中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與能源合理利用

中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與能源合理利用隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，各類現(xiàn)代化建筑不斷增多，在這些建筑中廣泛采用中央空調(diào)統(tǒng)為人們提供一個(gè)舒適的環(huán)境。而空調(diào)耗能般占整個(gè)建筑能耗的60%以上，空調(diào)耗能占個(gè)城市能源消耗的比例也在不斷增加。城市年的用電高峰在夏季，空調(diào)制冷用電也是在6、7、8、9幾個(gè)月，并出現(xiàn)在每天的用電高峰期間，空調(diào)在此時(shí)間內(nèi)的耗電要占總發(fā)電量的30%左右，有的地區(qū)，如廣州地區(qū)高達(dá)50%?60%。因此，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對(duì)整個(gè)節(jié)能工作有著較大的影響。近10年來(lái)，在我國(guó)原先不采暖的地區(qū)如長(zhǎng)江流域，由于冬季比較冷也普遍采用了各種采暖措施，其中也有采用不節(jié)能的電熱直接取暖的方法，如何解決這些地區(qū)的采暖問(wèn)題并做好節(jié)能工作是值得進(jìn)一步研究的課題。本文從中央空調(diào)冷熱源的選用、中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行等方面討論了如何使中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，使能源得到合理利用的各種措施。中央空調(diào)冷熱源與節(jié)能冷熱源的能源消耗占中央空調(diào)系統(tǒng)能源消耗的絕大部分，因此，合理配置中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源對(duì)節(jié)能與能源合理利用意義重大。中央空調(diào)常見的冷熱源配置為水冷冷水機(jī)組RT’美國(guó)冷噸(IRT=3.517kW)+鍋爐；2熱泵型機(jī)組;3漠化鋰吸收式機(jī)組。第一種配置夏季用水冷冷水機(jī)組制冷，冬季用鍋爐供熱。用水冷冷水機(jī)組制冷時(shí)消耗電能。在設(shè)計(jì)工況的能效比(制冷量/耗電量)比較高，一般為3.7?5左右，其中主機(jī)為離心式壓縮機(jī)的機(jī)組能效比最高，為5左右，但機(jī)組容量較大，一般空調(diào)制冷量在300RT*以上選用離心式壓縮機(jī)，空調(diào)制冷量在150?300RT的制冷量范圍內(nèi)選用螺桿式壓縮機(jī)比較合適，其能效比雖比離心式壓縮機(jī)低但高于活塞式壓縮機(jī)，活塞式壓縮機(jī)的能效比最低，一般在4左右，當(dāng)空調(diào)制冷量小于150RT時(shí)選用活塞式壓縮機(jī)較為合適。水冷冷水機(jī)組要有一個(gè)冷卻水系統(tǒng)，包括冷卻塔和水泵等，機(jī)組運(yùn)行時(shí)有一定的耗水量，在水源比較充足的地區(qū)使用水冷冷水機(jī)組比較合適。國(guó)內(nèi)外均有使用冷卻塔造成“軍團(tuán)菌”感染的情況，冷卻塔不能置于新風(fēng)進(jìn)口和臨近窗處，以免成為“軍團(tuán)菌”的感染源。冬季的供熱鍋爐有燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t和電鍋爐，其中燃煤鍋爐為多。我國(guó)雖然煤的儲(chǔ)量較大，但燃煤鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的SO2等有害氣體對(duì)環(huán)境有較為嚴(yán)重的影響，其大量排放的CO2氣體對(duì)地球會(huì)產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。目前，不少大中城市已禁止在市中心地帶使用燃煤鍋爐。與燃煤相比，燃油、燃?xì)鈱?duì)環(huán)境的影響較小，使用燃油鍋爐要考慮儲(chǔ)油罐安放處的安全問(wèn)題。天然氣豐富的地區(qū)可適當(dāng)使用燃?xì)忮仩t。