暖通空调系统节能分析

2022-08-23

简介

暖通空调系统的节能空间应从建筑设计、暖通空调系统设计和运行管理三个方面综合考虑。

建筑物的形状、朝向、颜色和围护结构都会对空调系统的冷负荷需求产生重大影响。比如厦门，因为热负荷小，冷负荷大，颜色浅的比较好。以及减少外窗面积，采用双层中空玻璃，采取遮阳措施等。

空调系统的设计往往以最大负荷为依据，但实际运行中出现最大负荷的机会很少。对某五星级酒店的抽样调查发现，设计配置为163w/m2，而90%的运营期实际容量仅为60~100w/m2。现代旅游饭店是集住宿、商务、会议、餐饮、娱乐、健身为一体的多功能建筑，其多功能性不会同时出现冷负荷服务需求高峰。合理的负荷要求设计师在设计风格和丰富的设计经验上力求完美。简单地应用数据和数据可以降低设计人员的风险，但可能会降低设备利用率。

设计数据选择不当，进一步加剧了设备利用率的降低。例如，酒店内的商场、健身、商务等设施为客人服务。如果用国美、家乐福一样的指标，那就太过分了。

泵的扬程是在系统最不利负载的水头损失乘以一定的安全系数后应用泵样品确定的。通常会产生额外的冗余。

冷冻水系统按设计容量配置，但实际负载随系统负载的制冷量而变化。下图为系统冷负荷变化示意图。在恒速泵系统中，当实际负荷低于设计容量时，会出现流量大、温差小的现象，造成不必要的节流损失，降低泵的能效指标。会造成不必要的系统散热损失。

因此，暖通空调的节能控制已成为业内人士的共同追求。随着现代变频控制技术、计算机技术和系统控制技术与理论的不断发展，为暖通空调节能提供了新的平台。 .

节能效益空间更多取决于低负荷维护的时间和频率。

水冷式暖通空调系统主要由制冷剂循环系统、制冷剂循环系统和空气循环系统组成。制冷剂循环系统由冷冻水循环系统、冷却水循环系统和冷却空气循环系统组成。 下图显示了TRANE®冰箱的能效性能和YROK®冰箱的能耗性能。可以看出，冷冻主机的冷冻水出口温度、冷却水入口温度和负载率对能耗有影响。所谓系统调节，就是跟随系统冷负荷的变化，通过合理调节扬程、流量和冷却风量来实现对冷冻水出口温度、冷却水入口温度和负荷率的合理调节。制冷剂的速率。对Nw和Na进行跟踪控制，达到提高系统运行效率、降低运行能耗的目的。

冷水机的制冷量Qo既要满足终端负荷用户服务质量的制冷量Qy需求，又要满足冷冻水系统自身的制冷量损失Qs：

如果终端用户负荷所需的制冷量保持不变，由于冷冻水流量的减少，不仅各终端用户对调节阀的节流损失、系统管网的摩擦损失和可以减少水泵，降低冷冻水泵的性能。能耗降低了，更重要的是，系统在管网、阀门和水泵上的冷却损失Qs也降低了，从而使冰箱的冷负荷相应降低。

无论冰箱采用何种能量调节技术，其COPc始终跟随负载制冷量的变化，在其最大制冷量附近呈现最高的COPc拐点，即最高效率点。

在用户负荷的制冷需求不变的前提下，由于冷冻水流量的减少，系统制冷负荷的降低会降低冰箱的制冷系数COPc（见图2-1b） )，也会使冷凝器的制冷量相应降低。在冷却水量不变的前提下，冷却水出口温度会降低。如果冷却水入口温度相应降低，COPc可以得到补偿（见图2-1），但这是时间和冷却系统的综合效应。可以看出，由于系统冷却负荷的降低，对COPc的正面影响是不确定的，但负面影响是肯定的。因此，降低系统冷负荷可以说是优化冷却主机COPc是不恰当的。

