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[水蓄冷]中央空调系统节能改造方案

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时间: 2018-01-21
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中央空调系统运行能耗是大多数公共建筑最主要的能耗环节,也是近年来既有建筑节能改造的重点内容。各类专业化的技术改造方案针对中央空调系统改造的切入点也不尽相同,能否对系统进行全面的科学分析,切入点是否准确,技改投资方案是否合理,都需要我们进行深入的探讨和研究。中央空调系统节能改造是一项复杂的系统工程,强调的是系统节能,只有通过对系统特点的科学评估,才能探索出最佳的解决方案。


一、现有建筑中央空调系统的运行现状

我国建筑能源消耗约占国家能源消耗的20%—30%,随着人们生存环境和办公环境的日益改善这一比例还存在逐步上升之势。建筑能耗中中央空调系统的能源消耗约占50%—70%,部分建筑甚至达到80%。也就是说空调能耗是建筑能源消耗中最主要的组成部分,如果我们能从这一重要环节上着手,合理优化最佳方案,探索节能的最大空间,对于我们使用者来说将会产生最直接的经济效益,同样也积极的缓解了国家的能源紧张局面。我认为中央空调节能方案应深入涉及到即将建设的项目以及目前正在运行使用的空调项目,要具体结合设计、施工、运行管理及节能改造等几个方面进行实施。

我国现有的中央空调系统基本上是从九十年代初期开始设计使用的,最近几年的发展速度更为迅猛。前期的空调设计中普遍存在冷热源设备装机容量大、水泵选型过大、系统配置不合理等系列问题,造成的后果是

(1)冷热源选型过大,开机容量远小于装机容量,造成设备的闲置浪费。

(2)设计负荷偏大,水泵的流量偏大,导致系统大流量小温差运行。

(3)水泵扬程选配过高或附加系数过大,空调水系统实际流量和水阻较小时,导致系统流量变大,电机出处于超负荷运转,严重时可导致电机烧毁。

(4)多台冷水主机和多台水泵并联时,根据负荷的变化范围,运行调节性能较差不能保证负荷变化时稳定经济运行。

(5)大部分时间水泵处于低效率运行,调节性能较差。

(6)由于南京地区夏季湿度较大,冷却塔效率较差,不能保证冷水机组满负荷运行。

(7)工程设计中取消自动控制装置,末端设备取消电动阀与温控装置,增加了主机与水泵的运行电耗。

目前我们常见的中央空调水系统运行方式主要为双管同程式一次泵变流量或一次泵定流量。双管异程式因管路水平衡问题很少在大型公共建筑中使用。三管式及四管式因初投资及实际的使用要求所限制也很少采用。一次泵定流量系统水流量不能因负荷变化而进行调节,一次泵变流量系统末端设置电动二通阀与温度控制装置,可以通过自动控制装置进行水流量调节,可以通过控制水泵的停启台数达到节能运行的效果。一次泵变流量系统必须设置压差控制仪与旁通管控制供回水压差以保证蒸发器水流量的恒定,保证制冷主机的稳定运行工况。不同的空调运行方式在系统控制与运行原理上存在很大的不同,所以在我们考虑系统的节能运行管理之前,应首先对空调水系统做一个全面的分析与了解。

二、各项改造方案的研究与分析

1、系统改造方案的多元化

目前,社会上专业化的空调系统节能改造企业单位较多,各家公司对空调系统技术改造的侧重点也各不相同,总体来说中央空调的节能改造主要是针对空调水系统运行工况、系统智能化控制、能源管理智能化平台的改造,落实到实施措施及环节主要包括以下几个方面(1)通过对空调水系统管路的数据分析,对水泵的扬程与水流量加以调整,以合理的小功率水泵代替高能耗不合理的大功率空调水泵(2)通过智能化控制的建设和升级,以更精确的运行状态点数据分析,使空调系统处于最佳工况运行,减小能源浪费环节(3)利用夜间峰谷电价差值,进行蓄冰蓄热处理以达到节省运行费用的目的。(4)利用能耗监控及管理平台,通过数据计量分析,寻求更加合理的运行管理模式。

各家公司节能改造方案的总体思路是为了节省中央空调运行及维护费用,但各方案又有自己独特的技术理念与特点。下面我就针对每个节能方案的特点结合我院中央空调现状及常规中央空调系统进行具体分析,提出自己的一点看法。

2、针对冷冻水系统节能改造方案分析

某公司提出的针对空调水系统的节能改造方案,是通过对已经运行的中央空调水系统的运行数据分析,首先判断系统的运行与配置是否合理,有无节电的可能性,节电的空间,有无改造的必要。我们知道常规中央空调水系统包括冷冻水系统与冷却水系统,两系统为独立的水循环系统,随着空调主机设备技术的不管更新,制冷设备的效率不断提高,空调水循环动力设备在空调系统总能耗占比越来越大。针对空调水系统提出的改造方案,技术改造的对象为冷冻水泵、冷却水泵与不利循环管路的整改。前面我们提到的中央空调设计中存在的第三点问题,即冷冻水泵的设计扬程与流量偏大的问题。此类的技术改造正是抓住设计中存在的这种缺陷而加以改进,以合理扬程与流量的小功率水泵代替现有运行大功率水泵,以此达到节能的目的。