根據(jù)我國(guó)目前的電力供應(yīng)狀況不應(yīng)提倡使用電鍋爐。熱泵型機(jī)組的使用對(duì)節(jié)能是很有利的，其中風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組在中央空調(diào)中使用的較多,這種機(jī)組一機(jī)兩用，夏季制冷，冬季供熱。夏季制冷時(shí)采用風(fēng)冷冷卻制冷系統(tǒng)的冷凝器省去了水冷機(jī)組的水系統(tǒng),特別適用于缺水地區(qū)。在設(shè)計(jì)工況下其能效比比水冷機(jī)組低,一般在3左右，其主機(jī)為螺桿式壓縮機(jī)和活塞式壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)機(jī)組的能效比比活塞式壓縮機(jī)機(jī)組高。雖然風(fēng)冷機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的能效比比水冷機(jī)組低，但相同容量的機(jī)組從整個(gè)運(yùn)行周期來(lái)看，風(fēng)冷機(jī)組的耗電量不一定比水冷機(jī)組高。其原因?yàn)樵谡麄€(gè)夏季制冷運(yùn)行期間,一天內(nèi)的大部分時(shí)間機(jī)組并不在設(shè)計(jì)工況下滿負(fù)荷工作。當(dāng)機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，水冷機(jī)組水系統(tǒng)的耗電量降不下來(lái)；另一個(gè)原因是風(fēng)冷冷凝器的冷卻效果主要受空氣干球溫度的影響，而水冷冷凝器的冷卻效果主要受空氣濕球的影響，我國(guó)南方夏季空氣干球溫度在一天內(nèi)的變化在8?10°C左右,而濕球溫度的變化范圍很小，因此，當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)冷機(jī)組的耗電量比水冷機(jī)組大15%左右，在2/3負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)冷機(jī)組的耗電量與水冷機(jī)組持平，在1/3負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)冷機(jī)組的耗電量比水冷機(jī)組低30%左右［2］。風(fēng)冷熱泵機(jī)組在冬季制熱時(shí)消耗一部分高品位能源（電能），將從低溫大氣環(huán)境中吸取的低位熱量Q1提升為溫度高于供熱環(huán)境的熱量,連同輸入的電能向高溫環(huán)境排放熱量Q2（Q2=Q1+W,不計(jì)損耗）以達(dá)到供熱的目的,其制熱能效比（制熱量/耗電量）為3以上，與用電直接取暖相比絕對(duì)節(jié)能。由于風(fēng)冷熱泵使用的電能有一個(gè)發(fā)電效率和輸電效率與消耗一次燃料的鍋爐相比節(jié)能與否要以能量利用系數(shù)E來(lái)衡量。E=AxBx（coph），其中A為發(fā)電效率,B為輸電效率,coph為熱泵的制熱能效比。取A=0.33（火力發(fā)電）,B=0.9,coph=3,則熱泵的能量利用系數(shù)為0.89左右，而一般鍋爐的熱效率為0.65左右,因此,風(fēng)冷熱泵用于冬季供熱的一次能源利用率也高于鍋爐。從環(huán)保角度講,使用熱泵可較大幅度地減少SO2、CO2的排放量。當(dāng)獲得相同的熱量時(shí),用燃煤鍋爐直接供熱CO2的排放量比火力發(fā)電再驅(qū)動(dòng)熱泵高30%,與燃油鍋爐相比，使用風(fēng)冷熱泵相應(yīng)的CO2的排放量也可有較大幅度的減少［3］。風(fēng)冷熱泵的使用也有一些問(wèn)題，最主要的是受環(huán)境溫濕度的影響大。一般當(dāng)大氣溫度在-5C以下時(shí)其使用效果明顯降低，對(duì)于空氣濕度大,溫度低的地區(qū)，由于會(huì)在風(fēng)側(cè)換熱器的表面結(jié)霜，這時(shí)的使用效果就更差,故風(fēng)冷熱泵的應(yīng)用要以當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境是否符合其使用要求為條件,不能盲目使用。文獻(xiàn)［4］提供了一些風(fēng)冷熱泵使用的環(huán)境條件，可供參考。