中央空調(diào)節(jié)能和降低能耗的探討
隨著人們對節(jié)能的意識的不斷增強，各類單位及個人采取了各式各樣降低中央空調(diào)的能耗的措施，但是從一般意義上來說，傳統(tǒng)的空調(diào)能耗降低的同時，也降低了人們的舒適感，因此以降低舒適感為代價的降耗行為并未能得到廣大的支持和全面的普及。如何才能在保障降低能耗的同時，又不降低舒適感，成為了目前空調(diào)節(jié)能的最大課題。本文就從以下幾個方面談一談如何節(jié)能和降低中央空調(diào)的能耗。
在當(dāng)今的社會生活中，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，生活質(zhì)量的不斷提高，空調(diào)的使用已經(jīng)成為人們生活和工作中的一項重要組成部分，在目前的許多建筑中都設(shè)置安裝了空調(diào)，環(huán)境是改善了，但付出的代價卻是能耗。在多種的耗能設(shè)備中，空調(diào)所消耗的能量比例占到建筑總能耗的60%以上，根據(jù)相關(guān)研究：以空調(diào)制冷模式為例，溫度設(shè)定值每提高1度，能耗可達7%，因此降低空調(diào)的能耗，將是人們面臨巨大而又艱巨的任務(wù)。
一、中央空調(diào)的節(jié)能
（一）通風(fēng)空調(diào)對人體的影響
由于建筑物的密閉性逐漸增加，裝修檔次也越來越高，從而導(dǎo)致室內(nèi)污染物的滯留量增加及延長停留時間。如煙霧、病菌及從家具、墻面、地毯和油性漆中散發(fā)出的多種致病化學(xué)物質(zhì)，加上通風(fēng)換氣量的明顯不足，空氣在室內(nèi)循環(huán)造成室內(nèi)空氣品質(zhì)嚴重不合格。如何才能有效地解決空調(diào)房間存在的空氣品質(zhì)問題，已引起人們的廣泛關(guān)注。
通過通風(fēng)換氣向室內(nèi)提供大量新鮮空氣，是改善空氣質(zhì)量的有效措施。但同時意味著新風(fēng)負荷的增加；另外利用增加新風(fēng)量和排風(fēng)進行熱交換也可以解決這一問題，同時可以減少空調(diào)的部分運行耗能。在房屋建筑熱工設(shè)計時，為了能達到房間內(nèi)有舒適的微氣候，需要恰當(dāng)?shù)乩梅课輫o結(jié)構(gòu)的熱工特性以抵御室外氣候的變化。除此之外，還有規(guī)劃設(shè)計、系統(tǒng)方案、太陽輻射和能源利用等幾個方面。
（二）內(nèi)外部條件的運用
1、圍護結(jié)構(gòu)的運用
圍護結(jié)構(gòu)包括外圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)。外圍護結(jié)構(gòu)包括屋面、外墻和窗戶等，內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)系指室內(nèi)地面、天棚、內(nèi)隔墻等。在北方采暖建筑中，圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失占總熱損失的比例很大，如北京地區(qū)，通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失占全部熱損失的77%，在沈陽地區(qū)，占65%左右。由此可見，改善圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能對暖通空調(diào)節(jié)能有著很重要的作用。
2、規(guī)劃設(shè)計的重要
建筑的規(guī)劃設(shè)計是建筑節(jié)能設(shè)計的重要指導(dǎo)，規(guī)劃節(jié)能設(shè)計需要從地址選擇、功能分區(qū)、建筑和道路布局走向、建筑物朝向、體形、間距、季節(jié)性尤其冬季主導(dǎo)風(fēng)向、太陽輻射、建筑外部空間環(huán)境等方面進行規(guī)劃布局。主要為優(yōu)化建筑物微氣候環(huán)境，重點考慮利于節(jié)能，充分重視利用太陽能及冬季主導(dǎo)風(fēng)向、地形地貌的自然優(yōu)勢。節(jié)能規(guī)劃設(shè)計就要分析構(gòu)成環(huán)境小氣候的決定因素，即輻射因素、大氣環(huán)境因素和地理因素的不同影響因素，通過建筑師的規(guī)劃布置，認真分析、充分論證，利用現(xiàn)有條件和改造不利因素，以形成良好的、利于節(jié)能的微氣候環(huán)境。
3、合理的系統(tǒng)設(shè)計方案
〈1〉選擇合理的冷熱源設(shè)備。在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)備的合理選型是影響空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵因素，合理配置中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源對節(jié)能和能源合理利用至關(guān)重要。中央空調(diào)系統(tǒng)常用的冷熱源配置方式有水冷冷水機組加鍋爐系統(tǒng)、熱泵機組和溴化鋰吸收式機組等。如：溴化鋰機組的能效比（制冷量/消耗的熱量）比較低，省電但并不節(jié)能適用于有廢熱和余熱的地方，如熱電廠等附近。
