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    九成中央空調制冷機房運行能效在3.5以下,如何提高能效?

    2023-03-31 13:51:25 來源: 舒適100網 分類:中央空調
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    近年來,隨著雙碳戰略的實施,中央空調技術逐漸從機組本身節能向系統運行節能轉變。

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    在公共建筑中,暖通空調能耗通常占總能耗50%以上,經實地測試,90%以上的中央空調制冷機房運行能效(不含末端能耗)在3.5以下,與高效機房水平尚有較大的差距。

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    在國內,目前尚無中央空調系統能效等級的相關國家標準,而在美國、新加坡等地,高效機房技術發展較早。

    新加坡作為全球范圍內對于綠色建筑要求最高的國家之一,對于總裝機>500Rt的空調系統,最高“鉑金級”要求全年制冷機房平均能效高于5.41;美國供暖、制冷與空調工程師學會ASHRAE定義全年平均能效高于5.0的中央空調機房為高效制冷機房。

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    一、低效制冷機房的主要問題

    制冷機房能耗包括冷水機組、冷水泵、冷卻水泵以及冷卻塔等部分,是多個子系統與多個參數耦合影響的復雜系統,其運行能效水平與系統設計、設備能效、水系統阻力、系統控制策略等關系密切,對設計和運維管理的整體專業性要求很高。

    低效空調系統首先體現在“量”的不適配,系統能力輸出和負荷需求不適配。

    對于冷機而言,傳統制冷機房設備選型往往只考慮額定工況制冷能力,且留有較大余量,冷負荷甚至長期達不到設計冷量,出現類似“大馬拉小車”的過量供冷,造成冷量浪費及運行能效低下。

    對于水系統而言,由于管路熱慣性、管網水力不均勻等原因,在部分負荷下往往出現過量供冷水,供回水溫度較低的情況,導致輸配能耗的浪費。

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    空調系統的低效運行還體現在“質”的不適配,比如設計水溫與實際需求不適配,壓比與工況需求不適配,冷水機組長期運行于非高效區等問題,造成綜合能效較難提升。

    二、高效機房主要實現方法

    高效設備并不意味著運行節能,高效制冷機房需要徹底革新,需要擁有全新的理念:

    1)通過建筑實際使用中長期積累的運行能效進行評價;

    2)按需定制開發滿足適配性的高效設備;

    3)注重考量在設計、建造、運維的全生命周期,獲得合理的投入與節能收益。

    從系統適配性設計、管路降阻設計、智能控制與調適等多方面進行精細化管理,盡最大可能提升制冷機房運行能效,從而實現節能與經濟效益的最大化。

    01、全工況高效設備

    高效設備是系統高效運行的基礎。為了提升全工況系統能效,需要在水系統主要設備選型時采用全工況高效設備。而冷水機組是空調水系統最核心設備,需要根據建筑負荷工況需求,合理配置變頻冷機。

    變頻離心機壓比與能力屬于同向耦合調節,并不能解耦獨立調節,適用于負荷隨季節變化的場合,比如舒適性空調。

    而隨著永磁變頻電機及控制,磁懸浮、氣懸浮等無油軸承,離心機壓縮機氣動效率提升等節能技術的發展,冷機全年綜合能效得到大幅度提升,離心機各環節的效率基本已趨近極致。如果沒有新的理論突破,進一步提升機組能效已比較困難。

    而變頻變容螺桿機實現能力與壓比完全解耦調節,即可滿足小負荷、高壓比(降轉速、延遲排氣),又可實現大負荷、低壓比(升轉速、提前排氣)工況,在寬工況范圍內保持較高效率。

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    通過磁懸浮離心機、永磁變頻螺桿機全工況能效對比,可以看出,在“大負荷、高壓比”區域,兩者性能相當;在“小負荷、低壓比”區域,永磁變頻螺桿機性能優勢明顯,COP提升10%~25%,綜合能效IPLV高出8%~10%。

    除冷水機組外,所有水系統主要設備均建議采用永磁變頻、直驅等節能技術,如風機盤管、冷卻塔、組空機組、變頻水泵等設備能效均可明顯提升。

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    水系統變頻設備對比表

    02、系統適配性設計

    為了實現整個系統的全局能效最優,需要基于建筑負荷工況需求研發精準適配的設備,適配參數包括冷量、溫度、壓比、高效區等四個方面。通過能耗仿真、大數據分析等技術手段,使空調系統從“量”和“質”等方面實現與負荷工況需求的適配。