但是，COPc 的降低并不意味着没有节能。对于采用不同能量调节技术的制冷机型，系统冷负荷降低带来的能耗降低是完全不同的。例如，对于多头活塞机来说，冷却负荷的降低可以使一组压缩机停机，节能效果不言而喻；冰箱厂商在产品性能上的不懈努力从未停止。持续改进使部分负载运行的功耗不断降低，效率不断提高；对于采用热气旁通能量调节阀技术的机型，当制冷负荷降低时，压缩机吸气压力会降低，部分高温高压制冷剂气体通过能量调节阀旁路至吸气管，防止吸入压力持续下降，制冷量减少，但压缩机的耗电量仅略有降低甚至基本不变，节约能源。当然效果是微乎其微的。可以看出，由于冷冻水流量的减少导致系统冷负荷的降低会导致制冷机的COPc降低，但是由于冷水流量的调整导致系统冷量的降低。冷冻水系统为降低主机能耗创造了客观条件。至于主机的能耗是否可以跟随降低，降低多少，取决于主机自身的能量调节性能，因机而异。最大化冷水机组的COPc并不是HVAC节能控制的根本目标。从热物理的角度来看，冷冻水系统的节能调节主要是通过合理减少制冷剂的流量和降低系统冷量Qs来实现的。 .

冷冻水系统可以从两个方面获得节能效益：降低泵的功耗和减少系统制冷量的损失。

室外大气环境的温湿度是影响湿式冷却塔运行性能的主要因素。冷却水的高入口温度直接降低了主机的冷却系数COPc。减少，导致制冷剂流量不足，导致运行不稳定，制冷量降低。此外，冷却水温度低导致主机启动困难也是困扰用户的问题。

冷却水系统的节能控制主要是通过减少多余的冷却水流量和系统管网与水泵的摩擦损失，同时保持循环水泵和电机的高效运行来实现的尽可能。

追求节能系统控制目标

在电制冷暖通空调系统中，常使用制冷机组的制冷系数COPc来衡量其制冷效果。

水系统输送效果是用输送水系数COPw来衡量的，COPw定义为显热交换量QO与循环泵电功率Nw之比，即

暖通机房总耗电量Ns为制冷主机耗电量Nc、水系统（冷冻水、冷却水）耗电量Nw和冷却塔风机耗电量N之和水系统水泵和冷却风扇也统称为辅机：

这里我们引入HVAC机房系统传热系数COPs的概念，定义为：单位系统耗电量的制冷量，它反映了机房系统的二次能效指标：

对应的二次能源消耗指标实质上是系统能源消耗效率比，表示为：

如果在经济学上以投入产出比来衡量暖通空调的效率，它就像一个黑匣子。输入为系统总功耗Ns，输出为系统总制冷量QO。卡路里 860*4.187=/(kw·h)。

由于HVAC系统的输出冷负荷时变，输入系统的功耗有节能的空间。如果能够保证暖通空调系统的安全运行和为用户提供的服务质量，则可以提高系统功耗。通过提高系统的COPs，可以跟随负载的变化降低系统的能耗，达到经济运行的目的。

绿色节能是一种提高舒适度、倡导健康的节能理念，将节能理念提升到一个新的水平。例如，舒适型空调允许广泛的使用温度。当室外环境温度较低时，室内使用温度相应调低；相对恒定的温差。当室外温度接近舒适温度时，尽可能使用新鲜空气，使室内小环境跟随室外大环境空气条件的变化，既能最大程度地节约能源，又能还可以改善室内空气质量和舒适度。

除了空调系统中机房的能耗外，处理新风所需的能耗往往被工程师忽略。五星级酒店处理新风的能耗仅占空调系统总能耗的40%。厦门地区12w/(m3/h)的冷负荷可能更高。

目前大部分酒店空气清新，节能空间明显。

可持续节能是一种持续努力、持续改进、持续改进的节能理念。

随着对自然科学的不断认识和科学技术的不断发展，人们将不断发现新的节能空间，新的节能技术、新材料将不断出现。与时俱进的科学发展观是保持可持续节能的指导思想。

省电效果评价

仅从方程 15-17 看来，只要控制冷冻水循环系统、冷却水循环系统和冷却风扇的能耗，降低辅助系统的能耗，系统能量效率指数 COPs 可以提高。事实上，暖通空调系统是一个相对复杂的系统工程，任何子系统都不能孤立存在。为了使暖通空调系统达到最佳的经济运行条件，仅仅考虑局部问题是不够的。任何不以降低系统整体能耗指标为目的的暖通空调节能控制系统都可能出现三种情况：

