中央空調末端設備變頻節能效果預測與分析

鄧 翔，薛 雪

（深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 前言

中央空調系統在創造舒適的室內人工環境時，也消耗了大量的能源。據統計，大型公共建筑的中央空調系統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系統通常設計負荷選取偏大，造成系統實際運行能效比偏低，導致能源浪費[2]。在中央空調實際運行中，可以通過采用中央空調節能運行控制技術，提高中央空調節能系統運行效率，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象，預測其中央空調系統采用變頻節能技術運行時的全年負載率情況，并對其中央空調末端冷量輸送能效指標進行考核分析。

1 中央空調末端設備變頻原理

中央空調末端風機、水泵類設備具有流量與軸功率成正比、軸功率與轉速的三次方成正比的負載特性[3]。利用該特性，調節電機電源的頻率可以改變電機的轉速，進而改變風機、水泵的流量和軸功率。中央空調系統實際使用中大部分時間都是在非滿載的狀態下工作[4-5]。因此，通過風機、水泵的降頻運行，可以達到節能目的。

中央空調末端設備變頻主要通過PID控制實現。被控量的檢測信號（傳感器測得的壓力、溫度等值）反饋到變頻器后與設定值比較，并根據兩者的差值輸出指令調整電機頻率，直至達到預定控制目標。

2 案例概況

2.1 建筑及其中央空調系統

該文選取的案例建筑位于深圳市南山區，共45層，單層層高4.5 m。大樓的空調冷源為4臺2 800 kW磁懸浮冷水機組，采用主機變流量，冷凍水泵變流量，末端變流量?？照{系統部分設備例如轉輪熱回收新風機組為恒功率負載。

2.2 中央空調末端設備設計及節能目標

大樓采用空調末端冷量輸送能效指標E（單位為kW/t）作為評價空調末端系統的節能指標?？照{末端冷量輸送能效指標E定義為：

其中，COP為空調系統末端能效比，其定義為：

其中，Q為機組實際制冷量；W為空調末端設備實際運行總功率。

根據大樓的節能設計要求，中央空調系統末端冷量輸送能效指標不大于0.2 kW/t。

3 中央空調末端系統節能分析

3.1 全年逐時冷負荷預測

大樓冷負荷采用DeST軟件進行模擬評估。依據大樓的實際設計建造情況，模型主要參數設定如下：

（1）室外氣象數據采用深圳市典型氣象年模型。

（2）大樓方位、面積、維護結構等數據由大樓施工圖獲得。

（3）夏季室內空調設計溫度為（24±1）°C，相對濕度（50±10）%；不考慮冬季采暖。

（4）大樓每層的功能分區設定如圖1所示。辦公區和非辦公區由門連接，兩區域之間通風換氣次數設為5次/h。辦公區與外部進行滲透通風，換氣次數為0.2次/h。

圖1 大樓功能分區

（5）大樓辦公時間為工作日08:30—17:30，空調提前半小時開啟并延后半小時關閉，故空調系統實際運行時間為工作日08:00—18:00。國家規定的法定節假日空調系統不運行。

在DeST中建立的大樓模型如圖2所示。

圖2 大樓建模

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

圖3 大樓全年逐時冷負荷

3.2 冷水機組制冷量與負荷匹配分析

大樓冷負荷需求處于變動中，冷水機組需根據實際情況選擇開啟臺數。由于冷水機組處于高負載率運行時，冷水機組COP值相對較低，費效比偏高[6]。故若單臺冷水機負載率高于90%時，若仍有空閑冷水機組，則額外開啟一臺。因此大樓冷水機組運行臺數與大樓冷量需求之間的實際關系如表1所示。

表1 冷負荷需求與冷水機運行臺數

根據大樓的全年逐時冷負荷需求變化情況，可以得出冷水機開啟臺數與對應的累積運行時間之間的關系如表2所示。由表2可知，全年大樓空調冷水機組的負載率變動主要集中在22.5%-67.5%之間，即2—3臺冷水機運行；4臺冷水機同時運行所占時間不到8%。

3.3 空調末端能量輸送能效分析

根據風機、水泵變頻特性，大樓空調末端設備的理論功率W與空調系統末端負載率L可以擬合成一元三次函數關系式：

由式（3）可得空調末端設備采用變頻控制后，末端冷量輸送能效指標E（kW/t）與冷水機組負載率L之間的關系。

表2 冷水機運行臺數及對應累積全年運行時間

大樓空調末端采用變頻控制和未采用時的末端冷量輸送能效指標對比結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著冷水機組負載率的提高，空調末端冷量輸送能效指標不斷下降。空調末端設備采用變頻控制時的冷量輸送能效指標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，若冷水機組負載率小于45%，則無法滿足空調末端冷量輸送能效指標要求（≤0.2 kW/t）；采用變頻控制時，冷水機組負載率大于4.6%，即可滿足空調末端冷量輸送能效指標要求。

根據統計結果，空調系統全年運行時間為2 380 h，其中滿足空調末端冷量輸送能效指標要求的時間占96%，其空調末端冷量輸送能效比的全年數據加權平均值為0.05 kW/t。

4 結束語

結合深圳某在建的大型辦公建筑案例對空調末端設備運行情況進行分析。結果證明，中央空調末端設備采用變頻運行后，可顯著降低空調末端冷量輸送能效指標；大樓全年大部分時間滿足空調末端冷量輸送能效指標設計要求。