中央空調節能方案

　　中央空調節能方案

　　在建築能耗中，中央空調能耗一般佔到了40%——60%的比例，因此如何有效降低空調能耗就成為建築節能的重中之重。

　　中央空調的節能可通過以下兩種方法進行：

　　（1）管理節能：在保障建築物舒適的前提下，通過對行為的約束管理或通過調整設備的不合理運行狀態來達到節能的目的。

　　（2）技術節能：技術節能是通過先進的科學技術，通過對建築物內用能設備的改進來達到節能的目的，技術節能有兩種方法，一種是提高用能設備的效率，另一種是通過技術手段設備的調整運行狀態，從而避免不必要的能源浪費。

　　總之，要想真正是實現建築物的節能不僅要利用技術有段進行節能改造，而且還必須配合有效的管理節能手段，只有兩者有效的配合才能達到節能的最大化。

　　一、管理節能

　　目前我國建築內的中央空調系統大部分設計都趨於保守，存在配置過大，管理不便的現象，空調設計很少從節能的角度來進行考慮，這種狀況無疑增加了中央空調的能耗。為了達到節能的效果，需要做到“功能適當，運行合理”，在保持舒適度的前提下，儘可能地降低能耗，同時應該有切實可行的管理手段，使得系統運行科學、合理，操作簡單、方便。

　　要實現對重要空調的管理節能我們必須首先能夠找到空調系統存在哪些能耗浪費的地方，設備存在怎樣的不合理運行狀態等，只有找到了原因，我們才能夠找到相應的解決途徑，因此，要想實現中央空調系統的節能，就必須對中央空調的系統進行節能診斷。

　　1、主機

　　空調主機是空調系統中裝機容量最大的設備，物業部門一般對其維修保養都很重視，基本能做到運行狀況的連續記錄，但是記錄數據往往沒有用於指導設備的高效運行，為了有效地對中央空調進行診斷，我們可以根據運行記錄的數據對系統存在的問題做出診斷。

　　在一般的電製冷主機運行記錄表中，都會記錄主機的蒸發溫度和冷水出水溫度，一般對於水冷方式的主機來說，蒸發溫度要比出水溫度低3——4℃，實際值若超出這個數值，則說明蒸發器或製冷劑有問題，應注意檢修。同時，一般冷凝溫度要比冷卻水出水溫度高2——4℃，若實際運行情況超出此值，大多是主機的冷凝器有問題，應注意及時清洗。

　　在實際的運行中往往出現這樣的情況：冷水的供回水溫差在2——3℃之間，說明空調末端符合不大，但是冷卻水出水溫度很高，且冷凝壓力很高，導致主機的負荷在90%以上。這種情況基本是冷凝器出了問題，在進行及時清理后，主機的負荷會大幅度下降，節約大量的能耗。

　　另外，通過記錄主機的冷凍水流量、供回水溫度，及壓縮機電流等參數的監測，我們就可以計算出主機的性能係數cop，並可以對主機的運行效率有一個大致的判斷。如果主機的運行效率過低，將會導致能源的浪費，對此應該找出原因並加以改善。

　　對主機的節能診斷，還要觀察不運行的冷凍機的水閥是否關閉，若閥門不關將會導致回水箱的部分熱水經過該主機旁通到了供水箱，在供水箱內發生了冷水跟熱水混合的現象，這樣將會導致大量的能源浪費。

　　同理，冷凍水分水箱和集水箱之間的旁通閥若處於未關狀態，或者存在一台冷機對開兩台冷凍泵的現象時，也會出現冷熱水混合的現象，導致能源的浪費，這個問題應引起我們的注意。

　　2、冷卻水

　　在實際的冷卻水運行中往往存在着不運行冷卻塔的閥門不關的情況，這樣造成的後果是熱水經過該冷塔后與其他正常運行的冷卻塔的冷水混合，進入了主機，導致主機冷凝器的進水溫度偏高，主機的cop減小，主機的能耗增加，浪費大量能源。解決該問題的辦法是將不運行的冷塔的進出水閥門關掉。

　　另外，通常吸收式空調主機因真空度降低或製冷劑污染造成製冷劑效率降低；冷卻塔常因失修（如布水輪不轉動）導致散熱效率下降，主機或冷卻塔的效率是否降低可按下述方法大致鑒別：

