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摘要：在一些较为久远的建筑里，其大多数的空调设备都已老化，由于以前的技术水平不高和长期的运行造成了磨损，这些建筑的空调系统效率较为低下，经常发生故障事故。如何在对设备进行改造时融入节能的理念，是工程师们必须考虑的问题。本文结合某建筑物空调系统节能改造实际工程，对几种技术的改造进行比较，论证其在节约能源和环境保护方面的显著效果。
关键词：空调系统；节能；技术
1 空调系统节能技术
某建筑物为 28层，建筑面积 48700m2，中央空调面积34000 m2，原设计采用2 台4t/h 的燃油锅炉作为整幢建筑的冬季采暖和生活热水热源，采用3台1758kW 螺杆冷水机组为夏季制冷。客房末端为风机盘管和风柜，冬季采暖热水口进出口温度为 35℃/42℃，夏季制冷冷冻水进出口温度为15℃/8℃，燃油锅炉、冷水机组等附属设备均位于地下 1 层内，冷却塔位于28层。年耗柴油 480t，运行费用计408万元，全年耗电量630万kWh，产生费用560万元。出于节能、环保等方面因素的考虑，对空调系统进行改造，对蓄冷空调技术、固体蓄热技术、空气源热泵集中供热技术等 3 种方案进行对比分析，最终确定该建筑的空调系统节能改造技术方案。
1.1 冰蓄冷空调技术
冰蓄冷空调技术是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冰，将冷量以冰的方式储存起来，在电力负荷较高的白天，把储存的冰量释放出来，满足建筑物空调负荷的需要，冰蓄冷技术是“平衡用电负荷”的有效方法。
该系统需在原有3台制冷量为1700kW冷水机组上，新增1套冰蓄冷空调系统，包含冰蓄冷双工况主机（蓄冰工况和空调工况）、蓄冰槽、冰蓄冷板换、乙二醇水泵、负载泵及自控系统。系统采用部分负荷蓄冰，制冷主机与蓄冰系统串联，串联系统主机上游的形式，提高了主机的运行效率，通过控制阀门开断控制系统准确运行，系统原理图如图1所示。
图 1 冰蓄冷空调系统原理图
根据建筑物逐时空调负荷情况的不同，系统有4种运行方式，即：1）22：00~8：00，该地区的电力低谷期，双工况机组蓄冰，乙二醇溶液在双工况机组和蓄冰设备之间循环，通过低温的乙二醇溶液将蓄冰设备内的水制成冰；2）电力平峰期，双工况机组单独供冷，蓄冰设备与系统隔离开，双工况主机在空调工况运行，通过板式换热器向空调系统提供冷冻水；3）负荷较低时段，蓄冰设备单独供冷，避免了在电力高峰期内开启主机以及主机的低效运行，该时段，蓄冰设备的总融冰供冷量为空调系统负荷的全部；4）空调冷负荷较大时段，双工况机组和蓄冰设备联合供冷，双工况机组处于空调工况，双工况机组出口的乙二醇和蓄冰设备融冰后的乙二醇溶液混合进入板换。
双螺杆式双工况机组的制冷量为1470kW，当机组在空调工况下时，输出能量为1470kW，当机组在蓄冰工况时，输出能量为958kW。
系统夏季末端侧供水温度为7/12℃，板换一次侧供水温度为4/10.5℃，二次侧供水温度7/12℃。并且在相同的负荷条件下，板式换热器的进出口处乙二醇溶液的温差较大，溶液的流量较小，乙二醇循环泵较小，系统的设备投资和运行费用相对较少。
1.2固体储热技术
固体蓄热技术即自储热电锅炉是利用午夜后低谷电将储热介质（RHM）加热到数百度高温储存热量，非低谷时通过自控装置将热量按需要释放，根据用户的需要并参考环境温度自动地快捷灵敏地控制锅炉出水温度，充分利用低谷电给提供生活热水，也是“平衡用电负荷”的有效方法。
自储热电锅炉系统是一种新型的电储热系统，采用高密度铁基合金作为储热材料，将加热、储热、取热、换热及控能功能组合在一台无压的一体化结构内，形成一个可储、可取、可控的系统，系统结构图如图2所示。它包含内外循环2个系统，内循环系统由储能材料、加热器、取热器、高效换热器、储液罐、智能控制器和换热器组成，外循环系统由高效换热器、换热器、外部管道和散热器组成，2个系统通过高效换热器和换热器相互传递热量。
图 2 自储热电锅炉结构图
储热时，利用加热器将储热材料进行加热，取热时由取热器中的介质将热量取出后，传送至高效换热器，进行热交换后加热外部管道中的介质传递至散热器，进行个供暖或供给生活热水。其中，4块固体蓄热模块每天在谷电时段蓄热10h，每块模块的蓄热量为1550kWh，总计蓄热量为6220kW h，总蓄热功率为620kW。
它代替原来的燃油电锅炉，与设备间已有的容积式换热器连接，在 22：00~8：00用电低谷期，开启自蓄能电锅炉，储热材料储热。白天蓄能电锅炉停止用电，取热水时先将容积式换热器中贮存的热水送至用户，冷水补充到容积式换热器后温度会降低，此时开启循环泵，将蓄能装置中蓄存的热量传递至容积式换热器中加热热水，在热水用水高峰期，全力放热，最大放热能力可达 1500kW，如此循环可始终保持容积式换热器的热水稳定55℃。