〈2〉利用蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。在經(jīng)濟發(fā)展不平衡的地區(qū)，很大程度上地存在著電負荷峰、谷差別較大的情況，在用電高峰時電力供應(yīng)不足，而在低谷用電時供應(yīng)過剩的浪費。在實施電力峰、谷電價的地區(qū)，就可以采取低電價時段采用冰蓄冷系統(tǒng)將水制成冰來儲存冷量，高電價時段再將冷量釋放出去，這會對整個電力負荷的移峰補谷工作起到很好的效果，并能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟社會效益。
〈3〉變頻技術(shù)的充分利用。變頻技術(shù)在現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)的使用中成為一種必然性，不僅能有效地改造空調(diào)系統(tǒng)的某些不足，還能較大地降低能耗、節(jié)省運行費用。采取變頻技術(shù)的主要原因是：
A、設(shè)計人員在進行設(shè)備選型時，通常會預(yù)留一定的富裕量，事實上設(shè)備很少會在全負荷下運行，甚至不可能出現(xiàn)全負荷運行的情況。
B、建筑物由于使用環(huán)境的變化，負荷也會發(fā)生相應(yīng)的變化。
C、建筑物的實際負荷會隨著室外氣候的變化而產(chǎn)生波動。正常情況下，空調(diào)設(shè)備只能按設(shè)備的額定功率運行。當(dāng)負荷降低時，設(shè)備仍以額定功率全負荷輸出運行。這就必然造成能量的浪費。如果使用變頻技術(shù)（VRV），使空調(diào)設(shè)備的輸出功率隨著負荷的增減而變化，就會起到明顯的節(jié)能效果。根據(jù)空調(diào)負荷狀況，來改變水流量或風(fēng)流量從而有效地實現(xiàn)節(jié)能。變風(fēng)量（VAV）空調(diào)系統(tǒng)是通過末端裝置來補償室內(nèi)負荷的變動，調(diào)節(jié)室內(nèi)送風(fēng)量以維持室溫。變水量系統(tǒng)（風(fēng)機盤管）是通過水量控制的方法來調(diào)控溫度的。通過對水量、風(fēng)量及主機的變頻控制調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)所需空調(diào)負荷的用時匹配，使其達到節(jié)能的目的。
4、再生能源的應(yīng)用
可再生能源具有資源豐富、無污染、清潔安全、資源取之不盡可再生的優(yōu)勢，因此在能源日益短缺的今天，盡量利用再生能源是很有必要的；如：太陽能的利用、地下水的利用、自然風(fēng)和土壤能源的利用、及海洋能的利用等。
二、中央空調(diào)能耗的降低的探討
暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計本身也是降低能耗的重要措施，節(jié)能的設(shè)計必須根據(jù)工程具體情況，對空調(diào)運行季節(jié)進行全方位、全過程的分析，找出一個合適的方案，使空調(diào)系統(tǒng)在不同的室外氣候參數(shù)或室內(nèi)狀況下都可以經(jīng)濟、合理、正常地運行，就如同前述，這里就不再復(fù)述，下面就從中央空調(diào)的控制系統(tǒng)方面談一談能耗的降低。
1、中央空調(diào)控制的原理
由于要滿足客戶的最大需求，一般中央空調(diào)都按最高負荷的120%設(shè)計，但是，實際應(yīng)用中，中央空調(diào)有多半時間的實際負荷不到最大負荷的一半，中央空調(diào)冷（熱）量按末端負荷需求，即采用變頻器對冷凍（卻）水泵、風(fēng)扇調(diào)速，低負荷狀態(tài)時相應(yīng)降低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能。由于空調(diào)冷凍水的出回水溫差直接反映了空調(diào)的負荷變化，因此可通過檢測冷凍水的出回水溫差來調(diào)節(jié)冷凍（卻）水流量。由于中央空調(diào)存在非線性、大滯后的時變特征，目前傳統(tǒng)的控制方式為多模態(tài)模糊PID，利用變頻技術(shù)，降低負荷；比較出回水溫差與設(shè)定溫差調(diào)節(jié)比例閥開度；測量人流量，使中央空調(diào)系統(tǒng)末端能及時調(diào)節(jié)出經(jīng)濟并舒適的環(huán)境狀態(tài)等。 目前采用的溫差控制方案，多是采集蒸發(fā)器同一時刻的出水和回水側(cè)溫度，而事實上冷凍水的出水溫度要經(jīng)過一個冷凍水循環(huán)后，其溫度變化才能在回水中反映出來。換言之，所測回水溫度實際上是一個循環(huán)（通常為十幾分鐘）前空調(diào)冷凍出水與空調(diào)負荷相互作用的結(jié)果，它反映的是一個冷凍水循環(huán)周期之前的工況。同時，所采用的溫差控制方案未涉及實時室溫，實時室溫的引入有助于控制品質(zhì)的改善；監(jiān)測無人房間，消除向無人房間供冷（熱）能進一步挖掘中央空調(diào)降耗的潛能，而且預(yù)測用戶側(cè)負荷時扣除無人房間因素，亦利于預(yù)測精度的提高。