　　（1）主機輸出製冷量減少（冷凍水運行供水溫度大於設置溫度）；

　　（2）冷卻水進水溫度高，主機曾報警，冷卻水進出口溫差小於5℃；

　　（3）冷凍水供水溫度高，末端用戶曾報熱投訴，冷凍水供回水溫差小於5℃。

　　如果主機或冷卻塔出現了效率降低的情況，就應及時維修，以免造成能源浪費。

　　3、冷凍水

　　目前的冷凍水系統中，往往存在着水泵選型過大的問題，造成的結果是，一方面功率偏大造成能耗的浪費，另一方面是水泵偏離標準工況運行，導致水泵長期工作在低效區，水泵效率偏低導致能源的浪費，此種情況解決的辦法是更換水泵或者採用變頻調速的手段來實現節能。

　　冷凍水管路如果存在水力不平衡問題將會使整個系統的能耗增加。一般空調運行中存在一個誤區，認為空調末端效果差是由於總水量偏小，所以往往會通過增加水泵開啟台數或者換大流量水泵來解決。但實際的原因大多是由於工程竣工后空調水系統從未做過水力平衡，導致部分末端數量不足，而部分末端水量過剩，而工作人員往往為了滿足水量不足這部分末端的換熱要求，只能增大總水量，從而使得其他末端的水量變大，白白浪費了一些能源。

　　因此，冷凍水流量分配診斷內容應該為測量系統各分支的冷凍水量和進回水溫度，從而判斷各分支冷量的提供情況，一次判斷系統是否存在水力不平衡現象。

　　對水力不平衡的解決方法是：找出水力不平衡的原因，如果是因為個別風機盤管支路堵塞，可對此修復；若因局部末端負荷水壓不足，應考慮採用調整水力平衡調節閥或增加小型管道泵的可能性。

　　二、技術節能

　　以上介紹的是通過行為管理來達到節能的目的，事實證明這是一種最簡單有效的節能方式，在某種程度上可以達到一定的節能效果，但是管理節能的方式也有一定的局限性，因為它不能從根本上解決中央空調所存在的巨大能源浪費問題。

　　一般來說，中央空調系統的設計通常按建築物所在地的極端氣候條件來計算其最大冷負荷（或最大熱負荷），並由此確定空調主機的裝機容量及空調水系統的供水流量。然而，實際上每年只有極短時間出現最大冷負荷（或最大熱負荷）的情況。因此，中央空調系統在絕大部分時間裡，都是在部分負荷（遠小於其額定容量）條件下運行。據統計，實際空調負荷平均只有設備能力的50%左右，因而出現了“大馬拉小車”的現象，這無疑造成了大量的能源白白浪費。

　　另一方面，空調負荷又具有變動性。由於受季節交替、氣候變幻、晝夜輪迴、使用變化及人流量增減等各種因素變化的影響，中央空調系統的負荷具有起伏變化和不恆定的特點。如果中央空調的運行方式不能根據負荷的變化而調節，始終在額定容量（即滿負荷狀態）下運行，勢必造成巨大的能源浪費。

　　隨着科技的發展，現在，不少空調主機已能夠根據負荷變化自動隨之減載或加載，但輸送空調水（冷凍水和冷卻水）的水泵如果不能跟隨負荷的變化做出相應的調節，始終在額定功率下運行，仍然會造成輸送能量的很大浪費。

　　目前，國內的中央空調系統，由於沒有先進的技術手段支持，基本上都採用傳統的定流量控制方式，即空調冷凍（溫）水流量、冷卻水流量和冷卻風風量都是恆定的。也就是說，只要啟動空調主機、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機都在工頻狀態下運行。

　　定流量控制方式的特徵是系統的循環水量保持定值不變，當負荷變化時，通過改變供水或回水溫度來匹配，定流量供水方式的優點是系統簡單，不需要複雜的控制設備。但這種控制方式存在以下問題：

　　（1）無論末端負荷大小如何變化，空調系統均在設計的額定狀態下運行，系統能耗始終處於設計的最大值，能源浪費很大。

　　（2）舒適型空調系統是一個多參量、非線性、時變性的複雜系統，由於末端負荷的頻繁波動，必然造成系統循環溶液（載冷劑、冷卻劑、製冷劑溶液）的運行參量偏離空調主機的最佳工作狀態，導致主機熱轉換效率（cop值）降低，系統長期在低效率狀態下運行，也會增加系統的能源消耗。

