 Sustainable Energy 可持续能源, 2013, 3, 33-38 http://dx.doi.org/10.12677/se.2013.32006 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/se.html) Energy Analysis and Economic Operation of Central Air Conditioning System Shoulu Deng, Guisheng Wang, Liang Zhou Shengli Oilfield Technology Inspection Center, Dongying Email: sljc16888@126.com Received: Sep. 5th, 2012; revised: Sep. 17th, 2012; accepted: Jan. 6th, 2013 Copyright © 2013 Shoulu Deng et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The energy-balance analysis of central air conditioning system for (FC + OA) is done. The energy-balance models and equations for central conditioning system are given, the energy analysis for subsystem is done. According to calculation example, effective way to ensuring economic operation of central air conditio ning system is given. Keywords: Central Air Conditioning; Energy Analysis; Coefficient of Performance; Way 中央空调的能量分析与经济运行 邓寿禄，王贵生，周 亮 胜利油田技术检测中心，东营 Email: sljc16888@126.com 收稿日期：2012 年9月5日；修回日期：2012 年9月17 日；录用日期：2013 年1月6日 摘 要：本文对风机盘管 + 新风系统(FC + OA)的中央空调系统进行了能量平衡分析。给出了中央空调系统的 能量平衡模型和能量平衡方程，并对中央空调系统的各子系统进行了能量分析。依据中央空调系统的能量分析 计算实例，提出了保证中央空调系统经济运行的有效途径。 关键词：中央空调；能量分析；制冷系数；途径 1. 前言 能源的有效利用是当今世界的重要研究课题。在 我国，建筑能耗占全社会总能耗的比例已接近 30%， 随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调应 用日益广泛和普及，空调用电占用电总量的比例在不 断上升。如一些发达国家用于空调(包括供暖)所消耗 的能量约占总消耗能量的1/3，有的甚至达到消耗能 量的 45%。我国的一些安装空调设备的生产单位所消 耗的能量也相当可观。有的单位用于空调冷冻的用电 量占全厂用电量的三分之一，甚至更高。如果将空调 冷冻和供暖耗能量加到一起，所耗煤量占全国耗煤量 的三分之一。因此，降低空调能耗，特别是在当今用 电情况趋紧的状况下，加强空调用电管理的意义重大 [1,2]。 本文以热力学第一定律为基础，对中央空调系统 进行能量分析，建立中央空调系统能量分析模型，分 析了确保中央空调经济运行的有效途径。 2. 中央空调系统的能量平衡模型[3] 风机盘管 + 新风系统(FC + OA)的中央空调系 统可以视为由冷却水系统、制冷机系统、空气处理系 统和空调对象系统四个子系统组成。冷却水系统主要 Copyright © 2013 Hanspub 33  中央空调的能量分析与经济运行 由冷却塔、冷却水泵及冷却塔风机组成；制冷机系统 主要由制冷机组成；空气处理系统主要由空气处理机 组和冷水泵组成，空调对象系统主要由送回风管道、 冷水泵及末端送风装置组成。其能量平衡模型图如图 1所示。