空调系统变负荷节能问题探讨

【摘要】在暖通空调工程中，泵和风机消耗的能源占很大部分：供暖运行时能耗的15%^-25%为水泵电耗；空调运行时能耗的35%^-45%为风机、水泵能耗。在这部分风机、水泵能耗中，又有40%以上被各种调节阀门所消耗，如果能够将调节阀所消耗能量中的一部分节省下来，将具有重要意义。

【关键词】暖通空调；调节阀；工程设计

1.影响泵和风机能耗的主要因素

阀门的作用是增加系统阻力来消耗多余部分的压头来实现调节流量的目的。在暖通空调工程中，选择风机或水泵时，扬程必须按照最不利支路选择，由最远支路或用户要求的资用压头来确定。这一支路的流量可能仅为系统总流量的很小一部分，为了这一小部分流量选用大的扬程，其他流量也只好通过风机或水泵来达到同样的扬程，再由阀门消耗，造成浪费。

工程设计中还要考虑富裕量来保证实际情况发生各种变化时系统仍能够达到设计参数，一般为了保证在天气温度最高的情况下能满足要求，按最大负荷的15%取富裕量，为了消除富裕量也要靠截流阀和旁通阀调节，不可避免的产生较大的截流损失，同样造成浪费。外界环境的变化和不同的实际需求也会造成系统负荷的显著变化，使得整个系统在更多时间处于部分负荷状态，不仅浪费大量电能，而且可能造成空调冷暖不适，对设备带来不利影响。

2.几种调速方法的比较

调节风机、水泵转速的方法主要有液力耦合器法、变极调速法、降压调速法和变频调速法。

2.1液力耦合器

空调风机、水泵的转速调节可以通过电机转速调节或传动机构传动比调节两种途径来实现，其中传动比调节方案中主要使用液力耦合器，一般液粘调速离合器主要应用于大功率风机和水泵调速节电的场合以及某些军工产品等对成本控制要求相对较低的场合之中。

2.2变极调速

工业中常用的异步电机调速方法有变极调速、定子调压调速、定子串电阻或串电抗调速、转子串电阻调速、串级调速、双馈调速、变频调速等。其中鼠笼式异步电机主要采用变极调速、定子调压调速、定子串电阻和变频调速技术。

变极调速是通过改变异步机的同步转速来获得两个或多个转速，但这些转速是不连续的，即无法实现所谓的“无级变速”，而且电机要求定子绕组可以提供两种以上的极数，要改变定子绕组的内部接线，电机结构比较复杂。这种调速方式在空调风量调节中也得到了应用，由于转速不连续，所以系统性能和节能指标会打折扣。

2.3降压调速

一般来讲，定子降压或串电阻都使得电机的机械特性变软，而且过载能力随调速范围的增大而明显下降，同时由于理想空载转速恒等于同步转速，致使负载较轻时调速范围大幅度减小，因此在电机拖动恒转矩负载的场合，鼠笼式异步机的降压调速和定子串电阻电抗调速的性能是较差的，使用范围有限。

但是在空调风机的应用上，情况是比较特殊的，它使得鼠笼式异步机的降压调速能够得到良好的应用，该特点就在于风机流量、压差以及功率与转速之间的特定关系，在转速降低时，转矩和功率下降得更快。

2.4变频调速

变频调速通常由变频器和变频电机构成，是最新的异步电机的调速方式，这种调速方式效率高、系统运行性能好、节能效果最好，可以实现无级调速。

对于空调风机而言，其调速性能要求相对较低，因此可以采用不带速度反馈的变频调速系统，同时考虑到流量、压差以及功率与转速之间的线性、平方和立方关系，对压频比（变频器的输出电压和输出频率的比值）恒定的开环控制方式进行修正。将压频曲线配置在恒定压频比直线之下，保证在低速运行时电机的气隙磁通低于额定值，电机的最大转矩低于额定气隙磁通时的转矩，于是铁损耗较小，在部分负载时可以提供更高的效率。

连续改变供电电源的频率，即可连续平滑的调节电机的转速，这种方法称为变频调速，变频调速具有良好的调速特性。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机、水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因而变频调节是理想的调速方式。

3.风系统变负荷调节

一个空调系统风量的调节包括两个方面：各个空调分区的风量调节和整个空调系统的总风量调节。从控制方法上来说就是：各个空调分区根据实际需要调节自己的送风量；整个系统根据所有空调分区的总风量调节风机转速来改变总送风量。

3.1常用的风量控制方法

3.1.1定静压控制法

所谓定静压控制就是通过调节风机来保持风道上某一个点的静压值恒定不变。定静压控制的基本运行方式是，设定一个比较合适的静压值并在运行过程中不再改变该设定值。从理论上说，只要调节风机转速就能始终保持改点静压值不变，各个末端就能通过调节阀来实现各个空调区对流量的不同需求。

3.1.2变静压控制法

变静压控制是在定静压控制运行的基础上阶段性的改变静压设定值，以更好地适应当前流量的需求，尽量使静压保持允许的最低值，以节省风机能耗。

3.1.3总风量控制法

实际运行中各个末端的设定风量反映了该末端目前要求的送风量，所有末端设定风量之和则是系统当前要求的总风量，而系统总风量和风机转速是一个近似正比的关系。该控制法与静压控制的主要区别在于：定静压或变静压控制法均要设定一个静压点，通过调节风机转速而保持该静压点的压力值维持在一定范围，而总风量控制法则舍弃了静压点，不再监测调控静压点的压力值，而是直接统计各末端所要求送风量之和，根据总风量调节风机转速。

定静压控制简单，但风机能耗较高，末端阀位多处于偏小状态，相应带来噪声问题；变静压能够最大限度的节省风机能耗，但控制方法过于复杂，实现起来比较困难；而总风量控制法由于舍弃了静压点的监测，减少了风机的压力控制环节，使得控制形式简化，系统可靠性提高，总风量控制法在风机节能上介于定静压控制和变静压控制之间，更接近于变静压控制，但由于其控制方法更为简单，不会引起系统压力震荡，在更多的场合取代了静压控制。

3.2联动风阀设计

在“风机盘管空调器加独立新风机组”的中央空调系统设计中，由于采用独立新风系统，新风一般是集中处理后通过风管分送到各个空调区域空调器的出风处，在那里同风机盘管出风混合后送出；或分送到各个空调区域空调器的回风处，在那里同空调器回风混合，再经空调器处理后送出。各空调区域新风量一般依据卫生要求或规范标准要求，按人均最低新风量来送风。

在实际运行中，空调系统的负荷不断变化，每时每刻所需的新风量也是一个变量，如果送风量按照一定值设定就会造成能量的浪费。例如，某时刻某个空调区域会议室将停止使用，空调器冷冻水路被切断，但新风仍然向空调房间输送，使得新风机组的能耗并没有因为该空调区域停止使用而下降，造成能源的浪费。由于采用了联动风阀，使得各空调区在无人或不使用的条件下，切断送入该空调区的新风，进而减少了系统的总新风量，减少了新风负荷。利用总风量控制法计算出各个空调区末端的系统总送风量，并计算出合适的风机转速，采用变频技术就能够最大限度的实现节能。

【参考文献】

[1]苏杨.智能建筑离生活有多远[J].百科知识，2000，（03）.