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中央空调节能系统的设计及实现
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&&& 摘要：本文介绍中央空调系统中的冷却水系统、冷冻水系统在满足供冷质量的情况下最佳的节能方法、原理及实现。
关键词：节能变频冷却泵　冷冻泵　能源
　　能源的利用情况标志着一个国家科技进步的水平。在我国大力推广节能产品，禁止使用耗能过大的设备，提高能源的利用率，以缩短与世界先进国家的差距，为中国的现代建设提供能源的保证。在中央空调使用中，它的耗能量是很大的，约占整个供电部门供电量的4o％ 左右。例如一家建筑面积为8万多平方米综合性的大型医院，有门诊大楼1栋，住院大楼2栋，中央空调系统有800kW冷却主机3台，冷冻水泵机组有93kW电机4台，冷却水泵机组有93kW电机4台，通过对冷冻水泵机组和冷却水泵机组的变频节能的改造使用11个月，节约电费41.5万元，为中央空调的节能，创造了有益的经验。现将其系统组成、设计、实现方法作一介绍。
　　2 中央空调变频节能的原理系统组成
　　中央空调进行变频节能系统，需要硬件及软件技术的组合，利用矢量控制手段将动态过程相应补偿，恒转矩调压、瞬流干扰负向抑制技术综合使用。变频调速技术产生的新产品，通过同步跟踪，调压、调相、调节频率、瞬流抑制于一体，具有：
　　(1)恒转矩的条件下调节控制电压，限制电流，使电机负载处于最适当、最小、最省电力的电压和电流运行状态；
　　(2)矢量控制和模糊逻辑控制的优化调频技术，具有最先进通用变频器的全部功能；
　　(3)由微机采样跟踪，实现功率因数动态补偿；
　　(4)瞬流干扰抑制技术，过滤瞬流波动减小其所造成的损失和干扰。
　　正是由于这些优势，使中央空调变频节能有实施的理论依据和进行控制的可行性。其主要应考虑的因素有：
　　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)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；
　　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。
　　4)变频技术在现代空调中的使用已成为必然趋势，因此这不仅能有效改良现代空调系统的工艺不足，还能大幅降低能耗节省运行成本。因此，在中央空调系统中安装变频控制系统并设置闭环自动调节，使节能效果更好。
　　3 中央空调变频系统设计的依据
　　在我国的南方特别是深圳地区周围，每年空调开的时间大约1o个月左右。这样一年之中，中央空调系统中的冷却泵机组和冷冻水泵机组都在固定的大流量下工作。另外由于季节、昼夜和用户负荷的变化，实际上空调负载在绝大部分时间内比设计负载低很多，如图1和图2所示。
　　可由建筑物的实测得到热负载变化率的情况。这样，就可以决定水泵流量和压力的最大(100％)设计负载，这样相比，一年中负载率在50%以下的时间占全部运行时间的50%以上，一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～6℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在温差低、流量大的情况下工作，增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量。一般空调水泵的耗电量占空调系统耗电的20～30％。因此，节约水泵在低负载时系统供水输出能量具有很重要的意义，所以随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性，而得到越来越广泛的重视及应用。采用变频器调节泵的转速可以很方便地调节水的流量其节能率通常可达35%～50%左右。例如水泵的运行特性如下：
　　1)水泵的流量与转速的一次方成正比：Q=N；
　　2)温差△T与转速一次方成反比，△T =l/n；
　　3)扬程H 与转速二次方成正比，H=N2；
　　4)轴功率P与转速的三次方成正比，P=N3； 它们之间的关系如表1所示。
　　4 中央空调变频系统的设计
　　变频系统只涉及冷冻水机组和冷却水机组的变频调节控制。
　　4．1 冷冻水系统
　　它的水温取决于蒸发器的设定值，回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻水出的温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为5"C(出水为8"C，回水为13"C)。现采用在蒸发器的出水管和回水管上装有检测温度的变送器。再与PID温度调节器、PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制，使冷冻水泵机组的转速相应于热负载的变化而变化，当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时就可起动第二台电机，工频运行，然后调控第一台电机。这样不断调整控制，使其达到最佳的效果.