图 1中各符号的含义如下： 、分别为冷 却塔进出口空气的比焓，kJ/kg； 、分别为冷却 水进出口比焓，kJ/kg； 、 分别空气处理系统冷水 供回水比焓，kJ/kg；、 空调对象 系统冷水供 回 水比焓，kJ/kg； 、分别为空调送、回风比焓， kJ/kg； 为新风比焓，kJ/kg； 为排风比焓，kJ/kg； 为进出冷却塔空气质量流量，kg/s；G为冷却水质 量流量，kg/s； 为空气处理系统冷水质量流量，kg/s； 为空调对象系统冷水质量流量，kg/s；为空调送 风质量流量，kg/s； 为新风质量流量，kg/s； 为 排风质量流量，kg/s； 为冷却塔风机功率，kW； 为冷水泵功率，kW；为制冷机功率，kW； 为 空气处理系统冷水泵功率，kW；W为空气处理机组 风机功率，kW； 为空调对象系统冷水泵功率，kW； 为末端空气处理设备功率，kW； 为空调对象系 统的冷量损失，kW； 为冷却塔的散热量，kW； 1 h 5 1 Q 2 h 2 5 G 3 h4 h 5 h 7 h 10 h 1 W 3 W 2 Q 6 h 8 h 9 h 6 W 11 h12 h 1 G 4 G 7 W 3 G 6 G7 G W 4 W Q 2 3 为制冷机系统的散热量，kW；为空气处理系统的 能量损失，kW； 为空调系统冷负荷，kW。 4 Q 1 Q 3. 中央空调系统的能量平衡方程 中央空调系统的能量平衡方程是系统输入的能 量、有效利用的能量和损失的能量的平衡关系，根据 能量守恒原理，其能量平衡方程为： Figure 1. Energy-balance chart of central air conditioning system 图1. 中央空调系统的能量平衡图 12345671211 1 611712 2134 WWWWWWWGhGh Q GhGhQQ QQ (1) 式中， 、 1 Q1 Q 、4 Q 为系统的有效冷量和冷量损失， 其值为负。 4. 各子系统的能量平衡分析 4.1. 冷却水系统的能量平衡分析 1) 冷却水系统的能量平衡模型(图2) 2) 冷却水系统的能量平衡方程 12 23241211 W WGhGhGhGhQ 2 (2) 3) 冷却水系统的能量传递效率 根据冷却水系统的能量平衡模型和能量平衡方 程，还可以得出其能量传递效率，能量传递效率为系 统输出有效能量与输入系统全部能量之比，即 12 1 112234 Gh h WW Ghh (3) 式中 1 ——冷却水系统的能量传递效率。 4.2. 制冷机系统的能量平衡分析 1) 制冷机系统的能量平衡模型(图3) 2) 制冷机系统的能量平衡方程 32324C WQGh GhQ 3 (4) Figure 2. Energy-balance model of cooling water system 图2. 冷却水系统的能量平衡模型 Figure 3. Energy-balance model of chiller system 图3. 制冷机系统的能量平衡模型 Copyright © 2013 Hanspub 34  中央空调的能量分析与经济运行 其中 36 548 7C QGhhGhh (5) 3) 制冷机系统的制冷系数 3 COP C Q W (6) 式中——制冷机系统的制冷系数； ——制冷 机系统总的制冷量，kW。 COP C Q 4) 制冷机系统的能量传递效率 根据制冷机系统的能量平衡模型和能量平衡方 程，还可以得出其能量传递效率，即 23 4 23365487 Gh h WGhhGhh (7) 式中 2 ——制冷机系统的能量传递效率。 4.3. 空气处理系统的能量平衡分析 1) 空气处理系统的能量平衡模型(图4) 2) 空气处理系统的能量平衡方程 35 364559 510611 4 Gh GhW WGh GhGhQ (8) 3) 空气处理系统的能量传递效率 59 10 345356 61 Gh h WWGhh Gh 1 (9) 式中 3 ——空气处理系统的能量传递效率。 4.4. 空调对象系统的能量平衡分析 1) 空调对象系统的能量平衡模型(图5) 2) 空调对象系统的能量平衡方程 6747 4859 510 17121 W WGh GhGhGh QGh Q (10) Figure 4. Energy-balance model of air handling system 图4. 空气处理系统的能量平衡模型 Figure 5. Energy-balance model of air-conditioning object system 图5. 空调对象系统的能量平衡模型 3) 空调对象系统的能量传递效率 根据空调对象系统的能量平衡模型和能量平衡 方程，可以得出其能源利用率，即 1712 46747 4859 510 QGh W WGhGhGh Gh (11) 式中 4 ——空调对象系统的能量传递效率。 5. 中央空调系统的能效比 中央空调系统的能效比为中央空调系统的制冷 量与消耗的电功率的比值。即假设中央空调系统新风 量等于排风量，则有： 161211 1234567 161211 7 1 EER i i QGh h WWWWWWW QGh h W (12) 6. 