1.减少冷却水量后，辅助系统耗电量Nw降低，冷凝温度基本保持不变。这种情况下，冰箱的COPc基本不变，即系统制冷量不变，总能耗Ns减小，能效指数COPs增大，能耗指数ε减小，节能效果很明显。

2.减少冷却水流量后，Nw减小，系统总能耗Ns减小。但由于冷凝温度的升高，制冷机的COPc略有下降，制冷量也相应下降。能效指标COPs和指标ε仍可基本保持不变，节能效果难见。

3.减少冷却水流量后，Nw下降，但冷凝温度升高导致制冷机COPc明显下降，导致系统能效指标COPs下降，能耗指数ε，节能效果为负，劳动者受伤。财政。

因此，节能控制应运用系统工程理论，从系统层面综合平衡和协调各个子系统之间的相互关系和蕴涵，避免片面强调某一方面而忽视可能对系统造成负面影响的其他方面手术。因此，无论是冷冻水子系统的节能控制，还是冷却水子系统的节能控制，都不能以最大化各个子系统水泵的节能效益为目标。各子系统的节能控制必须服从系统安全运行和整体节能效益的大局。由于“表附表”，用户按计费表计费，所以控制系统的唯一目标就是提高整个暖通空调系统的整体效率，减少二次能源消耗指数ε。说白了，就是在保证系统安全运行和用户服务质量的前提下，尽可能降低付费电表的计量度数，降低用户的电费。总之，只有减少用户的用电支出，节能控制方案才能成功。

同样，对于冰水蓄能的节能评估，也不能仅仅以输送的电量来确定节能效益，因为冰蓄水技术有大量的额外能源（包括电能） 、机械能等）在生产过程中的能量储存和传递。和热能）损失，这些能源和管理成本的增加不会为用户和制造商创造利润。

1.节电率的辩证观

从以上章节我们已经了解了暖通空调系统的节能机理和节能空间。随着系统冷负荷的变化，系统的节能空间也在不断变化，因此系统的能耗指标ε也是一个变量。当然，电费不会是一个固定值。也就是说，由于不同时间的冷负荷不同，节电率也不同，同一套节能控制设备在不同的空调系统中必然会产生不同的节电效果。严格来说，世界上没有一个暖通空调系统是相同的，每个系统都有自己独特的个性，而且永远不会相同。形象地说，每个系统都有自己独特的DNA。其他情况的节电率只是系统在一定时期内的典型数据，既不能代表系统的平均节电率，也不能代表系统的整体节电效果。但它经常被制造商用于产品包装。本案例以外的任何系统，仅供参考，不做任何指导。

上图为厦门某项目2005年2月4日至10月17日节电率趋势，期间双方同意节电0.41kwh。图中还可以看出，当tA清晰显示，当辅机节电21.94%时，主机节电率为-21.26%，系统节电率为-< @7.21% 现象。

不同的评价标准会导致不同的节电率。以一个连续测试了 9 天（216 小时）的项目为例：

如果这九天天气状况变化很大，那么节电率的变化就更大了。

案例一：在厦门某楼的招标中空调新风属于能耗管理吗，部分供应商一看到单泵的威力就兴奋起来，扬言要中标。在系统节电率不同的情况下，开通保证系统节电60%以上，并承诺不花钱。事实上，这种情况下的泵已经切断了叶轮。

案例2：厦门某酒店测试了水泵系统，节电率为53.4%。工程部很高兴颁奖，但下个月的空调电费不降反升。财政部门质疑：50%的节电率去哪儿了？工程部无语。至少有两个原因。首先，水系统的节电率不是空调系统的节电率。水系统的省电并不代表空调系统省电，也可能会消耗更多的电；增加，系统的节电率呈下降趋势。次月温湿度升高，旅游旺季酒店入住率上升，冷负荷需求增加，节电率下降。

具体来说，一个案例的节能效益主要取决于两个方面：

系统节能空间的大小（包括：最大负荷与设计负荷之间的设计裕度、最大负荷与最小负荷之间的负荷变化量、低负荷时间的长短和频率）；

控制系统跟随负载变化的跟随控制能力。