中央空调系统节能原理个人总结Word格式文档下载.docx

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到了蒸发器的出口，制冷剂的温度回升为过热气体状态。

过冷液态制冷剂通过膨胀阀时，由于节流作用，由高压降低到低压（但不消耗功、外界没有热交换）；

同时有少部分液态制冷剂汽化，温度随之降低，这种低压低温制冷剂进入蒸发器后蒸发（汽化）吸热。

这个吸热过程就是空调的制冷过程：

冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与制冷剂进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，这些低温冷水就是空调的冷源。

冷水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。

从蒸发器盘管出来的制冷剂变成了常温低压的气态制冷剂，然后被吸入压缩机，进入下一个制冷循环。

制冷剂在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。

冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。

空调水循环系统是中央空调中的重要组成部分，广义上讲，空调水循环系统由冷水循环系统和冷却水循环系统组成。

冷水系统也就是载冷剂系统，中央空调系统首先将冷量通过制冷剂传递给冷水系统，通过冷水系统的循环将冷量送到风机盘管空调系统中冷却盘管周围的空气，产生的低温空气由盘管风机吹送到室内环境，从而达到降温的目的，同时吸收室内环境的热量，通过冷水循环将热量传递给冷水机组的的蒸发器，再通过制冷剂循环将热量传递给冷凝器，在冷凝器中载冷剂与冷却水进行热交换，然后经过冷却水循环系统，通过冷却塔将将热量排放到空气中。

因此，冷水系统和冷却水系统表面上看是相互独立的，但是从热力学的意义上讲却是相互关联的。

在中央空调系统的运行过程中，空调水系统在制冷过程中起着至关重要的作用。

中央空调系统是通过水系统来实现热量或者冷量的转移的。

本文主要讨论的是间接制冷系统的变流量节能控制。

2.1.2中央空调系统的结构

在生产和生活中，人们为了满足工作、生活和生产活动等对室内气候环境的要求，需要对建筑物室内的空气进行调节处理，使建筑物内空气的温度、湿度等保持在一定范围内。

将室内的温度和湿度保持在一定的水平是中央空调的基本任务。

典型的中央空调的结构组成如图2.2所示，主要包括制冷机组、冷水循环系统，冷却水循环系统以及风机盘管空调系统。

图2.2中央空调系统的结构图

1、制冷机组：

空调制冷机组是中央空调系统的“心脏”，是中央空调的制冷源。

制冷主机主要由制冷压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器四个部分组成（见图2.2）。

首先，蒸发器中的低压气态制冷剂经过压缩机压缩进入冷凝器，在冷凝器中，制冷剂与冷却水系统进行热交换并逐渐冷凝成高压液体。

在冷凝过程中制冷剂会释放出大量热能，冷却水循环系统将这些热能吸收，最终通过冷却塔排放到大气中。

随后，冷凝器中的高压液态制冷剂经过蒸发器前节流装置（电子膨胀阀）形成低压低温的制冷剂液体，从而如蒸发器。

在蒸发器中，制冷剂与冷水系统热交换，冷水循环系统将冷量送到被制冷对象。

最后，蒸发器中气化后的制冷剂又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。

2、冷水循环系统：

冷水系统主要由冷水水泵以及管路结构组成。

从制冷主机流出的低温冷水，由冷水水泵通过管路送到风机盘管系统中，吸收建筑物室内的热量，成为高温冷水回水，然后从新进入冷水机组，在蒸发器内与制冷剂进行热交换，将热量传递给制冷剂，然后将获得的冷量又送到风机盘管系统中，从而达到制冷的效果。

3、冷却水循环系统：

冷却水系统主要由冷却水泵、冷却水管路以及冷却水塔组成。

制冷机组在工作以及与冷水进行热交换的同时，必将产生大量的废热，因此一般要用通过冷却水系统排放到室外环境中。

冷却水循环系统的作用就是重复循环的吸收冷水机组制取冷量时所产生的热量（包括冷水传递的热量以及冷水机组工作产生的热量），输送到冷却塔然后排放到室外，被冷却的冷却水循环到冷水机组的冷凝器，继续吸收热量，循环往复，保证冷水机组制冷过程持续进行。

