大中型中央空调设备的合理配置与节能
杨凤久

摘要：中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行，有些系统由于设计不合理，甚至于大部分时间50%以下负载运行。
关键词： 变频器 中央空调 节能改造 冷水机组
一、前言
　　 目前，我国的大型商场和具有一定规模的宾馆一般都采用中央空调装置，在炎热的夏季为商场或宾馆客房降温，所以选用的冷水机组都是较大的。由于较大型的冷水机组及附属设备的高能耗，又由于水电费价格放开，引发出各大型商场和宾馆的运行成本加大，如何在保证夏季供冷质量的情况下，降低设备运行成本，而使商场、宾馆经营取得最大利润，这便是摆在我们面前迫切需要解决的课题。
　　 如果对一座商场或宾馆空调配套部分设计过程中采用过于保守的态度，实际耗冷量远低于设备的能力，这不仅使其基建投资过大，而且在投入使用后的运行中造成能源消耗很大，操作困难，对设备的安全运行也受到影响，从而也缩短了设备的使用寿命，通常在计算出该建筑的空调面积还应考虑其空调面积的用途、特点，再配置所需的设备，设备能力大于空调面积耗冷量的15%基本上是合理的。
　　 现在就以一个实例说明科学地合理配备空调设备，充分发展其设备的能力对节约能源、降低企业的成本是何等的重要。
二、问题的提出
1、原系统简介
　　 天津某宾馆是在1998年建成使用的集商场、宾馆、饭店于一体的企业，其中中央空调设备配置是2台产冷量1345KW，电机功率289KW的上海开利牌离心式冷水机组，其附属设备为2台400T/H冷却水塔和与之配套的供水循环水泵，供冷方式为一台冷水机组供低环系统（自选商场、饭店及宾馆4层以下）空调面积约为12000M2，采用离心风机风室风道送风。另一台冷水机组给高环供冷，末端设备为风机盘管加新风，空调面积13000多平方米（5-20层客房及办公区）。
2、原系统的运行及存在问题

　　2．1（图1）本空调系统管道设计安装使两台冷水机组互不通用，这样的设备配置存在着许多的缺陷，其中主要有三条：
　　 2．1．1、高、低环路空调系统没有备用机组，高环或低环冷水机组出现故障将无法供冷。
　　 2．1．2由于此建筑的使用是综合性的，有商场、客房、办公区和饭店，所以热负荷 变化频繁，大型机组单独只供高环或低环很难适宜这种负荷的变化，而影响了离心式冷水机组的使用寿命。
　　 2．1．3冷水机组的电机功率是289KW，一般满载时工作电流在400A以上，而在低负荷工作电流在200A以上，尤其在负荷偏小离心机发生喘振时电流的波动幅度很大，在240A~400A左右，对电网及配变电装置的冲击很大，极不安全。原空调系统安装示意如图1所示。
2．2．1在中央空调设计时为保证在天气温度最高的情况下能满足要求，所以按最大的负荷设计并有15％ 左右的富裕量，而平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大的富裕度，其中主机常常可以根据负载变化自动加载，卸载，而水泵的流量却不能随主机匹配调节，存在很大浪费；
　　 2．2．2系统的流量压力必须靠截流阀和旁路阀调节来完成，因此不可避免存在较大截流损失和消耗大流量高压力主机，以及低流量小温差的现象。不仅大量浪费电能，而且还可能造成空调冷暖不适的情形，同时对系统设备带来不利的影响；
　　 2．2．3电机起动电流为额定值的5倍左右。电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触点、空气形状触点带来电弧冲击，同时也会给电网带来一定的有害冲击。同时起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会给机械传动、轴承、阀门等带来疲劳损伤。
三、节能改造的可行性分析
　　 3．1针对以上几个问题，首先应该解决两台冷水机组及冷水管路并网的问题，以期达到两机并联，把冷水机组的冷水出水作为一次冷水来冷却高低环系统的二次冷水，这中间需要加装两台板式换热器，以达到冷传导效果。（原设计低环试验压力为0.5MP，如不使用板式换热器作为压力隔离，管网末端设备有爆管危险。）
　　 3．2其次是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，以达到节能、保护设备效果。在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计系数。根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%—30%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。
泵的转速调节
根据异步电动机原理
n=60f/p(1-s)
式中：n:转速 f:频率 p:电机磁极对数 s:转差率
　　 由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。
四、节能改造的具体方案
　　
　　 4．1实现两台冷水机组并网运行
　　 在原空调系统中，冷水机组启动时很困难，又由于热负荷的频繁变化不断出现机组喘振，针对这一现象，我们发现空调面积内的实际需冷量很不平衡，商场的耗冷量高峰在每天上午9：00以后，而客房白天人员流动较少，耗冷高峰在17：00以后，饭店在中午高峰，办公区上午8：00~下午5：00是高峰。所以两台机组在任何时候都不能停机，但满载运行时间较少，造成启动困难，运行不稳定。离心式冷水机组的特性很不适宜在这种情况下运行，离心式冷水机组的特点是在冷却效果很好的情况下，负荷越大运转越平稳（不能超过机组负荷），根据这一特点，把两台冷水机组的管道进行改造，并把循环泵的管道也进行改造，使两台机组并联，使原单独管网变成一台机组可以同时向离、低环供冷，这样在一般情况下，1台机组工作便可以供全部空调面积，另一台机组可作为备份，使机组发挥其最大能力。
　　 如图2所示，两台机组并网后，再加装两台板式换热器，这样的商场、客房、办公区及饭店大部分时间只开启一台冷水机组就可以把高低环系统内的室温降到我们需要的温度，（因为宾馆的入住率不是很高，且商场、宾馆、饭店负荷高峰不在同一时间段）
4．2对冷冻泵和冷却泵进行变频改造
4．2．1对冷冻泵进行变频改造
　　 控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能；
4．2．2对冷却泵进行变频改造
　　 由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。
五、技术改造后的运行效果比较
　　 以上介绍了两台冷水机组并网后系统内又加装两台板式换热器和一次冷水的循环水泵，从而实现了用一台机组供高低环不平衡的热负荷需要，而且使空调系统中大部分时间有一台备用冷水机组（机动使用），完全改变了原设计的两台冷水机组运行模式，不但改善了冷水机组的运行工况，使机组消除了喘振现象处于平衡的工作状态。另外，由于系统中冷冻泵和冷却泵安装变频装置，整个制冷空调系统节约用电接近35%，大幅度的降低了制冷空调的运行成本，一年就收回改造成本
六、结论
　　 以上所述充分地说明，大中型中央空调系统在配置设备时不能只考虑空调面积总的热负荷与所配置的设备相匹配，更重要的是考虑空调面积中热负荷的实际变化，使设备配置的更加合理。
七、结束语
　　 在科技日新月异的今天，我们应积极推广高新技术，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。国论文下载中心 http://www.studa.net
参考文献
1．《制冷空调自动控制》张子慧等编著/科学出版社
2. 吴忠智，等．变频器应用手册．北京：机械工业出版社，1991
3. 《空调与制冷技术手册》陈沛霖、岳孝万主编/同济大学出版社
4. 《中央空调设备选型手册》周邦宁主编/中国建筑工业出版