中央空調(diào)能效管理技術(shù)與效益分析

王龍 張莉

一、中央空調(diào)能效管理的控制思路

1、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與主機(jī)綜合數(shù)據(jù)的采集 中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)控主要通過系統(tǒng)反饋實(shí)現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)場的冷媒流量器、溫控器、壓力傳感器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)跟隨冷熱負(fù)荷、溫度、壓強(qiáng)的地自動(dòng)調(diào)節(jié)。主機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)是需要對(duì)模擬數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的模糊控制與能效優(yōu)化軟件對(duì)數(shù)據(jù)建立模型，分別對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行集約控制，實(shí)施預(yù)期算法與優(yōu)化算法，最終提高空調(diào)系統(tǒng)的能效比，即轉(zhuǎn)換效率（COP），以保持較高的能效管理。

2、冷凍水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制 中央空調(diào)對(duì)各控制回路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，末端負(fù)荷需要進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候，各路冷凍水的溫度差、壓力差、送回風(fēng)流量差均會(huì)發(fā)生一定的變化，自動(dòng)控制系統(tǒng)中的模糊控制系統(tǒng)需要結(jié)合設(shè)備運(yùn)行過程中的歷史數(shù)據(jù)，與實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算系統(tǒng)末端所需的必要制冷量，同時(shí)將各路冷凍水的溫度差、壓力差、送回風(fēng)流量差進(jìn)行計(jì)算，獲取最為有利的設(shè)定值，以完成對(duì)各路能效控制器輸出功率的調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變冷凍水系統(tǒng)的流量，確保相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的最終優(yōu)化。

3、冷卻水系統(tǒng)采用最佳熱轉(zhuǎn)換效率控制 與冷凍水各回路相類似，當(dāng)外界環(huán)境與空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化的時(shí)候，作為空調(diào)系統(tǒng)中央大腦的主機(jī)，其負(fù)荷率也將大為改變，由此導(dǎo)致主機(jī)冷凝器的熱轉(zhuǎn)換溫度也會(huì)發(fā)生變化。模糊控制器同樣將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)對(duì)比系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算系統(tǒng)主機(jī)冷凝器最為有利的熱轉(zhuǎn)化溫度及冷卻水的出、入口溫度，通過對(duì)溫度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)輸出功率的控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的水流量及風(fēng)量，確保模糊控制器計(jì)算出的最佳數(shù)值與冷卻水進(jìn)、出口溫度相一致，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)最佳的轉(zhuǎn)換效率。

4、冷卻塔風(fēng)機(jī)能效控制 理論上來說，中央空調(diào)系統(tǒng)如果處于滿負(fù)荷和正常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，冷卻水、冷凍水系統(tǒng)均處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，能源利用效率必將處于最為有利的狀態(tài)。與正常的狀態(tài)相比，冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)必定存在額定負(fù)荷以下運(yùn)行的情況，因此通過對(duì)冷卻水的水溫衡量來控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)及啟停次數(shù)就可以最大限度的節(jié)約冷卻風(fēng)機(jī)消耗的能量。

二、效益分析

參考寫字樓夏天主機(jī)一般開啟9小時(shí)以上（上班前提前開啟1小時(shí)左右，下班時(shí)停止運(yùn)行），冷水泵要多運(yùn)行1小時(shí)以上（冷水中多余冷量繼續(xù)供給，滿足加班人員需求）；冬季冷水泵為防止結(jié)冰一般24小時(shí)運(yùn)行的工作要求。

1、中央空調(diào)運(yùn)行時(shí)間 在5月底至10月中旬的夏季，主機(jī)、冷卻系統(tǒng)運(yùn)行135天，每天運(yùn)行時(shí)間9小時(shí)，共運(yùn)行時(shí)間1215小時(shí)；冷水泵運(yùn)行135天，每天運(yùn)行時(shí)間10小時(shí)，共運(yùn)行時(shí)間1350小時(shí)。11月中旬至次年4月中旬，熱水泵運(yùn)行150天，每天運(yùn)行時(shí)間24小時(shí)，共運(yùn)行時(shí)間3600小時(shí)。

2、冷、熱水泵節(jié)能分析 管網(wǎng)特性曲線是管網(wǎng)的流量與所消耗的能量之間的關(guān)系曲線，空調(diào)水泵供水系統(tǒng)的能量主要用來克服系統(tǒng)過程中的阻力與局部阻力。為實(shí)現(xiàn)改變流量又能保證水泵恒定和輸入功率減少的目的，結(jié)合水泵的相似定律，當(dāng)管網(wǎng)特定曲線保持不變的時(shí)候，可以通過改變水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變其Q—H的特性曲線，最終實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)的調(diào)整。