中央空调冷冻水系统主要以闭式循环系统为主。在冷冻水泵的设计及选型中主要是针对水泵扬程及流量的选型,闭式系统水泵扬程与建筑高度无关,水泵扬程只需克服最不利循环管路的阻力,阻力因数包括供回水管路的沿程与局部阻力、制冷主机蒸发器的水压降、最末端空气冷却器的阻力及各个阀门的阻力之和。冷却水系统扬程为供回水管路阻力、主机冷凝器的水压降、冷却塔集水盘水位至冷却塔布水器高差及冷却塔所需的喷射压头之和。两个水系统的水泵扬程的选择为各自的阻力之和乘以1.05—1.1的安全系数为准。空调水泵的扬程选择必须以此为依据,并要经过严格的水力计算,要针对不同管径不同的水流速对应的比摩阻进行精确的水力计算,最终得出最不利管路的阻力,从而得出最准确的扬程数据为设计选用扬程。但是在实际的设计过程中,不可否认有些设计人员相对比较保守,过分依赖于经验数据,没有经过谨慎的水力计算,而是选择类似建筑的参数再适当放大安全系数,最终选择了设计比实际偏大的结果。

此类节能改造理念正是建立在现行水泵的选型过大的基础之上的,它是通过测试水系统供回水压差等因素来确定空调水系统的实际扬程和流量,同各运行单位现有实际配置的水泵的技术参数的差值为它所示的水泵节能空间,这种理论结合数据的测试的确存在它的合理性一面。如果从整个空调系统的运行上分析,水泵节能改造方案实施的先决条件是必须对空调系统作一个更全面的测试,测试的范围应包括:水系统最不利循环管路阻力、空调水系统的额定水流量、分水器各支路的水力是否平衡,水流量的分配是否合理、水泵电机的实际运转功率、水泵的实际运转效率等。此外,还须对使用单位的空调运行方式进行更全面的了解分析,空调水系统是采用一次泵系统还是二次泵系统,一次泵变流量还是一次泵定流量,双管同程式还是双管异程式,空调水系统的自动化控制范围,末端设备是否设置电动阀与温控装置,各空调区域的实际使用情况,使用周期的变化情况,负荷变化曲线等综合因素。只有充分掌握这些情况才能使空调的节能改造方案更具体,更具针对性。

3、结合我院中央空调系统运行现状的分析

以南京市第一医院为例,我院原有中央空调冷冻水系统采用一次泵定流量双管同程式水循环系统,空调主机主要为螺杆式制冷主机,空调末端风机盘管支路控制阀门为手动截止阀。空调水系统无自动控制装置,无压差旁通控制,是最简单的定流量系统,除人为因素外,不能根据负荷变化进行能量调节,能耗较大。首先,我们无法对空调末端水流量进行控制,手动截止阀始终处于全开状态,这样整个空调冷冻水系统为定流量运行。但是在实际的使用过程中,日间负荷变化与季节性负荷变化很大,特别是夜间运行与冬季运行过程中,日均负荷变化就相当明显,如果空调水系统采用定流量运行,水泵能耗浪费就比较严重,同时水泵的负载对其使用寿命也产生较大影响。目前我院中央空调运行过程中的负荷变化能量调节主要是依靠人为调整空调主机与水泵的停启台数来满足实际的运行工况。我院夏季最热月空调运行过程中,五台主机全部开启,冷冻水泵与冷却水泵也以最大功率组合运行,这种组合方式看起来似乎很合理,但实际运行工况并非为最佳方案。

4、中央空调水系统改造的建议和要求

针对我院空调水系统的改造方案主要涉及水泵的改造及不利循环管路的整改,通过降低流量、扬程等参数选用小功率水泵代替原设计大功率水泵以达到节能的目的。我认为他们节能改造的前提必须满足以下几个方面的要求:

(1)、改造后水泵扬程必须满足最不利循环管路的阻力损失,流量必须满足制冷主机蒸发器水流量的安全范围。

(2)、原设计中冷冻水扬程流量偏大的主要原因是想通过大流量来解决各支路水力难以平衡的问题,所以节能改造的同时应解决系统水力平衡问题。由于我院中央空调集中控制三个区域的空调负荷,内、外科楼及门诊楼,内外科楼距空调机房较近,两支路的最不利循环管路也相对接近,门诊楼支路较长,其最不利循环管路阻力最大。即改造后水泵的扬程必须满足门诊楼支路最不利循环管路的的阻力损失,其他两支路可以通过支管阀门的开度来控制流量的分配与实际的扬程。如果此问题不能很好的解决,将会造成管路流量的分配不合理,出现局部空调区域效果很差的现象。