　　4．2 冷却水系统
　　降低水的温度取决于冷却塔的工作状态，我们只需控制高温冷却水的温度(冷凝器出水口)即可控制温差。现采用温度变送器，PID调节器，PLC变频器组成的闭环控制系统，冷凝器出水温度控制在T2，(例如38"C)，使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。同样，当第一台电机已达到工频时，还达不到要求时，就可起动第二台电机实行工频运行，然后调控第一台电机，使之达最佳的状态。
　　5 系统的特点及效果
　　变频节能系统由于采用闭环控制，电机按需要设定温度，使设备容量随时间季节变化，热负荷通过转速调节能在满足要求的前提下最大限度的节能，并减少对电网的冲击。由于本系统加入了各种保护措施，使安全可靠性大大提高。本系统进行变频节能改造后，一直稳定连续运行，累计运行了l1个月，其数据如表2。
　　以电机容量90 kW 为例，计算其变频节能效益。
　　(1)冷冻水泵变频节能效益
　　实际耗电量920kW；
　　变频后平均功率2l=363 kW；
　　节电率(1-36.9/90)×lOO%=59.7%；
　　节约费用(90×)×0.78=244660元
　　(2)冷却水泵变频节能效益
　　实际耗电量080kWh；
　　变频后平均功率68=34.8kW；
　　节电率(1―34.8／90)×100％ =61.3％，
　　节约费用(90×)×0.78=170851元
　　两项节约费用共计415．511元。由此可见，采用此系统为用户节约了成本，提高了效益，取得较好的社会收益。
　　6 结论
　　本文分析了所设计的中央空调节能系统的原理，设计方法和经济效益。由于此系统节能效果显著，不少酒店大厦中央空调的物业管理部门都十分关注，并不断的加入节能的改造行列，所以前景十分好。因此会产生较大的影响，为节能做出贡献。
　　7 参考文献
　　1 颜全生，等．智能供水系统的设计与实现．电力系统及其自动化学报，)：60～62
　　2 吴忠智，等．变频器应用手册．北京：机械工业出版社，1991
　　3 三菱变频调速器使用手册FR―A500 IB(NA)66851-C(0005)ROD AL808系列．1991
　　4 智能型数字调节器使用说明书．2001
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空调蓄冷方案在需求侧管理中的成本效益分析
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远大“需求侧管理破解电荒难题”论坛召开
&&&& 6月4日，在湖南长沙远大城召开了 &需求侧管理破解电荒难题&主题论坛，能源、环保、企业及经济界精英齐聚一堂，共同商议破解&缺电&难题的办法。
&&&& 今年是近几年电力供需形势最为紧张的一年，电力缺口总量可能超过历史上最严重的2004年。仅国家电网负责的26个省份经营范围内电力缺口就将达到3000万千瓦左右，其中，京津唐、河北、上海、江苏、浙江、安徽、湖南、河南、江西、重庆等10个省级电网将出现电力供需紧张局面。
国家能源专家咨询委员会主任 徐锭明
&& 如何应对今夏电力高峰，从根本上解决电力紧张的局面，与会嘉宾展开深入讨论，从不同领域剖析困境，寻找解决方案。
&&&& 一、空调占用了40％的电力，却仅用了6％的电量
&&&& 解决的办法看似很简单：既然缺电，增建电厂及电网，多发电不就行了。但是，一边是电荒重灾区拉闸限电甚至波及居民，另一边却是东北、西北、蒙西电网的电力富余超过3000万千瓦，只能窝电。从2004年到现在，中国新增发电装机容量超过了过去几十年的总和，到2010年我国电力装机容量已达到9.6亿千瓦。历史经验表明，发电机组设备利用小时在5300小时以下时表明全国电力供需平衡有余，而去年全国发电设备利用小时只有4660小时，这表明中国并不缺电。深究电荒原因，不难看出，电荒重灾区都是夏季电力空调负荷相对集中的地区，电力空调成为了电荒的&始作俑者&。
国家发改委能源所&用电需求侧管理&项目中心主任 康艳兵
&&& 空调负荷是随气温变化的，空调用电峰值集中而短暂。从近几年情况可以看出，中国空调用电占用的电力逐年增加达到40%以上，而消耗的电量仅占全年总电量的6%以下。显然，一味采取扩大电力投资来满足空调用电的需求是极不合理的&&要么电力投资回报率整体下降，要么靠增加电价、加重用户负担来取得回报。
&&&& 二、空调用电与需求侧管理
&&&& 可见，导致目前电力供应紧张的根本原因，主要是电空调爆炸性增长造成的用电结构不合理。&舍工保民&、&把空调调高1度&等等措施都是需求侧管理常用的手段。但只要缺电存在，目前的需求侧管理都是一种短期行为。要想形成需求侧管理的长效机制，调整用电结构、完善用电管理，才是解决问题的&王者之道&。显然，减少空调用电、建立分布式能源，应成为保障供电安全、维护社会安定的关键课题。
中国能源网首席信息官 韩晓平
&&&& 三、非电空调和电力空调
