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暖通空调系统节能分析

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暖通空调系统节能分析

发布日期:2018-06-13 作者: 点击:

暖通空调系统节能空间应从建筑设计,空调系统设计和运行管理等三方面综合考虑。


建筑物的形体,方位,颜色以及围护结构等因素均能对空调系统的冷负荷需求量产生重要影响。如:厦门地区由于供暖负荷较小而供冷负荷大,以浅色为好。以及减小外窗的面积,采用双层隔热玻璃,采取遮阳措施等等。


空调系统的设计常以满足最大负荷为依据,但是在实际运行中最大负荷出现的机会很少。对某5星级酒店的抽样调查中发现,设计配置为163w/m2,而在90%的运行时段内实际容量仅为60~100 w/m2。现代旅游饭店是集住宿、商务、会议、餐饮、娱乐、健身为一身的多功能建筑,而其多功能并不会同时出现冷负荷服务需求高峰。合理的负荷要求设计师精益求精的设计作风和丰富的设计经验,简单地套用资料数据可以减少设计师的风险,但是可能带来设备利用率的降低。


设计数据选择不当进一步加剧了设备利用率的降低,如:饭店中的商场、健身、商务等设施是为下榻客人服务的,如果套用和国美,家乐福一样的指标就过分了。


水泵的扬程是依据系统最不利负荷水头损耗再乘以一定的安全系数后,套用水泵样本确定的,如果没有合适的水泵型号,就采取宁大勿小的原则,因此水泵的选型常常造成额外冗余。


冷冻水系统是按设计容量配置的,而实际负荷却是根据系统负荷冷量时变的,下图给出了系统冷负荷变化示意图。在恒速水泵系统中当实际负荷低于设计容量时,就会出现大流量小温差的现象,产生不必要的节流损耗和水泵的能效指标下降,不仅如此,冗余的载冷剂水量还会造成不必要的系统冷量损耗。


因此,暖通空调的节能控制就成了业内人士的共同追求,随着现代变频控制技术、计算机技术以及系统控制技术和理论的不断发展,为暖通空调节能事业提供了崭新的平台。


节能效益空间更多的是取决于低负荷维持的时间和出现的频率。


水冷式暖通空调系统主要是由制冷剂循环系统、载冷剂循环系统、空气循环系统共同构成,其中载冷剂循环系统又由冷冻水循环系统、冷却水循环系统和冷却风循环系统组成。下图给出TRANE® RTHB450S制冷机的能效性能和YROK® YK500TR制冷机的能耗性能,可以看出制冷主机的冷冻水出水温度、冷却水进水温度以及负荷率对能耗的影响。所谓的系统调节就是跟随系统冷负荷的变化,通过合理调节载冷剂的扬程、流量和冷却空气流量来实现对冷冻水出水温度和冷却水进水温度以及负荷率的合理调控,实现对COPc以及Nw和Na的随动控制,达到提高系统运行效率,降低运行能耗的目的。


制冷机的制冷量Qo应同时满足末端负荷用户服务质量的冷量Qy需求和冷冻水系统自身的冷量损耗Qs:

如果末端用户负荷所需冷量不变,由于冷冻水流量的减少,不仅可以降低各末端用户在调节阀门上的节流损失和系统管网以及水泵的磨擦损失,使得冷冻水泵的功耗降低,更重要的是系统在管网、阀门和水泵上的冷量损耗Qs也跟随降低,这就使得制冷机的冷负荷跟随降低。


通常制冷机无论采用什么样的能量调节技术,其COPc始终跟随负荷冷量变化,并在其最大制冷量的附近显现最高COPc拐点,即最高效率点。

在用户负荷冷量需求不变的前提下,因冷冻水流量的降低带来的系统冷负荷的降低,使得制冷机的制冷系数COPc降低(见图2-1b),同时也会使得冷凝器的释冷量跟随减少,在冷却水量不变的前提下,冷却水出水温度会降低,如果冷却水进水温度相应降低的话,可以使COPc得以补偿(见图2-1),但是这是需要时间和冷却系统的共同作用。可见由于系统冷负荷的降低,对COPc产生的正面作用是不确定的,而造成的负面影响却是肯定的。所以通过系统冷负荷的降低能够优化制冷主机COPc的说法是不妥的。


