中央空调系统的节能方案设计

中央空调系统的节能方案设计

摘要以广州地铁的一座智能化综合办公大楼为背景,分析采暖空调可采取的节能措施。介绍4种冷热源系统,包括热电冷三联供系统、地表水热泵系统、冰蓄冷空调系统、变频变容量多联机+传统集中式中央空调系统,比较各自的节能效果。提出几种冷热源方案,以及对应的节能风水系统组合。

关键词中央空调系统采暖空调冷热源系统节能

国的建筑能耗约占总能耗的1/4,居能耗之首,其大部分又被建筑内部的采暖和空调系统消耗,所以采暖空调系统的节能问题已经迫在眉睫。下面结合实际,介绍某项目进行空调系统方面的节能研究。

该项目位于广州,定位为高档智能化综合办公大楼,是集总公司及下属公司综合管理办公、档案存储、员工技术培训功能为一体的综合建筑群。项目建设规模:地上建筑面积约71 750m2,地下建筑面积约16 000m2。考虑档案库房与其他功能房的供暖供冷要求不同(档案库房需全年空调,其他房间只考虑夏季供冷),分开设置了两套空调系统。其中,档案库房的需用冷量860 kW、需用热量300 kW,其他功能用房的需用冷量8 700 kW。

1 采暖空调节能概述

采暖空调系统要节能,除提高系统运行效率和设备合理匹配外,还需要其他相关专业的有效配合,常用的节能措施如表1所示。

2 空调冷热源系统节能方案比较

由于南北方的气候差异,供热、供冷系统各有侧重点,对于像哈尔滨这样的严寒地区,主要能耗是冬季的供暖,建筑节能意味着厚的热阻大、传热系数小的墙体,小的体形系数,小的窗墙比,双层皮玻璃;而对于广州这样的夏热冬暖地区,主要矛盾就与哈尔滨截然不同,其重点应该是夏季外遮阳及过渡季节通风的问题,如果用厚的热阻大、传热系数小的墙体,小的窗墙比甚至固定的双层皮玻璃,造成过渡季节供冷时间增加,反而会造成建筑全年能耗的整体上升。所以,广州、深圳城市建筑应强调隔热、遮阳及自然通风,而不是保温。因此,应针对各个地方的气候条件,推广更为科学合理的节能措施。

对于目前涉及空调的建筑节能方案,可以考虑采用热电冷三联供;而有关空调的节能方案则有很多种, 包括地能中央空调系统、蓄能空调之冰蓄冷系统、变频变容量多联中央空调系统及各种复合能源系统等。这些方案的节能途径不同,但目的一样,都是节能、环保。下面分别以热能(余热)、地能、电能(冰蓄冷、变频变容量系统、传统集中式中央空调系统)作为冷热源,进行节能方案研究。

2.1 方案1:热电冷三联供系统

该项目之一的选址地块———科韵路AT0909,临近天河区员村热电厂,在方案选型上可以考虑利用电厂产生的余热,作为本项目的冷热源。

根据冷热水输送模式的不同,可分为集中供冷、热水模式和集中供热、分散供冷两种形式。由于夏冬两季的冷热负荷相差大,同时空调用户没成规模,所以该项目采用集中供热、分散供冷模式(见图1)。

该方案的空调用户少、与电厂的协调难度大,同时员村电厂锅炉产生的废气在日益繁华的市区不一定能被环保部门接受,因此需留意该电厂有无改迁的规划。

2.2 方案2:地表水热泵系统

该项目之一的选址地块———科韵路AT0909,毗临珠江,可考虑采用地表水热泵系统。

地表水热泵系统是一种利用地表水的高效节能空调系统,既可供热又可制冷。该系统通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源:在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;在夏季,把室内的热量“取”出来,释放到地能中去(见图2)。通常,地能中央空调系统消耗1 kW 的能量,用户可以得到4 kW以上的热量或冷量,最适合在即供冷又供热的场合使用。

江河水温度一般低于大气温度,故地表水热泵系统具有较低的冷凝温度,从而提高机组的能效比,达到节约能源、降低运行费用的目的。该系统的冷热源是江河湖海中的水,而广州有丰富的地表水资源———珠江,利用这些自然水体作为热泵的低温热源,是一种很值得考虑的方案(见图3)。

江河水冷却系统分为开式系统与闭式系统。开式系统又称为直流冷却系统,即直接利用江河水进行冷水机组的换热,与冷却塔相比,其空调季节大部分时间冷凝温度较低,可大大提高主机的制冷效率,已在广州地铁2号线海珠广场冷站得到应用。闭式系统是在江河中埋设地表水热交换器,通过热交换器中的液体与江河水之间的换热来实现冷却。与直流冷却系统相比,闭式系统中的液体由于不与江水接触,液体较清洁,维护工作量小,但也存在着节能性稍逊、换热盘管容易损坏等不利因素。值得注意的是,在我国的利用地表水作为冷(热)源的实践中,几乎还没有采用过闭式系统。当然,这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制,如地表水受气候温度的影响较大,使得热泵的性能系数受限。同时,由于水质的问题,对水处理、过滤等措施也提出了很高的要求。

在采用此方案时,前期需做大量的基础工作,从水文、水温及水质资料的收集,到请专业单位进行环境影响评价、航道水利报批,各个环节都需要落实确定。另外,完成取水工艺的初投资也比较大。图4为广州地铁2号线海珠广场直流冷却系统取水构筑物。

目前,广州地铁2号线海珠广场的运行情况不是很好,存在冷却水系统运行效率低、需经常维修等问题。

2.3 方案3:冰蓄冷空调系统

冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储存的一种供冷系统(见图5)。它利用夜间的低谷用电进行蓄冰制冷,将能源以冰的形式储存;在白天高峰用电期间,则通过融冰释放的冷量供给空调系统使用。

与常规空调系统相比,冰蓄冷空调系统具有以下优点:充分利用夜间谷值负荷的优质廉价,且峰谷电价差愈大,经济效益愈显著;减少制冷主机装机容量;制冷设备经常满负荷、高效率运行;充分利用夜间大气冷却能力,提高制冷机产冷量和性能参数COP(冷凝温度降低1℃,可提高产冷量2%左右);系统连续运行,避免了间歇运行不必要的能量浪费。其主要缺点是:制冷机组的蒸发温度降低(要达到-5~-10℃),使压缩机性能系数(COP值)减少;空调系统设备与管路复杂;初投资较高,蓄冰设备占地面积较大。

冰蓄冷空调本身并不节电(制冰工况主机蒸发温度低,导致能效比较低),但其实现了错峰用电,为避免夜间电力资源的浪费、缓解白天高峰用电的供需矛盾,提供了有效的手段,并且有效利用国家有关峰谷分时电价,较大程度地降低了空调系统的运营费用。所以冰蓄冷空调系统的应用在很大程度上与电价体制有关。

目前广州只采用了错峰限电的政策,没有对常规商业与居民用电实行峰谷电价差,但考虑错峰用电是一种趋势,所以本项目是否采用冰蓄冷空调系统还需结合广州未来的政策走向决定。

2.4 方案4:变频变容量多联机+传统集中式中央空调系统

变频变容量多联空调(variable refrigerant volume)系统即变制冷剂流量系统,在系统结构上类似于分体式空调机组,采用一台室外机对应一组室内机(一般可达16台);在控制技术上采用变频控制方式,按室内机开启的数量控制室外机内的旋涡式压缩机转速,进行制冷剂