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大型空调系统能耗分析
大型空调系统能耗分析
来源:中制冷设备网    2009-6-4
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摘要:对某大型空调系统能耗进行了测试与分析,指出了该系统冷量供需比低的主要原因,给出了该系统节能改造的重点。结果可为大型空调系统的运行人员、设计人员提供参考。。


0 前言
在能源消耗中,建筑业是耗能大户。据有关资料显示,欧美一些发达国家,建筑物能耗大约占全国能耗的30%左右[2]。我国目前建筑能耗所占的比例远远低于发达国家,为12 ~20%,但随着建筑业的发展,该比例必将逐年增加。二氧化碳排放问题是最重要的环境问题,在将来,二氧化碳所带来的环境处理代价将包括在能源价格中,这样建筑能耗效率将变得非常重要[1]。调查表明,上海的建筑发展仍是传统高消耗型发展模式,许多大楼中央空调系统经改造可以节约能耗20%甚至更多。从建筑用能设备,特别是建筑用制冷空调设备进行节能挖潜,大有潜力。


1 空调系统概况
某外资印制线路板制造厂,处于上海莘庄工业区内,主要生产用于通讯领域的印刷线路板。该工厂的建筑面积为30000m2,空调面积为25000m2。由于本厂的建筑面积大,而且在生产过程中对温、湿度等环境条件的要求十分严格;另外,还有一些工艺流程是在高级别的洁净室中进行,不仅要对温、湿度进行精密控制,对风速和洁净室风压也要进行必要的控制,因此各个区域的热负荷相差极其悬殊,所以空调系统相对来说比较复杂。该空调系统有6台离心式冷水机组,其中5台额定功率359kW,一台额定功率159kW。冷冻水系统由6台一次冷冻水泵和6台二次冷冻水泵组成变流量二级泵系统,冷却水系统则由多台冷却塔和冷却水泵组成。一次泵侧采用多台冷冻机、多台冷冻水泵并联、“一机一泵”的方式,一次泵和相应的冷机采用台数控制法进行调节。二次泵则采用变频和台数控制相结合的方法进行控制。


2 能耗测试分析
2.1 系统能耗分析
限于时间和条件的限制,仅选取气温差异比较大的5个连续的工作日进行分析,每半小时记录一次。 
1)冷却塔、泵与风机的能耗变化不大,冷却塔和泵的能耗在总能耗中占的比例较小,仅占不到1%,而风机的能耗占总能耗的比例较大,在30-50%之间,在4月23日室外温度较低时,甚至成为总能耗中所占比例最大的一项。因此对风机系统的改造要远比对冷却塔和泵系统的改造来的有效益,如何优化水泵、风机、冷机的运行能耗,使系统能耗最少成为节能改造重点。
2)实际工况下的COP基本上都低于额定工况下的COP值,大多在5-5.6之间。经分析,几个功率较大的冷机的负荷率基本都在80%以下,甚至有时候只有50%左右,因此效率较低,使得整体的COP未能达到额定COP。另外还可以观察到有三个点明显不同于平常运行时的状况,分别是:点1,4月21日8:00,COP1=3.391;点2,4月21日16:00,COP2=6.488;点3,4月23日14:30,COP3=3.346。经查询测试数据,可以发现这三个点的冷冻水供回水温差与平时有较大不同:Δt1=2.1℃,Δt2=5.2℃,Δt3=3.2℃。而平时冷水机组的供回水温差都在3.5-4.5之间,因此可以看出供回水温差对机组的COP的影响也是比较大的,因此对该空调系统的节能改造,如何调节冷机在高负荷率下运行,以及冷冻水供回水温差的优化是该系统节能改造的重要一步。
2.2 系统负荷分析
本文选用了4月22日、23日两天进行AHU冷负荷分析,每天的数据记录从6点到18点,每一小时记录一次。空调系统的供需比就是为达到最后一级AHU的送风温度要求所需要的实际需冷量,与冷机提供给空调系统的实际供冷量之间的比值,用以反映空调系统的冷量利用率。但是由于冷冻水并不只为空调系统供冷,它还给工艺冷却水系统供冷,而且工艺冷却水系统的需冷量也不小,因此需要另行计算送入空调系统的冷量,在本文中通过计算所有AHU的冷负荷来得出需冷量和供冷量。图3、图4分别为各空调负荷分布图,需要指出的是,4月23日时由于室外温度很低,因此许多新风AHU以及一些其他的AHU并未开启冷水阀而是开启了热水阀对空气进行加热以满足房间温度的要求。对于这些AHU,实际承担的是热负荷而非冷负荷,冷机无需对其提供冷量,因此并未计算入AHU冷负荷总和之内。图5、图6为该两天的冷量供需比曲线。

冷量供需比曲线不是很理想,4月22日的最高利用率为0.683(14:00),最低为0.297(7:00);4月23日的最高利用率为0.853(13:00),最低为0.787(18:00)。为了满足所有下一级AHU的送风要求,新风预处理AHU的冷水阀开度较大,使得这些新风预处理AHU的送风温度通常偏低在15℃以下,而如果没有特殊要求,为了满足房间的冷负荷,下一级AHU送入房间的温度一般在20℃左右,因此有相当一部分AHU在处理进风时都是关闭冷水阀而开启热水阀对空气进行加热以满足送风要求,这就造成了前一级新风预处理AHU耗冷量的损失。正是由于有这部分再热的存在,空调系统的实际需冷量要比实际供冷量要小,而且新风预处理AHU的冷水阀开度越大,两者的差值就有可能越大,使得利用率越低。而当室外温度升高时,各房间的冷负荷增加,为了满足房间要求,则有可能要求末级AHU的送风温度降低,因此热水阀的开度就将减小甚至重新开启冷水阀。这时,冷量的损失就会减少,而冷机供冷量的利用率则将上升。因此由于4月23日室外温度较低,新风预处理AHU基本都把冷水阀关闭,甚至开启热水阀冷量供需比普遍要比4月22日的相应值来的高。
因此从对该空调系统的负荷分析上看,造成系统的供需比下降的原因主要是该系统设计本身所造成,如何优化空调系统各级的设定参数以及系统的划分,将会从根本上提高系统冷负荷的供需比,从而大大减少系统能耗。


3 结论
能耗高是许多大型空调系统存在的现象,如何对大型空调系统进行节能改造是非常有意义的事情,本文以某大型空调系统为测试对象,对该空调系统的主要耗能设备以及系统的热力参数进行了测试分析,得出以下结论:
1)风机在该系统能耗比重比较大,如何优化水泵、风机、冷机的运行能耗,使系统能耗最少成为节能改造重点;
2)冷机的COP较额定COP低,对冷机的优化运行是节能改造必不可少的一个环节;
3)由于系统设计所固有的缺点,造成系统冷量供需比比较低,应该在工艺所允许范围内,合理优化设置各级参数将会有一定的节能效果。


参考文献
1 Vincenc Butala, Peter Novak.Energy consumption and potential energy savings in old school buildings. Energy and Buildings, No.29 ,1999, pp241–246.
2 鞠晓丽.上海市大型超市空调冷热源方案的综合评价研究,西安建筑科技大学硕士学位论文,2003.

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