4、风机盘管系统：

风机盘管系统是中央空调制冷系统的末端装置。

风机盘管系统主要由风机、盘管（换热器）、电动机、空气过滤器及室温控制装置等组成。

风机盘管系统的作用是不断的循环室内的空气，使之与冷水系统进行热交换，并适量的提供新风，以保证房间所需要的室内环境，如湿度和温度等。

以此可以看出，中央空调制冷，就是不断的将空调的冷负荷从室内传递到室外，不断的进行热量交换的过程（李玉街，2009）。

在这个过程中，冷水循环系统和冷却水循环系统扮演着重要的角色，主要起着能量传递的作用，同时也是主要的耗能部分。

2.2中央空调系统能耗分析

当今社会，随着社会的进步和科学技术的快速发展，中央空调在生产和生活中的应用越来越普遍。

在现代智能建筑物中，中央空调是创造舒适的生活和工作环境所不可或缺的重要设备。

随着中央空调的广泛应用，它在给人们带来舒适生产和生活环境的同时，也消耗了巨大的能源，从而提高了建筑运营成本。

中央空调是现代建筑的主要耗能部分。

在中央空调系统传统方案设计中，其制冷压缩机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷选定的，且再留有充足余量。

据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，而中央空调设备97%的时间在70%负荷以下波动运行，有资料称，实际空调负荷平均只有设备能力的50%左右，因而出现了“大马拉小车”的现象，这无疑造成了大量的能源白白浪费（周大地，2005）。

目前中国商业建筑的能耗较发达国家高40%左右（江华，2005）。

在定流量和定风量中央空调系统中，无论空调负荷如何变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，造成了能量的巨大浪费；

而有些中央空调系统压缩机和风机大多采用扇叶开度、滑阀和挡板来进行能量调节，当运行在部分负荷时，电机除负载损耗有一定的降低外，其它部分如固有损耗等均无法降低，机组的整体运行效率很低；

循环水的流量则是通过节流阀和旁通阀来调节，难以实现水流量与制冷量的实时匹配，造成水系统长期处于“大流量、小温差”的高能耗运行状态，并使制冷机组的COP值下降，整体电能大量浪费。

