段冷冻水，实现了冷冻水冷量的分级利用；使中央空调具有造价低、节能、自适应能力强、适应大温差系统的突出特点[5]。

4水系统节能一般空调水系统的输配用电，在冬季供暖期间约占整个建筑动力的20﹪到25﹪，夏季供冷期间约占12﹪到24﹪。

所以空调水系统的节能研究发展空间还是比较大的。

空调系统中水的主要输送设备是水泵，输送过程的能耗包括：通过传热的冷量损失和输送过程的流动阻力损失。

对于输送冷量的管路系统，克服流动阻力的能量又转变成热量导致冷量损失。

[6]水泵既包括冷冻水泵也包括冷却水泵，其耗能较大。

据统计，在某些星级宾馆的空调系统中，水泵的耗电量占到了整个建筑总耗电的8%～16%，占整个空调系统耗电量的15%～30%。

因此，做好泵的节能设计具有重要意义。

减少水泵能耗除了做好水管的保温外还要从以下方面着手：[7]1）尽量减少阀门、滤器的阻力阀门是调节管路阻力特性的主要部件，由于阀门阻力会增加水泵的扬程和电耗，应尽量避免使用阀门调节阻力的方法。

2）设定合适的水流量水流量是与水泵电耗成一定比例的。

空调系统中水流量是由空调冷热负荷和空调供回水温差决定的，供回水温差越大，空调水流量越小，水泵电耗越小。

3）提高水泵效率水泵效率是指原动机轴功率被流体利用的程度。

水泵的效率随水泵工作状态点的不同从0～最大效率变化。

在输出功率相同的条件下，如果水泵的效率降低，水泵的能耗也会增大。

因此，空调系统设计时要选用合适的水泵，使其工作在高效率状态点。

[8]目前，空调水系统存在的主要问题是有些设计者不对每个水环路进行水力平衡计算，对压差相差悬殊的回路也未采取有效措施。

大流量，小温差现象普遍存在。

设计中供，回水温差一般取5℃，为了节能我们可以采取加大供回水温差的措施，把供回水温差加大到8℃，这样就可以在保证换热量不变的情况下减小水流量，这样就对水泵的要求降低了，从而达到节能的目的。

加大供回水温差有两种方式：（1）是低温供水，就是说降低供水温度。

（2）是高温回水，就是说保证供水温度不变还是7℃，而回水温度适当提高可以使回水温度达到15℃--17℃。

大温差设计由于节约了系统循环水量，相应减少了水泵扬程及耗电量，但低温供水同时也带来了蒸发温度下降从而要改造或更换蒸发器等问题。

而高温回水避免了蒸发温度下降，所以可以避免改造和更换蒸发器。

4.1中央空调冷冻水系统在空调系统中，冷却水，冷冻水两大水系统的节能，即如何降低水系统的隐性能耗，往往被人们所忽视。

实际上，这两大水系统的耗失量是相当大的，水的大量耗失，一者增大水资源压力，二者也增加冷水机组，水泵和冷却塔的电能消耗，即隐性能耗。

4.1.1单回路水循环系统在单回路水循环系统中，冷冻水的循环只经过一条回路。

通过冷水机组的流量必须保证在一定范围内。

当末端冷负荷变化范围比较大时冷冻水流量就会相应的变化，此时该系统就难以满足。

当末端冷负荷较小时，就会导致冷冻水流量减少，由此可能引起在蒸发器段的冷冻水结冰，所以必须保证冷冻水回路中一定的水量，否则就会导致冷冻水管结冻甚至冻裂水管，这样无形中增大了泵的功耗和一定冷量的损失，如图4-1所示。