鄧 翔，薛 雪

（深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 前言

中央空調(diào)系統(tǒng)在創(chuàng)造舒適的室內(nèi)人工環(huán)境時(shí)，也消耗了大量的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)全年能耗可占建筑總能耗一半以上[1]。大型公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)負(fù)荷選取偏大，造成系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能效比偏低，導(dǎo)致能源浪費(fèi)[2]。在中央空調(diào)實(shí)際運(yùn)行中，可以通過采用中央空調(diào)節(jié)能運(yùn)行控制技術(shù)，提高中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低能源消耗量。

本文作者以深圳某在建的大型辦公建筑為研究對(duì)象，預(yù)測其中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻節(jié)能技術(shù)運(yùn)行時(shí)的全年負(fù)載率情況，并對(duì)其中央空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)進(jìn)行考核分析。

1 中央空調(diào)末端設(shè)備變頻原理

中央空調(diào)末端風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備具有流量與軸功率成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比的負(fù)載特性[3]。利用該特性，調(diào)節(jié)電機(jī)電源的頻率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)、水泵的流量和軸功率。中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際使用中大部分時(shí)間都是在非滿載的狀態(tài)下工作[4-5]。因此，通過風(fēng)機(jī)、水泵的降頻運(yùn)行，可以達(dá)到節(jié)能目的。

中央空調(diào)末端設(shè)備變頻主要通過PID控制實(shí)現(xiàn)。被控量的檢測信號(hào)（傳感器測得的壓力、溫度等值）反饋到變頻器后與設(shè)定值比較，并根據(jù)兩者的差值輸出指令調(diào)整電機(jī)頻率，直至達(dá)到預(yù)定控制目標(biāo)。

2 案例概況

2.1 建筑及其中央空調(diào)系統(tǒng)

該文選取的案例建筑位于深圳市南山區(qū)，共45層，單層層高4.5 m。大樓的空調(diào)冷源為4臺(tái)2 800 kW磁懸浮冷水機(jī)組，采用主機(jī)變流量，冷凍水泵變流量，末端變流量?？照{(diào)系統(tǒng)部分設(shè)備例如轉(zhuǎn)輪熱回收新風(fēng)機(jī)組為恒功率負(fù)載。

2.2 中央空調(diào)末端設(shè)備設(shè)計(jì)及節(jié)能目標(biāo)

大樓采用空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)E（單位為kW/t）作為評(píng)價(jià)空調(diào)末端系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)?？照{(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)E定義為：

其中，COP為空調(diào)系統(tǒng)末端能效比，其定義為：

其中，Q為機(jī)組實(shí)際制冷量；W為空調(diào)末端設(shè)備實(shí)際運(yùn)行總功率。

根據(jù)大樓的節(jié)能設(shè)計(jì)要求，中央空調(diào)系統(tǒng)末端冷量輸送能效指標(biāo)不大于0.2 kW/t。

3 中央空調(diào)末端系統(tǒng)節(jié)能分析

3.1 全年逐時(shí)冷負(fù)荷預(yù)測

大樓冷負(fù)荷采用DeST軟件進(jìn)行模擬評(píng)估。依據(jù)大樓的實(shí)際設(shè)計(jì)建造情況，模型主要參數(shù)設(shè)定如下：

（1）室外氣象數(shù)據(jù)采用深圳市典型氣象年模型。

（2）大樓方位、面積、維護(hù)結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)由大樓施工圖獲得。

（3）夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為（24±1）°C，相對(duì)濕度（50±10）%；不考慮冬季采暖。

（4）大樓每層的功能分區(qū)設(shè)定如圖1所示。辦公區(qū)和非辦公區(qū)由門連接，兩區(qū)域之間通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)為5次/h。辦公區(qū)與外部進(jìn)行滲透通風(fēng)，換氣次數(shù)為0.2次/h。

圖1 大樓功能分區(qū)

（5）大樓辦公時(shí)間為工作日08:30—17:30，空調(diào)提前半小時(shí)開啟并延后半小時(shí)關(guān)閉，故空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為工作日08:00—18:00。國家規(guī)定的法定節(jié)假日空調(diào)系統(tǒng)不運(yùn)行。

在DeST中建立的大樓模型如圖2所示。

圖2 大樓建模

大樓的全年逐時(shí)冷負(fù)荷模擬結(jié)果如圖3所示。大樓的全年冷負(fù)荷需求量峰值出現(xiàn)在6～9月份（3 625～6 652 h），逐時(shí)總冷負(fù)荷峰值主要在6 000～9 000 kW之間。全年的最大逐時(shí)冷負(fù)荷值約為11 400 kW。

圖3 大樓全年逐時(shí)冷負(fù)荷

3.2 冷水機(jī)組制冷量與負(fù)荷匹配分析

大樓冷負(fù)荷需求處于變動(dòng)中，冷水機(jī)組需根據(jù)實(shí)際情況選擇開啟臺(tái)數(shù)。由于冷水機(jī)組處于高負(fù)載率運(yùn)行時(shí)，冷水機(jī)組COP值相對(duì)較低，費(fèi)效比偏高[6]。故若單臺(tái)冷水機(jī)負(fù)載率高于90%時(shí)，若仍有空閑冷水機(jī)組，則額外開啟一臺(tái)。因此大樓冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)與大樓冷量需求之間的實(shí)際關(guān)系如表1所示。

表1 冷負(fù)荷需求與冷水機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)

根據(jù)大樓的全年逐時(shí)冷負(fù)荷需求變化情況，可以得出冷水機(jī)開啟臺(tái)數(shù)與對(duì)應(yīng)的累積運(yùn)行時(shí)間之間的關(guān)系如表2所示。由表2可知，全年大樓空調(diào)冷水機(jī)組的負(fù)載率變動(dòng)主要集中在22.5%-67.5%之間，即2—3臺(tái)冷水機(jī)運(yùn)行；4臺(tái)冷水機(jī)同時(shí)運(yùn)行所占時(shí)間不到8%。

3.3 空調(diào)末端能量輸送能效分析

根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵變頻特性，大樓空調(diào)末端設(shè)備的理論功率W與空調(diào)系統(tǒng)末端負(fù)載率L可以擬合成一元三次函數(shù)關(guān)系式：

由式（3）可得空調(diào)末端設(shè)備采用變頻控制后，末端冷量輸送能效指標(biāo)E（kW/t）與冷水機(jī)組負(fù)載率L之間的關(guān)系。

表2 冷水機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)及對(duì)應(yīng)累積全年運(yùn)行時(shí)間

大樓空調(diào)末端采用變頻控制和未采用時(shí)的末端冷量輸送能效指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著冷水機(jī)組負(fù)載率的提高，空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)不斷下降?？照{(diào)末端設(shè)備采用變頻控制時(shí)的冷量輸送能效指標(biāo)要整體顯著低于未采用變頻控制的情況。未采用變頻控制時(shí)，若冷水機(jī)組負(fù)載率小于45%，則無法滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)要求（≤0.2 kW/t）；采用變頻控制時(shí)，冷水機(jī)組負(fù)載率大于4.6%，即可滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)要求。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間為2 380 h，其中滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)要求的時(shí)間占96%，其空調(diào)末端冷量輸送能效比的全年數(shù)據(jù)加權(quán)平均值為0.05 kW/t。

4 結(jié)束語

結(jié)合深圳某在建的大型辦公建筑案例對(duì)空調(diào)末端設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析。結(jié)果證明，中央空調(diào)末端設(shè)備采用變頻運(yùn)行后，可顯著降低空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)；大樓全年大部分時(shí)間滿足空調(diào)末端冷量輸送能效指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。