目前，大中型中央空调系统大多是间接制冷系统。

间接制冷空调系统的工作流程如图2.3所示。

由图2.3可知，中央空调系统的工作过程涉及到多个传热过程以及众多的拖动设备。

其中，拖动设备也是中央空调系统中的主要耗能设备，如图2.3所示。

图2.3中央空调系统耗能设备及负荷关系图从图2.3可以一定程度上看出中央空调系统工作过程中能量的变化关系。

从图中可以看出，室内负荷最小，然后从末端风机到冷却塔风机能量不断增大。

这是因为：

（1）在流体循环过程中，由于水路管道等设备隔热性能不是很理想，外部热量会不断的进入系统中。

（2）在中央空调系统工作过程中，拖动设备的一些机械功会转换成为热量进入系统。

由空调制冷系统功耗设备以及能量关系图可知空调系统负荷主要包括如下几个方面

（1）空调末端负荷Pa。

（2）冷水循环系统负荷Pb。

（3）冷水机组负荷Pr：

主要为制冷压缩机所做机械功。

（4）冷却水系统负荷Qc：

Qc=Pc+Pd

（2.1）Pc——冷却水泵消耗的功；

Pd——冷却塔风机消耗的功。

综上所述，中央空调制冷系统所耗能量如下方程式所述：

P=Pa+Pb+Pc+Pd

（2.2）上述水泵，风机和压缩机等拖动设备所耗的机械能，实际上是对流体所做的功，计算公式如下：

N=ρGH/102η

（2.3）式中

N——拖动设备的轴功率，kW；

ρ——流体的密度，kg/m3；

G——流体的循环流量，m3/h；

H——拖动设备的扬程；

η——拖动设备的效率。

可求的拖动设备的能耗如下式：

W=Nh=ρGHh/102η

（2.4）式中：

W——拖动设备的耗电量，kWh；

h——拖动设备运行时间。

在中央空调系统中，冷水泵、冷水机组、冷却水泵、冷却塔风机等制冷设备约占空调系统耗能的60%~70%，风机盘管空调系统耗电约占空调系统总耗能的30%~40%。

因此空调系统的能耗主要包括两个方面：

1.制冷设备能耗：

（1）冷水机组能耗，这是整个空调系统冷源制造冷量所耗的电能；

（2）冷水泵的耗电，这是保证载冷剂循环流动而对载冷剂所做的功；

（3）冷却水泵和冷却塔风机的电能消耗，这是将空调系统吸收的室内热负荷以及空调系统废热排放到室外空气环境中所耗的能量。

2.风机盘管系统能耗：

主要是风机盘管系统中的盘管风机所耗的机械能，是为建筑室内输送冷风或者新风消耗的电能。

因此，要降低中央空调系统的能耗的方法有：

（1）减少设备的启动次数和运行时间，这需要通过对中央空调系统中设备进行有效的管理和协调，避免和减少设备不必要的启动和运行；

（2）减小流体的流量G，这需要采用变频技术，即调速技术以及控制技术，如对风机盘管风量、冷水流量、制冷剂流量、冷却水流量和冷却塔风机风量等根据实际的负荷需求进行动态调节，以减少部分负荷状态下拖动设备的耗能；

（3）对管路系统进行改造，设计合理的管径来降低水泵需要输出的扬程；

（4）提高拖动设备的运行效率，这需要选择合适的拖动设备以及对设备进行有效的管理。

鉴于（3）和（4）种方法主要涉及到空调系统设计知识，本文不详述。

本文主要研究和讨论拖动设备的变频节能控制。

2.3中央空调系统的节能技术原理

中央空制冷空调主要由冷水机组、空调水系统和空调末端设备组成。

主要的耗能的设备有中央空调主机、空调水系统拖动设备（冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机）和风机盘管拖动系统。

中央空调系统通过各子系统进行热交换来完成。

由于建筑物内部负荷以及外部环境变化比较大，不同季节或者时刻中央制冷空调系统的负荷是不同的，因此合理的空调控制系统是能够负荷随动跟踪的系统。

但是传统的中央空调制冷系统都是定流量的，无论何种负荷条件下都运行在最大负荷工况之下，各拖动设备都工作在满载荷状态，这样就造成了拖动设备和空调冷量的大量浪费。

鉴于这种情况，设计一种能够根据空调末端负荷的变化和空调主机的运行工况，自动对中央空调冷媒系统参数（温度、压力、流量等）进行调节的中央空调系统，能够使系统冷媒流量实时满足中央空调的冷负荷，并优化冷水机组的运行工况，对空调系统的节能具有很重要的意义。