為發(fā)揮熱泵可利用低位能量的特點(diǎn)以及減少環(huán)境條件對(duì)其使用的影響，人們也在不斷開發(fā)其它熱源熱泵,如水源熱泵可吸取地表水或建筑物內(nèi)有一定溫度的水中的熱量用于供熱,對(duì)需同時(shí)制冷和供熱的建筑，水冷機(jī)組的冷卻水可作為熱泵的熱源;也有以地?zé)釣闊嵩吹臒岜?由于一定深度下土壤的平均溫度為10?20C,可將吸熱盤管預(yù)埋在地下，這種熱泵的工作不受環(huán)境的影響，也無(wú)結(jié)霜的問(wèn)題,還有將吸熱盤管埋在建筑物墻體及地基基礎(chǔ)中吸取太陽(yáng)輻射熱和地?zé)岬?并取得了實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)?？傊醒肟照{(diào)以熱泵為冷熱源對(duì)節(jié)能和環(huán)保均有利。另一種冷熱源為溴化鋰吸收式機(jī)組這類機(jī)組分為外燃式和直燃式兩種，外燃式機(jī)組制冷動(dòng)力為熱能,可利用廢熱或余熱，在無(wú)廢熱或余熱的地方采用鍋爐提供熱能作為夏季制冷動(dòng)力和冬季供熱。直燃式機(jī)組以直接燃燒油或氣制冷或供熱。漠化鋰機(jī)組的能效比（制冷量/消耗的熱能）比較低，外燃式為1.0?1.2左右，直燃式機(jī)組稍高。漠化鋰機(jī)組節(jié)電不節(jié)能。對(duì)于有廢熱、余熱的地方，如熱電廠、鋼鐵廠、化工廠等企業(yè)使用外燃式漠化鋰機(jī)組，既利用了廢熱、余熱，又達(dá)到了制冷的目的,是非常合適的。對(duì)于缺電而無(wú)廢熱或余熱的地區(qū)可考慮使用直燃式機(jī)組。目前漠化鋰吸收式機(jī)組無(wú)電制冷使用的氟里昂制冷劑（CFCS、HCFS）存在對(duì)大氣臭氧層的破壞問(wèn)題。蓄冷空調(diào)的使用與電力調(diào)峰我國(guó)的用電狀況存在著電負(fù)荷峰谷差較大的情況一方面在用電高峰時(shí)電力供應(yīng)不足，而在低峰時(shí)電力供應(yīng)過(guò)剩，如上海地區(qū)1996年底的用電負(fù)荷峰谷差為306萬(wàn)kW。按最高用電負(fù)荷建電廠，一方面經(jīng)濟(jì)效益差，一方面會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染（火電）等問(wèn)題，目前，珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲均出現(xiàn)酸雨。國(guó)家計(jì)劃在2000年以前要把1000?1200萬(wàn)kW的高峰電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷。但若采用轉(zhuǎn)移工作時(shí)間來(lái)移峰的話，會(huì)帶來(lái)如上下班、加班、改變正常生活節(jié)奏等問(wèn)題。由于空調(diào)負(fù)荷占有較大的峰值負(fù)荷，而轉(zhuǎn)移空調(diào)負(fù)荷不會(huì)帶來(lái)上述問(wèn)題,因此，采用蓄冷空調(diào)，利用晚上峰谷期制冷并蓄冷，將對(duì)整個(gè)移峰填谷工作起很大的作用。蓄冷空調(diào)分全負(fù)荷蓄冷和部分負(fù)荷蓄冷,全負(fù)荷蓄冷是在晚上谷期蓄足白天所需的冷量，白天的空調(diào)負(fù)荷全由蓄的冷量來(lái)滿足,這種蓄冷方式移峰效果最好，但初投資大,投資回收期長(zhǎng),目前我國(guó)用戶較難接受。部分蓄冷即在晚上蓄上部分白天所需的冷量,白天制冷機(jī)與蓄冷系統(tǒng)同時(shí)工作以滿足空調(diào)負(fù)荷的要求。這種蓄冷方式既可轉(zhuǎn)移部分峰值負(fù)荷,又可減少總的電力裝機(jī)容量，并可降低蓄冷系統(tǒng)總投資，是用戶較能接受的一種方式。蓄冷方式有水蓄冷和相變材料蓄冷，相變材料蓄冷的單位體積容量的蓄冷量較大,蓄冷系統(tǒng)的體積小,設(shè)備投資大;水蓄冷需有較大的蓄冷空間，但成本較低，適合于有足夠場(chǎng)地的場(chǎng)合使用。相變材料蓄冷有冰蓄冷和高溫相變材料蓄冷兩種，冰蓄冷要改變目前常規(guī)空調(diào)的送風(fēng)溫度,由于制冷機(jī)工作的蒸發(fā)溫度較低,對(duì)制冷機(jī)有一定的要求，高溫相變材料的蓄冷系統(tǒng)的送風(fēng)溫度與常規(guī)空調(diào)相近。