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华强北地下商业空间BAS系统空调节能措施

发布时间:2023-02-24

一、前言及项目概况

中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统。中央空调系统在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时,又消耗掉了大量的能源。正常运行的中央空调系统,其耗能主要有两个方面:一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷热源耗能;另一方面是为了输送空气和水,风机和水泵克服流动阻力所需的动力耗能。中央空调系统的耗能量受很多因素影响,许多运行环节都有节能措施,因此,中央空调节能是一项综合性的工程。


 

图1华强北地下商业空间项目示意图


深圳华强北地下商业空间BAS系统中央空调采用的是定风量变冷源的环控方法。风机定频运行,风量没法调节,所以谈不上节能。要想实现节能只能通过改变冷源流量来达到目的。

深圳华强北地下商业空间BAS系统冷水机组为青岛海尔空调满液式水冷冷水螺杆机,即单冷无热源。冷水机组自身控制使用海尔的PLC控制系统,除常规控制功能外,还满足了深圳地铁项目的特定要求,如:对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、电动阀门等进行综合控制,并根据冷却水进水温度自动控制冷却塔风机的运行台数,控制冷却水温度在设定范围内等等。BAS系统不参与以上设备的逻辑控制,只是通过自身的PLC系统根据节能方案给定冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机变频器频率以改变电机转速实现节能。


 


二、常用的节能措施

1.冷源耗能节能措施

1.1.温湿度控制

从中央空调系统空气处理过程可以看出,夏季室内温度越低、相对湿度越低,系统设备耗能愈大;冬季室内温度越高、相对湿度愈高,系统设备耗能愈大,相应地初投资和运行费用也随之增大。

由于每个人对舒适感的要求标准差别很大,故对民用中央空调可有一个范围较宽的舒适区。在该舒适区范围内,夏季降温时,取较高的温湿度值;冬季采暖时,取较低的温湿度值,可获得一定的节能效果。建筑内温湿度的变化与建筑节能有着紧密的相关性。根据经验统计资料表明,如果在夏季将设定值温度下调1℃,将增加9%的能耗;如果在冬季将设定值温度上调1℃,将增加12%的能耗。因此将建筑内温湿度控制在设定值精度范围内是中央空调节能的有效措施。

一般来说,人体在室内感觉最舒适的温度是15~18℃为宜,如果室内空气不流通或者相对湿度小于35%,且室内气温超过25℃以上时,人体就开始从外界吸收热量,你就会有热的感觉。所以在满足人体的对环境的需求及中央空调从节能的角度出发,将环境温度设定为25℃最为理想(对离冷源较远的空间,若环境温度大于25℃需及时启动二次冷冻泵)。

现在有些业主盲目追求“够冷”境界,大幅度提高室内温湿度设计标准,这样做,不仅无谓地浪费大量能源,而且还会产生舒适感的负面效应。试验表明,相对湿度为50~60%时人体感觉最为舒适,也不容易引起疾病。空气湿度过大或过小,都对人体健康不利。现代医学还证实,空气过于干燥或潮湿,有利于一些微生物的繁殖和传播。科学家测定,当空气湿度高于65%或低于38%时,微生物繁殖滋生最快;当相对湿度在45~55%时,病菌的死亡率较高。湿度高于65%会使人体呼吸系统和粘膜产生不适,免疫力下降。

空调系统温湿度控制精度越高,舒适性越好,同时节能效果也越明显。而空调系统前端所测信号准确性直接影响到中央空调系统的精确控制程度。所以,所测信号,尤其是温湿度这样的模拟信号,必须尽可能准确。

还有,一定要选用高控制精度的BAS对中央空调进行控制。BAS采用PLC(可编程控制器),PLC内含有丰富的计算控制软件,如比例积分微分(PID)算法、模糊控制算法、遗传算法等,来保证控制的精确度。


 


1.2.冷源效率控制

评价冷源制冷效率的性能指标是制冷系数(COP,Coefficient Of Performance )。制冷系数指单位功耗所能获得的冷量。制冷系数与制冷剂的性质无关,仅取决于被冷却物的温度T0和冷却剂温度Tk,T0越高,Tk越低,制冷系数越高。所以空调系统冷机的实际运行过程中不要使冷冻水温度太低、冷却水温度太高,否则制冷系数就会较低,产生单位冷量所需消耗的功量多,耗电量高,增加建筑的能耗。提高冷源效率可采取以下措施:

1)降低冷却水温度

由于冷却水温度越低,冷机的制冷系数就越高。冷却水的供水温度每上升1℃,冷机的COP下降近4%。降低冷却水温度就需要加强冷却塔的运行管理。首先,对于停止运行的冷却塔,其进出水管的阀门应该关闭。否则,因为来自停开的冷却塔的水温度较高,混合后的冷却水水温就会提高,冷机的制冷系数就减低了。其次,冷却塔使用一段时间后,应及时检修,否则冷却塔的效率会下降,不能充分地为冷却水降温。

