中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的探討

摘要：在一些較為久遠(yuǎn)的建筑里，其大多數(shù)的空調(diào)設(shè)備都已老化，由于以前的技術(shù)水平不高和長期的運(yùn)行造成了磨損，這些建筑的空調(diào)系統(tǒng)效率較為低下，經(jīng)常發(fā)生故障事故。如何在對設(shè)備進(jìn)行改造時融入節(jié)能的理念，是工程師們必須考慮的問題。本文結(jié)合某建筑物空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)際工程，對幾種技術(shù)的改造進(jìn)行比較，論證其在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)方面的顯著效果。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能；技術(shù)

1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

某建筑物為 28層，建筑面積 48700m2，中央空調(diào)面積34000 m2，原設(shè)計采用2 臺4t/h 的燃油鍋爐作為整幢建筑的冬季采暖和生活熱水熱源，采用3臺1758kW 螺桿冷水機(jī)組為夏季制冷。客房末端為風(fēng)機(jī)盤管和風(fēng)柜，冬季采暖熱水口進(jìn)出口溫度為 35℃/42℃，夏季制冷冷凍水進(jìn)出口溫度為15℃/8℃，燃油鍋爐、冷水機(jī)組等附屬設(shè)備均位于地下 1 層內(nèi)，冷卻塔位于28層。年耗柴油 480t，運(yùn)行費(fèi)用計408萬元，全年耗電量630萬kWh，產(chǎn)生費(fèi)用560萬元。出于節(jié)能、環(huán)保等方面因素的考慮，對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，對蓄冷空調(diào)技術(shù)、固體蓄熱技術(shù)、空氣源熱泵集中供熱技術(shù)等 3 種方案進(jìn)行對比分析，最終確定該建筑的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)方案。

1.1 冰蓄冷空調(diào)技術(shù)

冰蓄冷空調(diào)技術(shù)是在電力負(fù)荷很低的夜間用電低谷期，采用電制冷機(jī)制冰，將冷量以冰的方式儲存起來，在電力負(fù)荷較高的白天，把儲存的冰量釋放出來，滿足建筑物空調(diào)負(fù)荷的需要，冰蓄冷技術(shù)是“平衡用電負(fù)荷”的有效方法。

該系統(tǒng)需在原有3臺制冷量為1700kW冷水機(jī)組上，新增1套冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，包含冰蓄冷雙工況主機(jī)（蓄冰工況和空調(diào)工況）、蓄冰槽、冰蓄冷板換、乙二醇水泵、負(fù)載泵及自控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用部分負(fù)荷蓄冰，制冷主機(jī)與蓄冰系統(tǒng)串聯(lián)，串聯(lián)系統(tǒng)主機(jī)上游的形式，提高了主機(jī)的運(yùn)行效率，通過控制閥門開斷控制系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖 1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖

根據(jù)建筑物逐時空調(diào)負(fù)荷情況的不同，系統(tǒng)有4種運(yùn)行方式，即：1）22：00～8：00，該地區(qū)的電力低谷期，雙工況機(jī)組蓄冰，乙二醇溶液在雙工況機(jī)組和蓄冰設(shè)備之間循環(huán)，通過低溫的乙二醇溶液將蓄冰設(shè)備內(nèi)的水制成冰；2）電力平峰期，雙工況機(jī)組單獨(dú)供冷，蓄冰設(shè)備與系統(tǒng)隔離開，雙工況主機(jī)在空調(diào)工況運(yùn)行，通過板式換熱器向空調(diào)系統(tǒng)提供冷凍水；3）負(fù)荷較低時段，蓄冰設(shè)備單獨(dú)供冷，避免了在電力高峰期內(nèi)開啟主機(jī)以及主機(jī)的低效運(yùn)行，該時段，蓄冰設(shè)備的總?cè)诒├淞繛榭照{(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的全部；4）空調(diào)冷負(fù)荷較大時段，雙工況機(jī)組和蓄冰設(shè)備聯(lián)合供冷，雙工況機(jī)組處于空調(diào)工況，雙工況機(jī)組出口的乙二醇和蓄冰設(shè)備融冰后的乙二醇溶液混合進(jìn)入板換。

雙螺桿式雙工況機(jī)組的制冷量為1470kW，當(dāng)機(jī)組在空調(diào)工況下時，輸出能量為1470kW，當(dāng)機(jī)組在蓄冰工況時，輸出能量為958kW。