我國(guó)目前已有多例蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，蓄冷空調(diào)由于其對(duì)電力移峰填谷的特殊作用,值得大力推廣。其推廣工作要得到政府部門,特別是供電部門的支持并給予相應(yīng)的政策，如采用峰谷差電價(jià)等經(jīng)濟(jì)鼓勵(lì)政策，空調(diào)行業(yè)要抓好樣板工程，要加速蓄冷材料和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程以降低蓄冷空調(diào)的成本?？照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施(1)采用大溫差送風(fēng)系統(tǒng)合理調(diào)節(jié)新風(fēng)比例人對(duì)空調(diào)舒適性的感覺有一個(gè)由溫度和濕度構(gòu)成的區(qū)域[5],在這個(gè)區(qū)域內(nèi)人體的熱舒適感沒(méi)有明顯改變，但系統(tǒng)的耗能卻有較大幅度的變化，適當(dāng)加大送回風(fēng)溫差可減少水路、風(fēng)路的系統(tǒng)的容量，降低水泵、風(fēng)機(jī)的功率。加大送風(fēng)溫差辦法有加大目前常規(guī)空調(diào)的送回風(fēng)(送回水)溫差和采用低溫送風(fēng)的方法，低溫送風(fēng)可結(jié)合冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行。這兩種方法要求空調(diào)末端設(shè)備作相應(yīng)的改動(dòng)，以適應(yīng)新的傳熱條件,低溫送風(fēng)要解決出風(fēng)口結(jié)露的問(wèn)題?？照{(diào)機(jī)組處理的新風(fēng)過(guò)多會(huì)增加其負(fù)荷，進(jìn)而增加電耗，處理的新風(fēng)過(guò)少會(huì)影響空調(diào)環(huán)境的質(zhì)量，應(yīng)針對(duì)具體的空調(diào)環(huán)境做好送風(fēng)溫度和新風(fēng)比例的調(diào)整,如商場(chǎng)、車站、醫(yī)院大廳等人數(shù)多的地方，新風(fēng)比例要適當(dāng)增加,但室內(nèi)溫度不一定調(diào)得過(guò)低。而對(duì)于旅館客房等對(duì)室內(nèi)溫度有明確要求而空調(diào)環(huán)境內(nèi)人數(shù)較少的情況可適當(dāng)控制新風(fēng)量。采用熱回收與熱交換裝置由于新風(fēng)的引入，空調(diào)環(huán)境必然要將一部分舊空氣排掉，排氣的溫度相對(duì)大氣溫度有一定的溫差，如制冷時(shí)若室內(nèi)溫度為28°C,室外溫度為35°C,則將28°C的氣體排入大氣會(huì)帶來(lái)能量損失，采用熱回收交換設(shè)備使新風(fēng)在被處理前先與排氣進(jìn)行熱交換，新風(fēng)溫度會(huì)有所降低,這樣可減少新風(fēng)機(jī)組的負(fù)荷，減少了能耗，這種裝置對(duì)于可集中排風(fēng)而需新風(fēng)量較大的場(chǎng)合更為合適。采用變頻控制變頻技術(shù)在工業(yè)中得到了較成功的使用，但目前在中央空調(diào)的水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)中很少采用變頻技術(shù)。根據(jù)空調(diào)負(fù)荷改變水流量或風(fēng)量會(huì)有效地節(jié)能現(xiàn)在人們也在開發(fā)適用于變風(fēng)量送風(fēng)的變頻設(shè)備，在其成本和性能達(dá)到一定要求后，可望得到推廣使用。(4注意圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫特性對(duì)空調(diào)耗能的影響很大推廣和采用各類新型保溫復(fù)合墻體材料及節(jié)能型窗戶等措施對(duì)建筑節(jié)能有很大的作用。國(guó)家擬在一定的時(shí)間內(nèi)將北方建筑采暖能耗在原有基礎(chǔ)上節(jié)能50%[6]。為北方采暖節(jié)能提出了具體的目標(biāo)。但現(xiàn)在我國(guó)南方的各類建筑中也廣泛采用供熱措施而