1.3 空气源热泵集中供热技术
空气源热泵集中供热技术是利用空气中蕴含的大量低品位的热量，通过少量的电能，将其转化为高品位的热能，投入1kW 的电能可得到3 ～4kW的热能。
空气源热泵机组的性能与室外气候有直接的关系，空气源热泵冷水机组供冷能力随室外温度的升高而降低，机组消耗功率随室外环境温度的升高而增加；空气源热泵热水机组的制热特性复杂，和盘管表面温度与空气温度有直接关系，当盘管表面温度低于空气露点温度时，空气结露，盘管表面发生相变换热，有利于提高热泵机组的制热能力，但当盘管表面温度低于空气冰点温度（0℃以下）时，同时空气中的相对湿度达到某一程度，盘管表面结霜，如不及时化霜，霜层会越结越厚，影响空气实际流通量，阻碍了盘管上的热交换，重者会结冰，压缩机出现低压保护停机。因此，必须定时化霜，目前多采用反向循环来化霜。
为满足5600kW 热负荷的用电需求，本系统选择 5 台理论制热量为 1134kW 的 30XQ—1160空气源热泵机组，其具有高效、运转宁静、环境领先、安装便捷、品质可靠等优点。为使投资利益最大化，节约成本，将原有燃油锅炉供热系统作为空气源热泵供热系统的备用系统。
系统中通过负荷确定供热管道的流量，从而确定各管段的直径。设计流量G为：
（1）
式中：Q—设计热负荷，取 Q = 3925kW；c—水的质量比热：t1—热网供水温度，取 t1= 50℃；t2—热网回水温度，取t2= 45℃。
代入数据，得：G =810m3/ h。
查《供热工程》，可得循环水主干线管径选为D426X7，平均流速为 1.74m / s，平均比摩阻为72.4Pa /m。由以上计算，可选得供热循环水泵，其规格为：设计工况点流量为 810m3/ h，设计工况点扬程为 20m，配套电机参考额定功率为 55kW，水泵效率大于 75%，为单级双吸泵，由选定的热泵机组可知，热泵压缩机最大运行电流为 397A 和485A，由此选择电缆，分别为 NH—YJV22—0.6 /1.0kV 3X185 + 2 X 95 和 NH—YJV22—0.6 /1.0kV3 X240 +2 X140。
该系统不设锅炉，机房占地面积小，不用消耗煤炭、石油、天然气等宝贵的一次性不可再生资源。它制热理论工况为：热水进/出水温度为 40℃ /45℃，环境干球温度为 7℃，湿球温度为 6℃。
2 方案对比
以工程节能改造工程为实例，从投资概算、运行费用、静态投资回报期、占地面积等方面对 3 种技术方案进行了计算分析，结果如表 1 所示。
可以看到，固体蓄热系统投资概算低，运行费用也低，投资回报期较短，设备占地面积也少，但是，它只能解决冬天采暖和生活热水热源，夏天制冷就需要另外设计制冷系统；冰蓄冷空调系统投资概算相对较高，系统运行费用也很高，所以，系统静态投资回报期较长，并且系统占地面积很大；空气源热泵供热系统尽管前期投资概算较高，但其改造后运行费用相对较低，静态投资回收期相对较短，而且能实现一机三用，为冬季采暖、夏季制冷、全年提供生活热水。
表 1 不同方案经济效益分析对比表
项目 空气源热泵供热系统 冰蓄冷系统 固体蓄热系统 投资概算/万元 1010.2 332.6 195.0 原系统运行费用/万元 408.0 152.9 165.0 改造后运行费用/万元 133.9 132.4 87.7 节约费用/万元 274.1 20.5 77.3 静态投资回收期/a 3.7 5 2.5 设备占地面积/m 167.0 240.6 25.5 设备布置位置 室外 地下室 地下室
另外，空气源热泵集中供热系统适用范围广，适用温度范围在 －10～40℃，可连续加热，适合各类热水工程使用，可实现无人值守，全自动运行，运行成本低，节能效果突出，空气源热泵可节省 70%的能源，与燃气、电和电辅助加热的太阳能热水器相比，是燃气热水器的 1/2 左右、电热水器的 1/3左右；环保型产品，无任何污染，无任何燃烧外排物，不会对人体造成损害，具有良好的社会效益；方便，空气源热泵占地空间小，外形与空调室外机相似，可直接保温水箱或与工暖管网连接，适合大中城市的高层建筑；安全性能好，无任何漏电、漏气安全隐患；使用寿命长、维护费用低，使用寿命长达15a 以上，设备性能稳定，运行安全，自动化程度高。最终综合考虑选择空气源热泵集中供热技术作为空调系统的节能改造方案。
3 结束语
空气源热泵集中供热系统投入使用后，经过1a 左右的运行，运行状况稳定，使用效果良好，经过测算，同样效果下运行费用降低 30%，节能效果显著，达到了预期设计的目标。
论文作者:石章杆
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/16
标签：系统论文; 双工论文; 空气论文; 蓄热论文; 机组论文; 温度论文; 换热器论文; 《基层建设》2015年12期论文;