但是COPc的降低并不意味着不节能,对于采用不同能量调节技术的制冷机型来说,因系统冷负荷的降低而产生的能耗降低是完全不同的。例如:多机头的活塞机,冷负荷的降低可能使其停开一组压缩机,产生的节能效果不言而喻;制冷机制造商对产品性能的不懈努力从来没有停止过。不断地改进使得部分负荷运行的电耗不断降低,效率不断提高;而对于采用热气体旁通能量调节阀技术的机型而言,当冷负荷降低时,压缩机的吸气压力就会降低,通过能量调节阀将一部分高温高压制冷剂气体旁通到吸气管阻止吸气压力的继续下降,这样制冷量是下降了,但是压缩机的功耗仅仅是略有下降甚至是基本不变,节能效果当然就很少了。由此可见,冷冻水流量减少产生的系统冷负荷降低,会导致制冷机COPc的降低,但是冷冻水系统调节产生的系统冷量降低为主机能耗的降低创造了客观条件,至于主机能耗是否能跟随降低以及降低多少,取决于主机自身的能量调节性能,因机而异。制冷机COPc的最大化并不是暖通空调节能控制的根本目标,从热学物理角度出发,冷冻水系统的节能调节主要是通过合理地降低载冷剂流量,减少系统冷量损耗Qs的途径获取的。


冷冻水系统可以从降低水泵电耗和减少系统冷量损耗两个方面获取节能效益。

室外大气环境的温湿度是影响湿式冷却塔运行性能主要因素,冷却水的进水温度过高直接造成主机制冷系数COPc降低,冷却水进水温度过低也会导致冷凝温度和压力的降低,造成冷媒流量不足,导致运行不稳定和制冷量减少。另外,冷却水进水温度过低造成的主机难以启动也是困扰用户的一个难题。

冷却水系统的节能控制主要是通过降低冗余的冷却水流量和系统管网以及水泵的磨擦损失,且尽量保持循环水泵和电机高效运行的途径获取的。


1.节能系统控制目标的追求

在电制冷暖通空调系统中,常用制冷机组的制冷系数COPc来衡量其制冷效果,定义是:制冷量QO与制冷机输入电功率Nc的比值,即

以水输送系数COPw来衡量水系统输送效果,定义是:显热交换量QO与循环水泵电功率Nw的比值,即

暖通空调机房总电耗Ns是制冷主机电耗Nc和水系统(冷冻水、冷却水)电耗Nw以及冷却塔风机电耗N之和,水系统水泵和冷却风机又统称为辅机:我们这里引入暖通空调机房系统的热转换系数COPs概念,定义为:单位系统电耗的制冷量,所反映的是机房系统二次能源能效指标:


相应的二次能源能耗指标实质上就是系统能耗效率比,表示为:


如果用经济学中投入产出比的标准来衡量暖通空调效率,就像是一个黑匣子,投入的是系统总电耗Ns,产出的是系统总制冷量QO,一度电按发热量860*4.187=3600kJ/(kw·h)计。


由于暖通空调系统产出冷负荷的时变性,使得投入的系统电耗存在跟随变化的节能空间,如果在保证暖通空调系统安全运行和用户服务质量的前提下,能够使系统电耗跟随负荷量的变化,提高系统的COPs,就可以实现降低系统能耗指标ε,达到经济运行的目的。


绿色节能:

是一种以提高舒适度和倡导健康的节能理念,将节能理念提高到新的境界。例如:舒适性空调允许服务温度有较大的变化范围,当室外环境温度较低时,室内服务温度相应调的低一些;当室外温度偏高时,室内温度相应调高一点,保持室内外有相对恒定的温差。当室外温度接近舒适温度时,则尽可能地多用新风,使得室内小环境跟随室外大环境空气状况变动,既能更大限度地节省能源,又能提高室内空气品质和舒适度。

空调系统中除了机房能耗外,用以处理新风所需的能耗常被工程师忽视,某五星饭店用以处理新风的能耗仅占了空调系统总能耗的40%,处理新风的冷负荷在12w/(m3/h),厦门地区可能会更高。

目前大多数饭店新风恒定不变,节能空间显而易见。

可持续节能是一种以不断努力,不断提高和不断改进的节能理念。


随着人类对自然科学的不断认识和科学技术的不断发展,新的节能空间还将被人们不断发现,新的节能技术和新材料会不断出现,与时俱进的科学发展观是保持可持续节能的指导思想。

1. 节电效果评估

单从式15-17看,似乎只要分别通过冷冻水循环系统、冷却水循环系统和冷却风机各自的能耗控制,降低辅机系统的能耗,就能够提高系统能效指标COPs。其实不然,暖通空调系统是一个较为复杂的系统工程,任何子系统都不能够孤立存在,要想实现暖通空调系统的最佳经济运行工况,仅仅从局部去考虑问题是不够的。任何一个不是以降低系统综合能耗指标为控制目标的暖通空调节能控制系统都可能出现三种情况:

1.减少冷却水水量后,辅机系统功耗Nw下降,冷凝温度基本维持不变。这种情况下,制冷机COPc基本不变,即系统制冷量不变,总能耗Ns下降,能效指标COPs提高,能耗指标ε降低,节能效果明显。

2.减少冷却水流量后,Nw下降,系统总能耗Ns下降,但是由于冷凝温度上升使得制冷机COPc略为降低,制冷量也相应下降,能效指标COPs和指标ε尚能维持基本不变,节能效果难以鲜见。

3.减少冷却水流量后,Nw下降,但是冷凝温度上升使得制冷机COPc显著下降,导致系统能效指标COPs下降,能耗指标ε上升,节能效果为负值,劳命伤财。

因此节能控制应运用系统工程理论从系统层面出发全面权衡协调各子系统之间的相互关系和牵连,避免单方面地强调某一个侧面,而忽略其它侧面可能会给系统运行造成的负面影响,因此无论是冷冻水子系统还是冷却水子系统的节能控制,均不能以各自子系统的水泵节能收益最大化为唯一目的,也就是说,水泵转速的降低不是节能目标而是节能手段,各子系统的节能控制必须服从系统安全运行和整体节能效益的大局。由于“电表是挂在系统上的”,用户是按缴费计量电表缴费的,所以控制系统的唯一目标就是整个暖调空调系统综合效率的提高,二次能源能耗指标ε的降低。说白了,就是在保障系统安全运行和用户服务质量的前提下,尽可能地降低缴费表计的计量度数,减少用户电费支出。一句话,只有用户的电费支出减少了,节能控制方案才是成功的。


同理,对于冰水蓄冷的节能评估,也不能仅以转移电量的多少确定节能收益,因为冰水蓄冷技术在能量储存和转移的生产过程中存在大量的附加能量(包括电能、机械能和热能)损耗,这些能量和管理成本的增加并不能为用户创造利润,也不能为厂商带来利益。

1. 辩证看待节电率

我们从上述的章节已经了解了暖通空调系统的节能机理和节能空间,跟随系统冷负荷的变化,系统的节能空间也是不断变化的,因此系统的能耗指标ε也是一个变量,节电率当然就不会是一个固定值。也就是说,由于不同的时间有不同的冷负荷,因此就有不同的节电率,同样的一套节能控制设备在不同的空调系统中必然会有不同的节电效果。严格地说,世上没有一个暖通空调系统是相同的,每一个系统都有其的独特的个性,从不雷同。形象地说,就是每个系统都有自身唯一的DNA。其它案例的节电率,仅仅是该系统某一时段的典型数据,既不能代表系统的平均节电率,也不能说明系统整体节电效果。但是常常被厂商用以产品的包装。对该案例之外的任一系统都仅有借鉴意义而没有任何指导意义。

上图给出了厦门某项目从2005年2月4日至10月17日节电率走势,期间甲乙双方协议节电量1705738.41kwh。图中也出现了如tA明确地标示出在辅机节能21.94%时,主机的节电率为-21.26%,系统节电率竟为-7.21%的现象。 

案例1:在厦门某大厦案例招标中,有的供应商一看到单台水泵的功率就热血沸腾,扬言志在必得,在即没有对系统实施调研分析,也没有分清水系统节电率和机房系统节电率的区别的情况下,开口就保证系统节电60%以上,并承诺达不到不要钱,其实该案例的水泵早已经切削了叶轮。


案例2:厦门某酒店经测试水泵系统节电率为53.4%,工程部皆大欢喜颁奖庆贺,但是次月空调电费不降反升,财务部提出质疑:50%的节电率上哪里去了?工程部无言。原因至少有两个,一是水系统的节电率并不是空调系统的节电率,水系统节电并不能说明空调系统就节电,也有可能系统更耗电;二是随着冷负荷的增加,系统节电率是呈下降趋势的,次月天气温湿度升高,又洽逢旅游旺季酒店入住率攀升,冷负荷需求增大,节电率下降。


具体地说,一个案例的节能效益主要取决于两个方面:

系统节能空间的大小(包括:最大负荷与设计负荷之间的设计余量和最大负荷与最小负荷之间的负荷变化量以及低负荷时频的长短);

控制系统跟随负荷变化的随动控制能力。


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