本文主要讨论空调水系统和风机盘管系统的节能。

空调水系统节能

冷水机组是供应冷量的设备，也就是中央空调制冷系统的冷源，但是如果要保证空调制冷系统连续不断的循环工作，将冷水即冷量送到空调末端，还得通过冷水系统；

将中央空调系统的废热排放到大气环境中，还得需要冷却水系统。

传统的空调水系统基本上都是定流量系统。

在定流量水系统中，无论末端负荷以及外部环境如何变化，水循环回路都始终保持在满载荷的流量下工作，因此定流量水系统的能量损耗是很大的。

因此，根据负荷和外部环境的变化动态的调节水系统的流量，可以很大幅度的减少空调系统的能耗。

空调水循环回路包括两个独立的回路，冷水循环回路和冷却水循环回路。

下面本文将讨论这两个系统的变流量节能控制。

一、冷水系统节能

冷水是空调制冷系统的载冷剂。

冷水循环系统是中央空调系统的重要组成部分，重要起着承载和输送冷量的功能。

冷水将冷量输送到末端装置，吸收房间空气的热量，然后在冷水泵的驱动下将吸收到的热量传送到冷水机组，最后传递给蒸发器中的制冷剂。

传统的冷水系统是定流量系统，定冷水流量系统通常采用三通阀对末端设备的冷水流量进行调节，一般来说回水温度达不到设定值的要求，要比设定值小，因此，冷水系统工作在“大流量，小温差”的工况下，会造成冷水泵能量的浪费。

这种系统通常具有如下弊端：

（1）总的水流量大；

（2）回水温度低；

（3）部分负荷下制冷效果不均衡；

（4）机组的运行效率比较低。

由于空调系统负荷以及外部环境的多变性，在部分负荷的工况下，冷水系统通常工作在大流量、小温差的状况下，造成冷水泵能量的浪费。

因此根据负荷的变化调节冷水流量将会对节能有十分重大的意义。

1．冷水系统变流量运行的必要性

由于冷水定流量系统存在着相应的弊端，并且中央空调系统在运行中，由于建筑物内部冷负荷以及外部环境等因素的影响，全年中其负荷是时变的。

现在的中央空调系统中，随着负荷的变化，冷水机组可以随着冷负荷的变化而动态调节其制冷量，但是其冷源侧的冷水流量却是定流量的，这样就导致了空调系统个子系统之间工作不协调，浪费了冷水泵的大量能耗。

因此，在中央空调系统中，冷源侧的冷水流量也应该随动的跟踪负荷的变化，在保证蒸发器安全工作的情况下随动的调节冷水流量，使冷水系统携带冷量与负荷侧流量匹配，避免冷水大流量、小温差运行的现象，从而在保证空调的舒适性要求的前提下，又能提高冷水系统运行效率，达到节能的目的。

2.冷水变流量运行的可行性

中央空调系统水系统之所以大多采用定流量的方式，主要原因如下：

a）变流量系统成本高，如变频器价格昂贵，而定流量系统则比较简单，系统投资低；

b）变流量系统会影响冷水机组的传热性能；

c）减小冷水流量会导致蒸发器蒸发温度过低，冷水温度过低，导致安全问题。

随着控制技术以及空调主机技术的进步，上述问题以及顾虑已经可以消除了。

众多实践证明，变流量系统是可行的，并不会对冷水机组产生安全上的故障。

（1）变冷水流量对蒸发器性能的影响

因此，只要传热面积A和传热温差ΔTD不变时，冷水流量在一定范围内变化变化时，不会影响传热系数。

也就是说，所谓的冷水变流量系统，是指负荷变化时相应的调节冷水流量，而对应的单位冷水流量所对应的冷量并没有变化，所以，它并不会影响冷水机组的传热性能。

此外实际中，为了保证冷水机组的传热性能，冷水机组都有其最低流速，冷水的流速不应低于机组的最低流速。

通常，冷水变流量都有其调节范围，冷水一般都能维持在湍流的流动状态，不会影响蒸发器的传热过程。

（2）冷水流量对冷水机组安全性的影响近年来，随着制冷技术以及制冷空调控制技术的不断进步以及广泛的应用，先进的冷水机组具有具有较完善的控制装置，不仅可以随负荷变化大范围的调节制冷量，而且允许大范围的调节蒸发器侧冷水的变化范围，还能保证冷水出水温度的控制精度，而对空调主机的运行效率和能耗造成的影响并不是很大。