根据实际经验,冷却水出水温度为37℃,回水温度为32℃较为合理。

2)提高冷冻水温度

由于冷冻水温度越高,冷机的制冷效率就越高。冷冻水供水温度提高1℃,冷机的制冷系数可提高3%,所以在日常运行中不要盲目降低冷冻水温度。首先,不要设置过低的冷机冷冻水设定温度。其次,一定要关闭停止运行的冷机的水阀,防止部分冷冻水走旁通管路,否则,经过运行中的冷机的水量就会减少,导致冷冻水的温度被冷机降到过低的水平。

根据实际经验,冷冻水出水温度为7℃,回水温度为12℃较为合理。


 


2.动力耗能节能措施

2.1输送耗能控制

动力耗能主要是指系统运行中风机和水泵所消耗的电能。从风机和水泵的输入功率计算公式:  

 (1)

Pz(W):输入功率;qv(m3/s):体积流量;p(kPa):压头;η:效率。

由公式(1)可知,要减少功耗可以从以下三个方面来考虑:减少流量、降低系统阻力和提高风机、水泵的效率。在工程实践中可采用以下措施:

1)采用大温差

如果系统中输送冷(热)能用的水(或空气)的供回水(或送回风)温差采用较大值,那么当它与原有温差的比值为m,从流量计算公式知道,采用大温差时的流量降为原来流量的1/m3。这时,水泵或风机要求的功率将减小到原来的1/m3 。可见,加大温差的节能效果是明显的。

在满足中央空调精度、人员舒适和工艺要求的前提下,应尽可能加大送风温差。要注意的是:供、回水的温度差不宜大于8℃。

2)选用低流速

因为水泵和风机要求的功耗大致与管路系统中的流速成正比关系,因此,要取得节能的运行效果,在设计和运行时不要采用高流速。此外,干管中采用低流速还有利于系统的水力工况稳定性。例如:改变风机的转速可以改变风机的性能参数,风机的功率与转速成三次方的关系,而流量与转速成一次方的关系,降低转速以降低流量的同时可以大幅度降低能耗。当流量减少1/3时,能耗可减少约70.4%,当流量减少1/2时,能耗可减少约87.5%,且风机的效率基本不变,仍可稳定高效地工作。

3)采用输送效率高的载能介质

一般情况下,用水输送冷热能的耗能量比用空气输送的要小,并且输送相同冷热能所用水管的管径要比风管小得多,所占用的建筑物空间也相应小很多。这也是近年来中央空调方式发展迅速的主要原因之一。

因此,对于集中冷冻方式,原则上应该把机房设备制备的冷冻水尽量输送到各中央空调分区的附近或使用点上,通过末端非独立式中央空调机组(如柜式空调机组、风机盘管)处理空气,就地或供附近房间使用。

2.2变风量系统控制

变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。变风量系统可分为两种:一种为AHU风管系统中的空调机变风量系统(AHU-VAV系统);一种为FCU系统中的室内风机变风量系统(FCU-VAV系统)。AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定,而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷的变动。FCU-VAV系统则是将冷水供应量固定,而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量,亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。这两种方式通过风量的调整来减少送风机的耗电量,同时也可增加冷源机器的运转效率而节约冷源耗电,因此可在送风及冷源两方面同时获得节能效果。

送入室内的冷量可按下式确定:

 (2)

式中:C为空气的比热容,单位:KJ/(Kg•℃);ρ为空气密度,Kg/m3;L为送风量,单位:m3/s;tn为室内温度,单位:℃;ts为送风温度,单位:℃;Q为吸收(或放入)室内的热量,单位:kW。

如果把送风温度设为常数,改变送风量L,也可得到不同的Q值,以维持室温不变。变风量控制可采用根据室内负荷的变化,自动调节送风量的送风装置。当室内负荷减少时,它可保持送风参数不变(不需再热),通过自动减少风量来保持室内温度的稳定。这样,不仅可节约定风量系统为提高送风温度所需的再热量,而且还由于处理的风量减少,可降低风机功率电耗及制冷机的冷量。据多种资料介绍,变风量较之定风量方式一般情况下节能可达30~50%。

2.3变频控制

大部分建筑物一年中只有几十天时间中央空调处于最大负荷。中央空调冷负荷始终处于动态变化之中,如每天早晚、气候情况、客流量、活动内容等各种因素的变化,实时影响中央空调冷负荷。一般冷负荷在5~60%范围内波动,大多数建筑物每年至少70%是处于这种情况。而大多数中央空调,因系统设计多数以最大冷负荷为最大功率驱动。这样,造成实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾,造成了巨大的能源浪费。采用变频控制的方式,可解决此矛盾。