中央空调系统的能量分析计算 以某商业综合办公楼供冷系统为例，其空调系统 运行参数如表 1所示。 7. 中央空调系统经济运行分析 7.1. 中央空调运行工况计算结果分析 计算实例中，中央空调系统采用普通电制冷方 式，3台大容量离心式冷水机组配一台小容量螺杆式 冷水机组；风系统为：大空间采用全空气系统，小房 间采用风机盘管 + 新风系统。由表 2可见，制冷机 系统的制冷系数为 5.08，计算结果高于标准规定的 4.60考核值，说明该制冷系统的制冷性能良好，运行 正常。该中央空调系统的水输送系数为 30.96，GB/T- 50189 标准规定的水输送系数不小于 30，结 果 表 明 ，该 中央空调系统的水输送系数刚刚达到标准规定要求。 Copyright © 2013 Hanspub 35  中央空调的能量分析与经济运行 Copyright © 2013 Hanspub 36 Table 1. Operating parameters of central air conditioning system 表1. 中央空调系统运行参数 项目 数值 项目 数值 空调室外计算温度/℃ 32.6 制冷机功率 W3/kW 1616 冷却塔进/出口水温/℃ 36.5/32 空气处理系统冷水泵功率 W4/kW 102.6 冷水供/回水温度/℃ 7/12 空调对象系统冷水泵功率 W6/kW 158.5 冷却塔风机功率 W1/kW 72.8 制冷机供给空调对象系统的负荷/ kW 4948.6 冷却水泵功率 W2/kW 326 平均送风温度/℃ 18 冷水质量流量(kg/s) 392.5 空气处理机组风机功率 W5/kW 768.6 冷却水质量流量(kg/s) 492.8 空调冷负荷/kW 7896 制冷机冷凝器的放热量/kW 9715 末端空气处理设备功率 W7/kW 2866.2 制冷机供给空气处理机的负荷/kW 3268 室内平均温度/℃ 26 空气处理机组冷负荷/kW 3135 Table 2. Calculated data for energy analysis of central air conditioning system 表2. 中央空调系统能量分析计算数据 项目 数值 项目 数值 冷却水系统的能量传递效率/% 91.80 空气处理系统的能量传递效率/% 77.66 制冷机系统的制冷系数 5.08 空调对象系统的能量传递效率/% 71.08 制冷机系统的能量传递效率/% 98.80 空气输送系数 4.08 水输送系数 30.96 中央空调系统的能效比 1.336 该中央空调系统的空气输送系数为 4.08，标准规定的 空气输送系数为 4~10，可见，该中央空调系统的空气 输送系数亦刚刚达到标准规定要求。该中央空调系统 的能效比为 1.336，标准规定制冷机额定功率大于 1163 kW的空调系统的能效比应大于 4.4，可见，该 中 央空调系统的能效比小于标准规定的要求。通过能量 分析计算结果可见，冷却水系统的能量传递效率为 91.80%，制冷剂系统的能量传递效率为 98.80%，空 气 处理系统的能量传递效率为77.66%，空调对象系统的 能量传递效率为 71.08%。 7.2. 中央空调系统经济运行分析 7.2.1. 制冷机系统的经济运行 在空调系统中，制冷机系统的能耗是最大的。经 验表明，制冷机系统的COP 随部分负荷的大小和机 型的不同而变化。存在制冷机在部分负荷下运行 COP 值不高这个问题的原因是多方面的。如对部分负荷时 的节能优化运行认识不足，受传统调节控制模式的制 约，制冷系统配件(如热力膨胀阀)存在缺陷，机组运 行的安全要求(回油)得不到满足等等。因此为了使机 组具备调节能力，常常由多台压缩机组成一台制冷机 系统，每个压缩机构成一个独立的制冷回路。运行时 保持机组的冷凝压力恒定(或在一个较小的范围内变 化)。众所周知，系统实际运行性能系数 COP 是由系 统内部(制冷循环，压缩机效率、传 热效果 等)因素和 外部条件共同影响的，而通常在部分负荷下运行时， 其外部条件较满负荷时优越，环境温度相对较低。在 不考虑传热性能变化影响的情况下，可充分利用环境 温度的降低来降低冷凝温度、缩小压缩机的高低压力 差以改善系统性能系数，COP 最大能提高 20%。许 多 研究者针对制冷机系统，从冷却水和冷水调节控制策 略入手，获得了一些有效的优化运行的方法[4]。 7.2.2. 水输送系统和空气输送管系统的经济运行 空调系统中，空气与水通常是冷量载体。输送过 程能耗包括：通过传热的冷量损失和输送过程的流动 阻力损失。