2、智能控制系統(tǒng)設(shè)計
鑒于上述原因，若能開發(fā)出一套實時監(jiān)視自動調(diào)節(jié)的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動識別人的存在，并能實時監(jiān)視房間溫度，據(jù)此靈活調(diào)節(jié)泵機、風(fēng)扇，在保障溫度得到及時穩(wěn)定的調(diào)節(jié)的同時，將能耗降到最低，這樣既實現(xiàn)了舒適感又達到了節(jié)能的目的。
該系統(tǒng)通過傳感器采集的冷凍出回水溫度、冷凍水流量、冷凍水系統(tǒng)壓力、冷卻水出回水溫度、冷卻水流量、冷卻水系統(tǒng)壓力，以及通過室溫及人體傳感系統(tǒng)采集房間實時室溫、無人房間等信息輸入中央空調(diào)總控系統(tǒng)；中央空調(diào)總控系統(tǒng)計算出各水泵和冷卻塔風(fēng)扇的控制參數(shù)，依次輸出給冷凍水變頻器、冷卻水變頻器和冷卻塔風(fēng)扇變頻器，計算出的運行參數(shù)輸出給空調(diào)主機。
3、室溫及人體傳感系統(tǒng)
室溫及人體傳感系統(tǒng)是通過菲涅爾透鏡將人體輻射的紅外線聚集到熱釋電紅外傳感器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷翰⒂尚盘栒{(diào)理電路處理，處理后的信號由無線發(fā)送模塊發(fā)送，檢測無人房間。
室溫采集和無人房間檢測通過無線網(wǎng)絡(luò)采集。無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器、終端三類節(jié)點組成；一個無線網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負責(zé)整個無線網(wǎng)絡(luò)的組建以及與上位機的通信；路由器負責(zé)喚醒終端、對終端上傳的數(shù)據(jù)進行融合，通過各個路由器之間的跳躍接力將信息傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口傳輸至上位機；終端分布在各房間，采集房間的溫度并發(fā)送給路由器。位于房間門口的路由器通過菲涅爾透鏡檢測房間是否有人：若有人，菲涅爾透鏡通過信號調(diào)理電路產(chǎn)生一個高電平，路由器向終端發(fā)送溫度采集命令，接收到喚醒信息后，終端通過溫度傳感器采集房間的溫度，定時上傳至路由，路由通過數(shù)據(jù)融合算法計算出房間的當(dāng)前溫度，再上傳至上位機；若無人，則菲涅爾透鏡通過信號調(diào)理電路產(chǎn)生一個低電平，路由不向終端發(fā)出任何指令；房間內(nèi)最后一人離開時，菲涅爾透鏡通過信號調(diào)理電路之后產(chǎn)生一個從高電平到低電平的電平跳變，如果十分鐘后房間仍無人進入，路由向終端發(fā)出停止采集的命令，終端重新進入休眠狀態(tài)狀態(tài)。
4、冷凍（卻）水系統(tǒng)的控制
冷凍水系統(tǒng)通過蒸發(fā)器兩端的溫度反饋至溫差調(diào)節(jié)器，再由溫差調(diào)節(jié)器采用模糊控制計算出冷凍水流量調(diào)節(jié)量，作用于冷凍水泵變頻器，調(diào)節(jié)冷凍水泵工作頻率，從而減少冷凍水泵運行的目的。
冷卻水系統(tǒng)的控制類似于冷凍水系統(tǒng)的控制，也是通過冷凝器兩端的溫度反饋至溫差調(diào)節(jié)器，再由溫差調(diào)節(jié)器根據(jù)時間關(guān)系計算出冷卻出回水實時溫差，從而計算出冷卻水流量調(diào)節(jié)量，作用于冷卻水泵變頻器，達到調(diào)節(jié)冷卻水泵工作頻率頻率的目的。
三、結(jié)語
通過上述分析，隨著環(huán)保節(jié)能技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用正在擴大和普及，而空調(diào)的耗能又是巨大的，應(yīng)從設(shè)計、運行等方面考慮節(jié)能，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的總體節(jié)能水平。在節(jié)省能源、保護環(huán)境的大前提下，要采取各種節(jié)能措施，降低空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗和費用。
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