从而保证冷水机组可以随负荷的变化而调节冷水流量。

当前，各种类型的冷水机组的自动控制系统都能某种程度上调节制冷量，使制冷量输出可以动态的跟踪负荷的变化。

如本文将要研究的双螺杆式冷水机组可以通过调节滑阀，对制冷量进行调节，可以在21%~100%之间调节。

可以看出，冷水机组可以根据负荷的变化动态调节制冷量，在不引起蒸发器故障的前提下，保证随着负荷变化动态调节冷水流量时。

另外，现今的冷水机组低温保护功能也很完善，当蒸发器蒸发温度低于安全阈值时，冷水机组就会激活其安全保护机制，保护冷水机组在低流量下的安全运行。

可以说，冷水机组及其控制技术的进步，已经为冷水流量运行的工程应用提供了可能。

众多节能改造实现的变流量系统，已经证明了变流量运行的可能性。

但是，冷水机组允许的冷水流量并不能从0%~100%，就像上文所介绍的一样，冷水机组有其最低流量。

因此，必须保证冷水流量不小于机组允许的最低流量，保证蒸发器的安全运行。

3.实现冷水变流量运行的方法实现冷水变流量运行的方法有多种，常用的有改造管路特性，如安装调节阀门等；

改变水泵特性曲线，即采用变频技术；

改变水泵运行台数。

在上述三种方法中常用而有效的方法是改变水泵特性曲线，采用变频调速技术，改变水泵的转速。

由水泵的工作原理可知，当改变水泵的转速n时，水泵的效率基本是不变的，但它的流量G、扬程H以及轴功率N会发生变化：

4.冷水变流量控制技术

目前，冷水变流量控制方式最常用的有恒压差变频控制和恒温差变频控制两种方式。

这两种方式各有其优缺点。

（1）恒压差变频控制

这种控制方式是以压差为被调参数，因为水力速度惯性时间小，因此压力的变化要比温度迅速得多。

在变流量水系统中，当末端盘管使用电动二通调节阀来调节水流量时，会造成供、回水间压差的变化。

因此，可以选择在冷水系统管路的适当位置上安装压力传感器，将检测到得压力差传给控制器，与压差设定值比较，根据误差的大小调节控制变频器的输出频率，调节水泵的转速，从而实现冷水流量的改变。

在恒压差变频控制方式中，负荷的分布和变化对节能控制的效果影响很大。

由于在实际空调系统中，负载的变化形式多样，或者都有相同的变化，或者末端负载的变化呈现多样性，这些情况下，管路系统压差变化是不同的，负荷分布的不同以及负荷的大小直接影响采用恒压差控制的节能效果。

（2）恒温差变频控制

恒温差变频控制方式是在冷水的供、回水管路上分别安装温度传感器，检测供、回水温差，控制器根据供回水温差调节变频器输出，调节水泵转速，从而实现流量控制。

1）优点在中央空调制冷系统中，冷水是承载输送冷量的载体。

冷水所输送的冷量可以直接反应空调系统的冷负荷，如下式：

通过上式可知，空调系统的冷负荷与冷水的供回水温差以及冷水的流量成正比。

由此，温差的变化某种程度上可以说反映了空调冷负荷的变化。

所以，冷水机组采用一次泵变流量系统，采用恒温差变频控制水泵，根据空调系统冷负荷的变化随动的调节冷水流量，将会使冷水携带冷量与空调负荷匹配，并节约了水泵的能耗。

2）缺点

由于温度监测点并不是安装在风机盘管末端，而是有一定的距离，空调管路通常比较长，冷水经过一定时间的循环之后才会检测到其温度变化，因此采用供回水温差会有比较大的延迟，它反映的并不是当前的负荷，而是某段时间之前的负荷情况。