(3)、必须保证改造后空调的使用效果不受影响,这也是我们最基本的要求。

5、系统改造的节能评估

我们选择节能改造的目的是为了合理优化系统配置方案,使空调水系统处于最佳工况运行状态以达到节能减小运行成本的目的,不允许出现水泵节能改造后出现其他环节能耗的增加而导致系统能耗并无变化,更不允许出现空调的制冷制热品质的下降。在空调末端出风口温度的测试点的选择上必须选择最不利循环管路末端的风机盘管进行测试,测试的对象除了出风温度外还应对末端支路的水压、流速进行测试,保证流速范围达到0.5—0.6M/S。在对水泵改造前后的性能测试上应考虑综合因素,在扬程与流量都能满足的前提下,电机效率必须保证处于高效率运行区域,低能耗低效率的运行模式也不宜选用。

如果我们选择此类的改造方案,在技改效果测试上应更加细化与合理:(1)、水系统运行一段时间后,测试出风温度时必须选择分水器每支路的最不利循环管路的末端进行测温检测,应选择5个甚至更多点进行样点数据采集,记录此时制冷主机的出水温度与回水温度,记录冷却水的供回水温度与室外干球温度,采集综合数据进行具体分析。

(2)、对改造前后冷媒水的供回水压差进行分析,对分水器与集水器之间各支路的压差与流量进行分析,要保证不利循环管路改造后水流量的合理分配,满足各支管实际流量的需要。

(3)、在功率的检测中,要结合改造前后水泵的输出功率进行分析,同时要结合制冷主机的供回水温度及水流量对制冷主机的输出功率进行分析,以免出现主机效率的下降而导致实际能耗的增加。另外在电机功率的测试上不应由改造方进行测试,应有业主单位邀请专门的检测机构进行测试并记录备案。

三、其他节能改造技术方案

通过智能化控制升级改造也是中央空调系统运行的节能改造方案之一,通过楼宇控制系统改造和计算机模糊控制原理对空调系统的能量需求作为随机变量进行系统采样和模糊控制,优化系统的能量输出控制,它可以减小人为控制带来的不利因素而使系统更加合理化运行。通过控制器对冷冻水控制单元、冷却水控制单元、冷却塔风机控制单元,通过恒压差、恒温差及变频控制技术达到系统的合理化运行。我院目前中央空调系统为一次泵定流量双管同程式,要实现上述智能化控制的实现,必须对整个空调系统进行合理改造。要达到一次泵变流量智能化控制的效果必须进行改造的项目是1、末端温控单元的改造2、分水器与集水器之间增加压差传感器与旁通控制以保证供回水压差的恒定。这样才能保证制冷主机蒸发器流量的恒定即恒压差,主机才可稳定运行。3、现有水泵与风机电机增加变频器进行变频调节即变频控制4、供回水主管增加温度传感器与流量计以保证供回水温差的恒定即恒温差控制。5、要增加一套智能化控制设备,包含很多比较分散的控制器和执行器,涉及到整个空调系统的综合布线工程。

对于我院目前的中央空调系统来说,采用智能化系统以及能耗监控与管理平台系统改造确实能够达到节能运行的目的,但是从涉及几百万元以上的投资成本与改造的施工工期及现有空调系统的实际情况来看,还须我们慎重分析研究。此方案的选择与否与我院现有中央空调系统硬件设施的更新和能源中心的整体规划建设存在很大的关系。我院内、外科楼多年前已经进行了装饰出新改造,但空调系统并未进行系统性改造,老门诊楼大楼至今使用已近二十年,其中空调管道系统与空调末端趋于老化阶段,未来两年也须整体更新,这些因素都制约着现有中央空调系统的智能化节能改造的全面实施。选择一次性方案整体规划设计,围绕工程改造计划进行分步实施,以避免重复施工的浪费是我们理想的规划目标。

冰蓄冷或水蓄冷的空调方案目前技术已经相当成熟,结合国家能源战略的导向,政府与供电公司对此项目也进行了积极的推广。结合大型医院中央空调系统运行的时间规律特点,蓄冷的必要性是存在的,在场地空间条件具备的前提下,只要在方案优化与设计施工合理的前提下,解决好初投资成本与运行成本回收矛盾的问题,再加上供电部门不断的峰谷电价比例调整及相应的的费用减免政策,冰蓄冷空调改造方案是可以考虑的重要方案之一,这里不再进行具体分析。

以上研究分析的几个典型的针对中央空调系统的改造方案,看上去是相互独立,实际上又是紧密相连的。考虑到中央空调应更注重系统节能,做为业主单位应结合本单位中央空调系统的具体特点与未来建筑规划的总体方案进行科学的论证与分析,以专业化的思路做好改造实效性与投资有效性的归纳与总结。



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