　　為了解決中央空調的能源浪費問題，社會各界都已開始研究中央空調系統的節能途徑，希望通過先進的技術手段來實現節能。目前主要的節能控制思想主要有以下幾種：

　　1、水泵變頻節電

　　直接在水泵電機前加裝變頻器通過人工調整頻率，去除水泵余量而節能。

　　2、簡單PID變頻控制

　　利用壓差或溫差作為控制參量，採用PID（比例、積分、微分）算法控制變頻器工作頻率，使水泵流量跟隨負荷變化，從而達到水泵節能的目標。

　　（1）恆壓差控制

　　中央空調冷凍水系統的恆壓差控制原理圖

　　在冷凍水系統供、回水總管間設置水力壓差傳感器，通過檢測壓差△P控制變頻器，為水泵提供變速調節。

　　其控制原理是以保持冷凍水供、回水壓差的恆定為依據，來調節用戶側冷凍水的供水流量，從而達到節能的目的，其控制過程如下：

　　當空調實際負荷減少時，隨着末端眾多二通閥的關閉，冷凍水供、回水壓差會增大（偏離了設定值），壓差傳感器檢測出壓差的變化后，將信息傳送到變頻器，變頻器的輸出頻率隨之降低。是冷凍水泵電機轉速降低，供水流量減少，使冷凍水供、回水壓差減少並回到設定值，系統用戶側進入低流量狀態。由於水泵電機轉速降低，從而達到節約電能的目的。

　　反之當空調實際負荷增加時，隨着末端眾多二通閥開啟，冷凍水供、回水壓差會變小（偏離了設定值），壓差傳感器檢測出壓差的變化后，將信息傳送到變頻器，變頻器的輸出頻率隨之升高，使冷凍水泵電機轉速提高，高水流量增加，是冷凍水供、回水壓差增大並重新趨於設定值，系統用戶側進入新的流量運行狀態。

　　（2）恆溫差控制

　　中央空調水系統的恆溫差控制原理圖

　　在水系統供、回水總管上分別設置溫度傳感器T出和T入，通過PLC檢測供、回水溫差△T的變化來控制變頻器，為水泵提供變速調節。

　　其控制原理是以保持供、回水溫差的恆定為依據，來調節用戶側水系統的供水流量，從而達到節能的目的。其控制過程如下：

　　採用恆溫差對空調系統的水泵電機進行控制，它根據需要設定水系統的正常工作溫差，並給出最高和最低的運行水溫差，在此範圍內，可人工調節所需的運行溫差。

　　當空調實際負荷減少時，隨着末端眾多二通閥的關閉，水系統供、回水溫差會變小（偏離了設定值），PLC檢測出溫差的變化后，經比例積分微分（PID）運算並控制變頻器的輸出頻率隨之降低，使水泵電機轉速降低，供水流量減少，使供、回水溫差增大並回到設定值，系統用戶側進入低流量運行狀態，由於水泵電機轉速的降低，從而達到節約電能的目的。

　　反之，當空調實際負荷增加時，隨着末端眾多二通閥的開啟，水系統供、回水溫差會增大（偏離了設定值），PLC檢測出溫差的變化后，經PID運算並控制變頻器的輸出頻率隨之升高，使水泵電機轉速提高，供水流量加大，使供、回水溫差減小並重新趨於設定值，系統用戶側進入新的流量運行狀態。

　　以上所述的恆壓差和恆溫差控制方式都是依據單參量數據採集對系統進行比例、積分、微分（PID）控制。PID歷史悠久、原理簡單、使用方便、投資較低，在工業控制領域獲得了極好的應用，具有較好的控制效果。但中央空調系統是一個十分複雜的系統，這種以壓差或溫差作為控制效果參量的PID調節，在中央空調控制中存在較大的局限性，主要在於：

　　沒有全面採集空調系統的運行參數，也沒有對空調系統各個環節進行全面控制，系統設計是有局限性的、不完整的，不可能實現系統綜合優化與最佳節能。

　　比例積分微分（PID）控制中最重要的工程參數比例系統K、積分時間常數TI和微分時間常數TD，一旦選定后，如果人不去調節，它是不定不變的，不可能跟隨受控參量的變化而自動調整。也就是說，工程參數整定之後，就用同一種參數去對付各種不同的運行工況。實際上，中央空調系統是一個時變性的動態系統，其運行工況受季節變化、氣候條件、環境溫度、人流量等諸多種因素的綜合影響，是隨時變化的，且始終處于波動之中。因此，靜態參數的PID控制方法不可能達到最佳的控制效果。