另外，由于冷水的热容量比较大、惰性大，当负荷发生变化时，却无法及时通过温度的变化反映出来，因此存在较大的滞后。

二、冷却水系统节能

目前大中型中央空调系统均采用水冷式冷水机组。

水冷式冷水机组冷凝器冷凝过程是利用冷却水与制冷剂气体热交换来实现的。

根据中央空调系统的制冷原理可知，冷水系统的功能是携带和输送冷量，吸收建筑物室内热量传递到冷水机组内；

冷却水系统的功能是将冷水机组的热量排放到室外大气环境中。

研究和实现冷却水系统的优化控制，对于冷水机组和冷却水系统的节能有着积极的意义。

根据能量守恒可知，冷却水的流量也一定程度上反映了空调系统的冷负荷，对于节能的中央空调系统而言，冷却水系统能够与冷水系统、冷水机组协调运行，从而以最少的能耗动态跟踪空调系统的负荷，实现系统的节能降耗。

本文将以蒸汽压缩式冷水机组的冷却系统为例，介绍其工作原理以及节能控制。

1.冷却水系统的工作原理

蒸汽压缩式冷水机组利用制冷剂的压缩过程、冷凝过程、节流和蒸发过程四个过程组成封闭循环实现制冷过程。

在蒸汽压缩式冷水机组中，空调系统的热量是通过冷凝器与冷却水热交换，通过冷却水排放到空气中的。

冷却水用来参与冷树机组制冷剂的冷凝过程，因此是冷却剂，对于我国绝大多数中央空调制冷系统来说，其冷却水系统都是循环用水系统，主要由管路系统、冷凝器、冷却水泵和冷却塔组成。

国内空调系统在冷却水系统设计时一般都将都将冷却水供水温度设定为37℃，冷却水回水温度设定为32℃，这是因为在我国冷水机组的性能测定都是在冷凝器回水温度为32℃、出水温度为37℃的工况下测定的。

在冷却水循环中过程主要由两个重要的热交换组成，一是在冷凝器中的吸热，二是在冷却塔中的放热。

经过冷却塔冷却的冷却水一般为32℃，经过管路进入冷水机组冷凝器中的换热管中，吸收冷凝器中的高压高温制冷剂气体的热量，使制冷剂液化。

冷却水经过冷凝器后温度升至37℃，然后在冷却水泵的驱动下输送到冷却塔，在冷却塔中经过喷淋冷却至32℃。

最后，经过冷却后的冷却水又在冷却水泵的作用下流回到冷凝器中，与冷凝器进行热交换，如此不断循环。

在冷凝器中，经过压缩机压缩的高压高温制冷剂气体被冷却水冷却成液态制冷剂。

由热力学原理可知，之所以会发生冷凝是因为蒸气的饱和温度Th与换热管壁面温度Ta不一样。

如果Ta>

Th，那么将不会发生冷凝过程。

为了保证冷凝器内冷凝过程的发生，应防止管壁温度大于蒸气饱和温度情况的发生，即保证冷凝器出水温度小于制冷剂饱和温度。

2.冷却水系统变流量运行的必要性

水冷式冷水机组的冷却水流量通常是按照满载负荷时的散热量设计的。

因此，冷却水系统的额定流量通常是所需的最大流量。

而在中央空调系统的实际运行中，大多数时间都是运行在在部分负荷的工况下。

因此，冷却水流量也应该以变流量的方式运行。

由于冷却水系统和冷水系统在热力学上是相关的，因此当冷树机组和冷水循环都能够随动跟踪负荷变化，而冷却水系统继续保持固定流量的话，那么将会导致整个制冷系统运行不协调，白白浪费大量的电能。

通常冷凝热等于空调系统制冷量与压缩机机械功之和，冷却水排走的冷凝热为：

管道霜冻，冷水机组甚至不能开机。

可见，冷却水系统定流量运行方式下，当冷水机组负荷变化时，冷却水的温度也会发生变化，导致冷水机组无法工作在标准工况下，从而影响冷水机组的制冷效率，造成压缩机组能耗的浪费。

另外部分负荷时，冷却水系统的低效率运行也会导致能耗的浪费。

因此，冷却水变水量运行是十分必要的。

3.冷却水变流量运行的可行性

考虑冷却水系统变量运行的可