    冷量屬于“量”的概念,較容易實現適配,應對建筑全年負荷、室外溫濕度等運行參數進行深入分析,優化系統設計,合理配置全工況范圍尤其是低負荷運行下的冷機選型及控制策略,盡量節約低負荷運行能耗,實現空調系統能力輸出與負荷需求的適配。

    溫度、壓比、高效區屬于“質”的概念,往往被忽視,在不同地域、應用場合及氣候條件下,需求有所不同,適配實現起來更復雜。

    為實現系統全局優化設計,可基于系統全年能耗仿真方法,對設計方案的節能和經濟性開展評估,從而選擇冷凍供回水溫度、冷卻側供回水溫度的最佳設計值。

    綜合考慮空調系統全工況運行的情況,結合變頻離心機、變頻變容螺桿機各自的優勢,進行合理的冷水機組組合配置,以調節能力輸出與運行壓比,降低能耗,實現在全工況范圍內冷機壓比與工況需求的適配。

    3臺650RT永磁變頻離心機與1臺300RT永磁變頻螺桿機組合運行性能曲線(百分數為最佳切換冷機負荷率)

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    實現高效區適配,同樣需要依托永磁變頻、大數據等技術的應用,將全工況綜合能效最優為目標的全工況氣動設計方法取代傳統額定工況設計方法。

    通過分析不同建筑負荷、工況、時間等運行特性,定制化設計適應變轉速、寬負荷范圍的葉輪、擴壓器等氣動結構,拓展高效運行區,實現變頻壓縮機特性與空調設備全年運行特性的最優適配,達到全年運行節能的目的。

    此外,在管網降阻設計中,應精確核算和優化循環水網管長、流量、管徑、水流速、沿程阻力構件和局部阻力構件,可將BIM技術應用于制冷機房的設計、建造、運維中,盡最大可能降低水泵揚程,減少不必要的輸配能耗,實現水系統的壓比適配。通過管路降阻優化設計,可將水泵揚程從43m降為24m。

    03、水系統管路優化

    最后,由于中央空調系統屬于多子系統耦合復雜系統,單一控制某一參數無法實現整體空調系統節能效果最優,因此,需要基于全局能效最優仿真方法,定制中央空調系統節能運行控制的全局策略,才能真正實現空調系統運行的節能效果。

    普通冷水機房能耗高,系統穩定性差,不易管理。舒適100高效冷水機房系統采用高效冷水機組、高效水泵、水塔,優化管網阻力及精準、優化控制策略, 使冷水機組、水泵、冷塔等主要設備在各種負荷下高效運行,提升冷水機房系統整體能效,幫助實現節能環保低碳的目標。舒適100高效冷水機房系統解決方案可使冷水機房全年制冷綜合能效EER可達6.5。

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    舒適100高效冷水機房解決方案包括高效冷水機房設備、水溫優化控制策略、溫差優化控制系統、一次泵變流量系統、冷卻水優化與控制系統、管網優化低阻力系統、自動控制與能效管理系統與高精度計量與驗證系統等。

    三、總結

    提高空調系統運行特性與建筑負荷工況的適配性對于實現高效制冷機房至關重要。需要對應用場合的全年負荷工況進行深入分析,通過系統優化設計與設備定制化開發,滿足能力、品位、壓比、高效區的適配要求,真正實現“按需定制、精準適配”,提升系統運行能效。

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    高效制冷機房是一個復雜系統工程,首先要所有水系統提升全工作范圍能效;

    其次,需要在滿足室內熱舒適性前提下,基于適當的中溫大溫差工況進行系統設計,提升冷水機組能效并降低輸配能耗;

    再者,需要對管網進行精細化設計,降低輸配系統水阻及揚程;

    最后,通過智能控制系統進行優化控制、精準檢測計量、調適診斷,實現長期高效運行。

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    未來,隨著“雙碳”政策的實施,高效機房將是新建和改造空調系統項目的發展趨勢,市場發展必然朝著一體化的系統整體解決方案轉變。


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