　　PID工程參數的整定在很大程度上依賴於精確的數學模型，而中央空調系統是一個多變量的、複雜的、時變的系統，其過程要素之間存在着嚴重的非線性，大滯后及強耦合關係，一般難以獲得精確的數學模型。對這樣的系統，傳統的PID控制很難實現較好的控制效果。實踐證明，恆壓差或恆溫差的單參量控制，很容易引起水系統參量振蕩，長時間都不能到達設定值的穩定狀態，即影響了系統的穩定性，又降低了空調效果的舒適性。

　　由於中央空調系統的被控對象是空調區域內各個房間的溫度場，它與空調系統進行熱交換的工況相當複雜，制約因素太多。中央空調系統是一個時滯、時變、非線性、多參量且參量之間耦合很強的複雜系統。其複雜性表現為：

　　結構的高度複雜性；

　　環境和符合特性的高度不確定性，導致控制參數不易在線調節；

　　大時滯，多個慣性環節；

　　大惰性；

　　高度非線性；

　　多變量，時變性，複雜的信息結構。

　　這些都是難以用精確的數學模型或方法來描述，因此，基於精確模型的傳統控制難以解決這種複雜系統的控制。

　　3、智能模糊控制方式

　　對於中央空調這種複雜系統，很難用精確的數學模型進行描述，或者所得數學模型不是過於複雜就是較為粗糙，以精確性為主要特點的經典數學，對於這類控制問題往往難以奏效。

　　如果把人（操作人員、管理人員或專家）的操作經驗、知識和技巧歸納成一系列的規則，存放在計算機中，使控制器模仿人的操作策略，就可以實現中央空調系統的人工智能模糊控制。其控制的基本思想就是按照中央空調主機所要求的最佳運行參數去控制中央空調系統的運行，根據系統的運行工況及製冷工質參數的變化，通過模糊控制器動態調整空調系統運行參數，確保空調主機施工處於優化的最佳工作點上，使主機始終保持具有高的熱轉換效率，有效地解決了傳統中央空調系統在低負荷狀態下熱轉換效率下降的難題，提高了系統的能源利用率。

　　中央空調系統是一個較複雜的系統工程，要實現中央空調系統的最佳運行和節能，從局部去解決問題（如採用通用變頻器PID控制）是不可能辦到的，必須針對空調系統的各個環節（包括主機、冷凍水系統、冷卻水系統等）統一考慮，全面控制，使整個系統協調運行，才能實現最佳綜合節能。

　　1）冷凍水系統蠶蛹最佳輸出能量控制

　　當環境溫度，空調末端負荷發生變化時，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數送至模糊控制器，模糊控制器依據所採集的實時數據及系統的歷史運行數據，實時計算出末端空調負荷所需的製冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，並以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉速，改變其流量使冷凍水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在模糊控制器給出的最優值。

　　（2）冷卻水系統採用系統效率最佳控制

　　當環境溫度，空調末端負荷發生變化時，中央空調主機的負荷率將隨之變化，主機的效率也隨之變化。

　　由於主機效率與冷卻水入口溫度有關，冷卻水入口溫度降低，有利於提高主機效率，降低主機能耗。但冷卻水溫度降低，將導致冷卻水泵和冷卻塔的能耗升高。因此，只有將主機能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔風機能耗三者統一考慮，才能找到一個系統最佳效率點，是整個製冷系統能效比最高。

　　要達到系統效率最佳控制，冷卻水入口溫度應隨室外氣溫變化進行動態調節。

　　（3）系統控制原理圖

　　當中央空調系統負荷變化造成空調主機及其水系統偏離最佳工況時，模糊控制器根據數據採集得到各種運行參數值，如系統供回水溫度等，經推理運算后輸出優化的控制參數值，對系統運行參數進行動態調整，確保主機在任何負荷條件下，都有一個優化的運行環境，始終處於最佳運行工況，從而保持效率（cop）最高，能耗最低，實現主機節能10%——30%，水泵系統節能60%以上，事實證明只能模糊控制方式是在空調控制領域最為先進的節能控制策略，該方式可以達到很好的節能效益和社會效益。