&&&& 顾名思义，非电空调是不以电为主要驱动能源，而是通过采用天然气、城市煤气、发电废热、工业废热、沼气等任何能产生80℃以上的热能为动力的中央空调主机，可同时或单独提供制冷、采暖、卫生热水。目前国内广泛使用的电空调已在夏季高峰时给电力供应系统造成了巨大的压力，也是造成目前电荒局面的&有功之臣&。用非电空调来代替电空调不但能缓解电力系统的压力，还可以更好地平衡冬夏季之间天然气的使用量，实现资源更好的、更充分的均衡利用。
华远地产股份有限公司董事长 任志强
&&&& 国家发改委能源所&用电需求侧管理&项目中心主任康艳兵指出，我国终端用电效率低下，与发达国家相比仍存在明显差距。从实施需求侧管理、提高终端用电效率的角度来促进电力可持续发展将大有可为。我国终端节电具有极大的潜力空间，非电空调不用电就是破解电荒难题最直接最有效的方式。
&&&& 500台非电空调顶替一座30万千瓦发电站。按电空调耗电计算，一台常规容量（200万大卡/时）燃气空调每小时省电600度（kWh），500台省电30万度，这个数据很值得细算。
远大科技集团总裁 张跃
&&&& 让我们先算算国民经济帐&&
&&&& 一座30万千瓦的火力发电站及相关电网的造价约30亿元，加上500台电空调设备售价约6亿元，共计36亿元。500台非电空调售价约10亿元，另加相应的燃气管网造价4亿元，总共14亿元。电空调占用国民经济资源是非电空调的2.5倍。
&&&& 让我们再算算环境帐&&
&&&& 天然气与煤相比，二氧化碳减少58%，二氧化硫减少99.99%、氮氧化物减少81%、颗粒物减少95%、炉渣及废水减少100%。一份专家调查报告指出，每吨煤造成的污染损失超过200元，如此换算，一座30万千瓦发电站每小时造成4万元污染损失，如果年发电为4500小时，那么，一座电站一年的污染损失为1.8亿元，竟然占到发电产值的一半。而且，这还未计算长期的污染损失。
东方卫视首席评论员 骆新
&&&& 让我们替用户算算帐&&
&&&& 电空调用户往往没想过他无偿占用了电力投资。一台家用空调占用1.2万元，一台中央空调占用600万元，这笔帐对用户无碍，所以无人关心。用户关心的是性价比，买一机三用的非电空调，与买电制冷机加供热锅炉哪个更合算。其结果是：设备投资非电空调高10%～20%，占地面积非电空调省10%～30%，运行费用非电空调低10%，（以天然气3元/m3，电1元/度计算，并考虑到各厂家设备效率差别）。综合评价，非电空调节省用户开支。
&&&& 三笔帐算下来，非电空调当然要大发展，电空调应限制。
&&&& 但是，第一笔帐要政府主管经济的领导要算，将电力投资减少一点，把减少部分的10%用来支持非电空调（如日本：补贴用户设备购置费、减税），才会更好更快地促进非电空调发展。
西北电力设计院主任工程师 黄从新
&&&& 第二笔帐环保局要算，将污染费拿出一点补贴天然气气价，才能刺激客户的购买动力。
&&& 第三笔帐燃气公司要算，中国许多城市冬夏燃气峰谷差巨大（如北京是14:1），发展非电空调可大幅度提升夏季用气量。如果燃气公司（及上中游气源供应商）降低夏季燃气价格，可极大鼓励非电空调发展，填补夏季燃气低谷，大幅度提升燃气行业经济效益。国家正大力建设天然气管网，只有燃气需求市场合理化，中国的天然气事业才可能健康发展。另外，各地的燃气公司应限制夏季电空调制冷，而冬季用燃气锅炉采暖的项目，因为这种项目正好都占用了夏季电网、冬季燃气高峰负荷。
施耐德电气中国有限公司亚太区副总裁 骆静
&&&& 四、分布式能源确保供电安全，并减少污染
&&&& 过去30多年世界非电空调发展呈逐年上升态势，仅远大非电空调就覆盖70多个国家，证明非电空调的经济性及技术成熟性被广泛接受，尤其是冷热电联产技术在分布式能源项目的成功应用。在全球节能减排的推动下，分布式能源的应用将带动区域空调、合同能源管理、系统节能改造等一系列需求侧管理的完善和创新。
UNEP《世界环境》主编 邹晶
&&&& 分布式能源的技术特征是：
&&&& 1、保障供电安全。采用60kW～20000kW燃气发电机，安装在小区中心地带（或某个建筑内），发电直接供楼宇或小区使用，城市电网也接入该楼宇或小区，确保供电可靠。
&&&& 2、免费提供空调。发电机的废热如燃气产生的热量一样，供非电空调进行制冷、制热，空调耗电仅为制冷量的2%～4%。
&&&& 3、减少污染。由于发电废热得到充分利用，比传统火电站节能一倍以上，减少了二氧化碳排放；由于现代涡轮发电技术的进步,发电机尾气十分洁净，噪音和震动对周边居民几乎无干扰。
远大空调设备有限公司总经理 胡灿明
&&&& 在过去的10年时间里，美国能源部、世行、亚行支持用户在美国、欧洲及中国购置了配备不同类型发电机的CHP系统，每种类型均取得了预期的节能效果：总热效率86%～97%，其中发电机效率30%～36%，废热利用率80%～96%。
&&&& 显然，分布式能源对于传统的大电厂、大电网而言，是极为有效的补充。对于改善环境而言，是最佳的途径之一，剩下的问题就是需要政府的政策推动和投资者的细致评估及创新思想。发展非电空调及分布式能源，既可立竿见影地根除夏季缺电，又能促进国民经济可持续发展。可以预见，从十二五开始，将是我国迅速发展分布式能源系统的重大转机，一个非电空调及分布式能源时代已经到来。
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