變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：

式中P1、H1、Q1為轉(zhuǎn)速n1時(shí)的功率、揚(yáng)程、流量；P2、H2、Q2為轉(zhuǎn)速n2時(shí)的功率、揚(yáng)程、流量。由此可見，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，軸功率隨轉(zhuǎn)速比的三次方關(guān)系進(jìn)行變化，節(jié)電效果明顯。工程項(xiàng)目中，2臺(tái)冷凍泵電機(jī)功率55*2=110KW，運(yùn)行時(shí)間1350小時(shí)，年能耗148500KW.h；1臺(tái)熱水泵電機(jī)，功率45*1=45KW，運(yùn)行時(shí)間3600小時(shí)，年能耗162000KW.h。工程合計(jì)總能耗為310500KW.h?？照{(diào)年運(yùn)行負(fù)荷按設(shè)計(jì)負(fù)荷70%計(jì)算（水泵流量為設(shè)計(jì)流量的70%），根據(jù)：P1/P2=（n1/n2）3=（Q1/Q2）3=（0.7）3=0.35則節(jié)電率=（1-0.35）*100%=65%，理論計(jì)算節(jié)電率50%，保守估計(jì)水泵節(jié)電率30%，取平均值40%進(jìn)行計(jì)算，節(jié)能前的能耗310，500KWh，節(jié)約能耗124，200KWh，年節(jié)約總能耗105，570元，平均電價(jià)0.85元/KWh。

3、冷卻系統(tǒng)節(jié)能分析

冷卻泵采用變流量控制方式，冷卻塔采用運(yùn)行個(gè)數(shù)控制，在保證冷凝器正常工作的條件下，充分利用免費(fèi)冷卻能源，以提高主機(jī)的COP，同時(shí)使冷卻系統(tǒng)電耗最小。工程項(xiàng)目中，2臺(tái)冷卻泵電機(jī)功率55*2=110KW，運(yùn)行時(shí)間1215小時(shí)，年能耗133650KW.h，6臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)功率5.5*6=33KW，運(yùn)行時(shí)間1215小時(shí)，年能耗40095KW.h，工程合計(jì)總能耗為173745KW.h。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，冷卻塔節(jié)電率在20%左右，節(jié)電率20%，節(jié)能控制前能耗40，095KWh，節(jié)約能耗8，019KWh，年節(jié)約總能耗6，816.2元，平均電價(jià)0.85KWh。冷卻泵變流量控制時(shí)，與冷水泵原理相同。據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)在40%左右，節(jié)能控制前能耗133，650KWh，節(jié)約能耗53，460KWh，年節(jié)約總能耗45，441元，平均電價(jià)0.85KWh。

4、主機(jī)節(jié)能分析

工程項(xiàng)目中有2臺(tái)離心主機(jī)電機(jī)，功率407*2=814KW，運(yùn)行時(shí)間1215小時(shí)，年能耗989010KW.h，由于主機(jī)年平均負(fù)荷一般在70%左右，運(yùn)行系數(shù)取0.7。工程合計(jì)總能耗692，307KW.h。

通過對(duì)主機(jī)運(yùn)行工況的優(yōu)化和合理控制開啟臺(tái)數(shù)，提高部分負(fù)荷的能效比，使主機(jī)能夠節(jié)省大約8%-12%左右的能耗。節(jié)能控制前能耗692307KWh，節(jié)約能耗55384.6KWh，年節(jié)約總能耗 47076.9元，平均電價(jià)0.85KWh。

4、節(jié)省的其他費(fèi)用

柜體：不采用節(jié)能控制也需要采購配電柜，可節(jié)省下采購柜體的費(fèi)用。電纜：星三角啟動(dòng)電機(jī)線需要七根電纜，變頻啟動(dòng)電機(jī)線只需4根電纜，配電柜到電機(jī)最少10米。共六臺(tái)水泵可節(jié)省電纜 8*3*10=240m。電氣元件：變頻啟動(dòng)可不用接觸器、熱保護(hù)器等硬件，8臺(tái)泵共8套電氣設(shè)備。以上部分大約投資10-15萬元。

5、投資收益

根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際投資，節(jié)能控制系統(tǒng)大約需要投資80萬元。靜態(tài)投資回收期=實(shí)際增加投資/每年節(jié)約電費(fèi)=80萬/20=4（年），節(jié)能設(shè)備可運(yùn)行20年以上，則20年內(nèi)靜態(tài)投資收益= 20*20-80=320萬元。

中央空調(diào)系統(tǒng)的能效管理符合國家節(jié)能減排政策，屬國家提倡項(xiàng)目。工程項(xiàng)目的推廣將會(huì)節(jié)約大量的能源，緩解城市的供電壓力，有利于開發(fā)項(xiàng)目的市場營銷，更有利于塑造的項(xiàng)目的品牌價(jià)值，未來的發(fā)展?jié)摿?huì)很大。

（作者單位：1.山東黃金地產(chǎn)旅游集團(tuán)有限公司；2.濟(jì)南第九職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校）