系統(tǒng)夏季末端側(cè)供水溫度為7/12℃，板換一次側(cè)供水溫度為4/10.5℃，二次側(cè)供水溫度7/12℃。并且在相同的負(fù)荷條件下，板式換熱器的進(jìn)出口處乙二醇溶液的溫差較大，溶液的流量較小，乙二醇循環(huán)泵較小，系統(tǒng)的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用相對較少。

1.2固體儲熱技術(shù)

固體蓄熱技術(shù)即自儲熱電鍋爐是利用午夜后低谷電將儲熱介質(zhì)（RHM）加熱到數(shù)百度高溫儲存熱量，非低谷時通過自控裝置將熱量按需要釋放，根據(jù)用戶的需要并參考環(huán)境溫度自動地快捷靈敏地控制鍋爐出水溫度，充分利用低谷電給提供生活熱水，也是“平衡用電負(fù)荷”的有效方法。

自儲熱電鍋爐系統(tǒng)是一種新型的電儲熱系統(tǒng)，采用高密度鐵基合金作為儲熱材料，將加熱、儲熱、取熱、換熱及控能功能組合在一臺無壓的一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成一個可儲、可取、可控的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它包含內(nèi)外循環(huán)2個系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)由儲能材料、加熱器、取熱器、高效換熱器、儲液罐、智能控制器和換熱器組成，外循環(huán)系統(tǒng)由高效換熱器、換熱器、外部管道和散熱器組成，2個系統(tǒng)通過高效換熱器和換熱器相互傳遞熱量。

圖 2 自儲熱電鍋爐結(jié)構(gòu)圖

儲熱時，利用加熱器將儲熱材料進(jìn)行加熱，取熱時由取熱器中的介質(zhì)將熱量取出后，傳送至高效換熱器，進(jìn)行熱交換后加熱外部管道中的介質(zhì)傳遞至散熱器，進(jìn)行個供暖或供給生活熱水。其中，4塊固體蓄熱模塊每天在谷電時段蓄熱10h，每塊模塊的蓄熱量為1550kWh，總計蓄熱量為6220kW h，總蓄熱功率為620kW。

它代替原來的燃油電鍋爐，與設(shè)備間已有的容積式換熱器連接，在 22：00～8：00用電低谷期，開啟自蓄能電鍋爐，儲熱材料儲熱。白天蓄能電鍋爐停止用電，取熱水時先將容積式換熱器中貯存的熱水送至用戶，冷水補(bǔ)充到容積式換熱器后溫度會降低，此時開啟循環(huán)泵，將蓄能裝置中蓄存的熱量傳遞至容積式換熱器中加熱熱水，在熱水用水高峰期，全力放熱，最大放熱能力可達(dá) 1500kW，如此循環(huán)可始終保持容積式換熱器的熱水穩(wěn)定55℃。

1.3 空氣源熱泵集中供熱技術(shù)

空氣源熱泵集中供熱技術(shù)是利用空氣中蘊(yùn)含的大量低品位的熱量，通過少量的電能，將其轉(zhuǎn)化為高品位的熱能，投入1kW 的電能可得到3 ～4kW的熱能。

空氣源熱泵機(jī)組的性能與室外氣候有直接的關(guān)系，空氣源熱泵冷水機(jī)組供冷能力隨室外溫度的升高而降低，機(jī)組消耗功率隨室外環(huán)境溫度的升高而增加；空氣源熱泵熱水機(jī)組的制熱特性復(fù)雜，和盤管表面溫度與空氣溫度有直接關(guān)系，當(dāng)盤管表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時，空氣結(jié)露，盤管表面發(fā)生相變換熱，有利于提高熱泵機(jī)組的制熱能力，但當(dāng)盤管表面溫度低于空氣冰點(diǎn)溫度（0℃以下）時，同時空氣中的相對濕度達(dá)到某一程度，盤管表面結(jié)霜，如不及時化霜，霜層會越結(jié)越厚，影響空氣實(shí)際流通量，阻礙了盤管上的熱交換，重者會結(jié)冰，壓縮機(jī)出現(xiàn)低壓保護(hù)停機(jī)。因此，必須定時化霜，目前多采用反向循環(huán)來化霜。