1)风机水泵类变频控制

因为过去交流电机本身不调速,中央空调系统对空气和水流量的控制不得不依赖挡板和阀门来调节,许多电能被白白浪费在挡板和阀门上。如果对风机水泵进行变频调速,把浪费在挡板和阀门上的能量节省下来,每台水泵平均节能效果就很可观。

对于风机水泵来说,根据流体力学原理,在相似工况下运行时的参数存在以下关系:

 (3)

其中:Q1、H1、N1、n1:分别为转速改变前的流量、扬程、功率、转速;Q2、H2、N2、n2:分别为转速改变后的流量、扬程、功率、转速。

由公式(3)可知,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,消耗的功率与转速的三次方成正比。对于变频调速来说,转速n基本上与电源频率f成正比,当电源频率f降低时,电动机转速也降低,所需的功率就随转速的三次方迅速降低,可见,节能效果十分显著。以风机为例,如所需风量为额定风量的80%,则转速也下降为额定转速的80%,而轴功率降51.2%;当所需风量为额定风量的50%时,而轴功率降12.5%。这种节电效果也非常可观。实际证明,风机水泵类变频控制节能40~50%。

2)冷水机组变频控制(本系统压缩机采用自带无极调速系统,不是变频控制,此项仅供参考)

由于压缩机不排除在满负载状态下长时间运行的可能性,所以,只能按最大需求来决定电动机的容量,故设计裕量一般偏大。在实际运行中,轻载运行的时间所占的比例是非常高的。采用变频控制对压缩机转速进行调节,实现对制冷量的控制,让冷冻机组始终处于最佳(最合理)的运行状态。变频控制提高了空调器的效率,改善了冷冻机组的运行效果,从而实现了节能。

变频压缩机的原理是通过调节压缩机的转速而调节压缩机的单位时间内的排气量,从而达到调节制冷量的目的。制冷量和压缩机频率的数学关系式如下:

 (4)

式中,n为转速,f为电机的频率,p为电机的极对数,s为电动机的转差率,λ为泄漏系数,Ps为吸气压力,vh为吸气容积,ni为多变指数,εi为压比(排气/吸气),δ0为相对压力损失系数,Zs、Zd为实际气体压缩性系数, 为平均能效比。

由公式(4)可知,制冷量与频率成正比关系,所以采用变频调节可实现对制冷量的控制,从而可达到节能效果。

有些调节方式(如调节阀门开度和改变叶片角度),即使在需求量较小的情况下,也不能减少电动机的运行效率。采用了变频调速后,在需求量较小时,可降低电动机的转速,减少电动机的运行功率,从而进一步实现节能。实际证明,冷水机组变频控制可节能20~30%。本系统冷水机组控制要求可结合下表方案具体实施:


 


控制表符号说明:表中○表示开,×表示关。

a. 冷水机组 LS-1 与冷冻水泵 LD-1、冷却水泵 LQ-1、冷却塔 LT-1、电动蝶阀 SDD-1、SDD-2联锁。

b. t/B为空调机组送风温度。

c. 开机顺序:开冷却塔风机→开冷却水电动蝶阀(SDD-1)→开冷却水泵→开冷冻水电动蝶阀(SDD-2)→开冷冻水泵→开冷水机组;

关机顺序:停冷水机组→关冷却水泵→关冷却水电动蝶阀(SDD-1)→关冷却塔风机→延时3分钟关冷冻水泵→关冷冻水电动蝶阀(SDD-2)。

d. 本站选用的每台冷却塔设有 2个冷却风扇,○/×表示冷却塔风机在运行过程中受冷却塔回水温度控制而出现的启停现象。

e. 冷却塔风机的启、停受冷却水回水温度控制。当回水温度≥30.5℃时,风机开;当回水温度≤29.6℃时,风机关;回水温度控制点设在相应冷却水泵进水口。

总结:通风空调系统作为地下商业空间正常运行不可或缺的一部分,发展至今,已经进行了很大的完善和改进。随着国家节能减排措施的不断推进,地铁通风空调系统作为地铁能耗的重要组成部分,越来越受到人们的重视。随着各种节能措施和新技术、新工艺的不断应用,必将为整个地铁节能提供更大空间,从而推进我国地铁行业持续向前发展。

要实现对中央空调系统的冷源耗能和动力耗能方面采用有效的节能措施,必须使系统的调整和控制更准确,能源的消耗才更合理,运行和管理的费用才更节省。这是中央空调系统高效节能、高回报率的具体体现,也是空调工程设计追求的目标。


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