為滿足5600kW 熱負(fù)荷的用電需求，本系統(tǒng)選擇 5 臺理論制熱量為 1134kW 的 30XQ—1160空氣源熱泵機(jī)組，其具有高效、運(yùn)轉(zhuǎn)寧靜、環(huán)境領(lǐng)先、安裝便捷、品質(zhì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。為使投資利益最大化，節(jié)約成本，將原有燃油鍋爐供熱系統(tǒng)作為空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的備用系統(tǒng)。

系統(tǒng)中通過負(fù)荷確定供熱管道的流量，從而確定各管段的直徑。設(shè)計流量G為：

（1）

式中：Q—設(shè)計熱負(fù)荷，取 Q = 3925kW；c—水的質(zhì)量比熱：t1—熱網(wǎng)供水溫度，取 t1= 50℃；t2—熱網(wǎng)回水溫度，取t2= 45℃。

代入數(shù)據(jù)，得：G =810m3/ h。

查《供熱工程》，可得循環(huán)水主干線管徑選為D426X7，平均流速為 1.74m / s，平均比摩阻為72.4Pa /m。由以上計算，可選得供熱循環(huán)水泵，其規(guī)格為：設(shè)計工況點(diǎn)流量為 810m3/ h，設(shè)計工況點(diǎn)揚(yáng)程為 20m，配套電機(jī)參考額定功率為 55kW，水泵效率大于 75%，為單級雙吸泵，由選定的熱泵機(jī)組可知，熱泵壓縮機(jī)最大運(yùn)行電流為 397A 和485A，由此選擇電纜，分別為 NH—YJV22—0.6 /1.0kV 3X185 + 2 X 95 和 NH—YJV22—0.6 /1.0kV3 X240 +2 X140。

該系統(tǒng)不設(shè)鍋爐，機(jī)房占地面積小，不用消耗煤炭、石油、天然氣等寶貴的一次性不可再生資源。它制熱理論工況為：熱水進(jìn)/出水溫度為 40℃ /45℃，環(huán)境干球溫度為 7℃，濕球溫度為 6℃。

2 方案對比

以工程節(jié)能改造工程為實(shí)例，從投資概算、運(yùn)行費(fèi)用、靜態(tài)投資回報期、占地面積等方面對 3 種技術(shù)方案進(jìn)行了計算分析，結(jié)果如表 1 所示。

可以看到，固體蓄熱系統(tǒng)投資概算低，運(yùn)行費(fèi)用也低，投資回報期較短，設(shè)備占地面積也少，但是，它只能解決冬天采暖和生活熱水熱源，夏天制冷就需要另外設(shè)計制冷系統(tǒng)；冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)投資概算相對較高，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也很高，所以，系統(tǒng)靜態(tài)投資回報期較長，并且系統(tǒng)占地面積很大；空氣源熱泵供熱系統(tǒng)盡管前期投資概算較高，但其改造后運(yùn)行費(fèi)用相對較低，靜態(tài)投資回收期相對較短，而且能實(shí)現(xiàn)一機(jī)三用，為冬季采暖、夏季制冷、全年提供生活熱水。

另外，空氣源熱泵集中供熱系統(tǒng)適用范圍廣，適用溫度范圍在 -10～40℃，可連續(xù)加熱，適合各類熱水工程使用，可實(shí)現(xiàn)無人值守，全自動運(yùn)行，運(yùn)行成本低，節(jié)能效果突出，空氣源熱泵可節(jié)省 70%的能源，與燃?xì)?、電和電輔助加熱的太陽能熱水器相比，是燃?xì)鉄崴鞯?1/2 左右、電熱水器的 1/3左右；環(huán)保型產(chǎn)品，無任何污染，無任何燃燒外排物，不會對人體造成損害，具有良好的社會效益；方便，空氣源熱泵占地空間小，外形與空調(diào)室外機(jī)相似，可直接保溫水箱或與工暖管網(wǎng)連接，適合大中城市的高層建筑；安全性能好，無任何漏電、漏氣安全隱患；使用壽命長、維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長達(dá)15a 以上，設(shè)備性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全，自動化程度高。最終綜合考慮選擇空氣源熱泵集中供熱技術(shù)作為空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造方案。

3 結(jié)束語

空氣源熱泵集中供熱系統(tǒng)投入使用后，經(jīng)過1a 左右的運(yùn)行，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，使用效果良好，經(jīng)過測算，同樣效果下運(yùn)行費(fèi)用降低 30%，節(jié)能效果顯著，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計的目標(biāo)。