对于输送冷量的水系统或空气的管路系 统，克服流动阻力的能量又转变为热量导致冷量损 失。由实测数据可见，本计算实例中，中央空调水输 送系数和空气输送系数分别为30.96 和4.08，其结果 刚好达到有关资料规定的要求，距离先进水平还有差 距。减少输送过程的能耗主要可以从以下方面着手： 1) 做好输送冷量的水管、风管的保温。 2) 精心设计、正确计算系统阻力，选择合适的泵  中央空调的能量分析与经济运行 与风机的型号与规格，切忌选择流量、扬程或全压过 大的泵与风机，避免不必要的能量损失。 3) 在满足工艺和舒适条件下，应尽可能地增大送 风温差和供回水温差。常规空调的冷冻水和冷却水温 差为 5℃，大温差系统冷冻水温度可增加到 8℃~10℃， 冷却水温差增加到 8℃。常规的空调系统送风温差一 般在 6℃~10℃，最大不超过 15℃，大温差系统的送 风温差在 14℃~20℃。大温差不仅可以减少输送过程 的能耗，同时减少了管路的断面，从而降低了管路系 统的初投资。但是大温差也会影响空调设备的性能。 如冷冻水大温差会导致风机盘管、表冷器冷却能力和 除湿能力的下降，为弥补这不利的影响，可以降低冷 冻水的供水温度，这样又使冷水机组的性能系数降低 和能耗增加。因此确定温差时必须对利弊充分估计。 也就是说，应综合考虑系统总能耗(包括输送能耗和冷 水机组能耗)、经济性、环境控制质量等多方面来选择 合理的温差[5]。 4) 定期对中央空调水系统和风系统的清洗，清除 管内结垢或杂质，保证管网畅通以减小流动阻力。 7.2.3. 冷却水系统的经济运行 冷却水系统的能耗在空调系统中所占的比例虽 然并不大，但是其使用频率高，累积耗能较大。由计 算实例可见，冷却水系统的能量传递效率为 91.8%， 冷却水系统在能量传递过程中的能量损失较小，其能 量损失主要由冷却塔的散热损失所致。要实现冷却水 系统的经济运行，关键在于实现冷却塔的节能运行。 影响冷却塔冷却能力的因素有循环水量、水温、诱导 风量和空气干湿球温度和空气中灰尘浓度等，在这些 因素中，除空气干湿球温度、空气中灰尘浓度无法控 制外，其它因素可以通过一些控制手段来改变冷却塔 的工作状态，找出最佳工作状况，从而达到节能目的。 例如，根据冷水机组冷却水温度特性，通过合理减少 风机运行台数来减少电耗；通过对冷却水塔的清洗和 维护，提高冷却水散热面积换热效果、改善冷却水水 流分布、减少冷却水污垢、降低冷却水水流失的隐性 能耗等来提高系统的运行效率。 7.2.4. 中央空调系统其他方面的经济运行 由实测数据可见，空气处理系统的能量传递效率 为77.66%，空调对象系统的能量传递效率为71.08%。 这两个系统在制冷过程中的能量损失，主要是由其冷 量损失和管网阻力损失所致。要保证其经济运行，应 做到：1) 加强空气处理系统的保温效果，减少空气在 处理过程中的冷量损失；2) 减少空气在输送过程中的 阻力损失，尽量减少阀组和弯管在空气处理系统中的 使用；3) 合理设定室内温度，室内设计温度每提高 1 ℃，空调系统将减少能耗约 6%；4) 合理设定室内湿 度，由于夏季室内设计相对湿度一般不会低于 50%， 所以以 50%为基准，相对湿度每增加 5%，节能10%； 5) 改善围护结构的保温性能，减少通过围护结构向外 产生的冷量损失。 水泵是中央空调系统中耗能的主要设备，约占空 调系统总能耗的 15%~20%。保证水泵的经济运行 ， 目前主要采取的手段是对水泵进行变频便流量控制。 在未采用变频变流量系统状况下，也可以通过合理措 施来进行节能，如在加班时段和过渡季节，末端冷负 荷较小时，可根据制冷系统的不同运行模式，合理控 制水泵运行台数，同时调整系统管道相关阀门，来减 少不必要的电耗[6]。 7.2.5. 提高中央空调系统能效比的方法 由计算实例可见，中央空调系统的能效比为 1.336， 远远低于标准规定的 4.4。这主要是由于该中央空调 采用风机盘管 + 新风系统的 结构型式所导 致的。要 提高中央空调系统能效比除应采取以上保证中央空 调系统经济运行的措施以外，还应做到：1) 考虑使用 变频压缩机和变排量技术；2) 尽量提高热交换设备的 传热性能；3) 制冷和空调装置运行实现智能控制；4) 考虑采用中央空调系统的其他型式，尽量避免使用新 风或全新风系统。 8. 结语 本文对风机盘管 + 新风系统的中央空调系统进 行了能量分析研究，给出了能量分析物理模型和数学 模型。并结合典型实例，对中央空调进行实例计算， 通过对计算结果的分析，提出了保证中央空调系统经 济运行的主要措施。本文理论联系实际，为今后中央 空调系统的运行现状研究提供有益的参考价值。 参考文献 (References) [1] 陆耀庆, 主编. 实用供热空调设计手册[M]. 北京: 中国建筑 Copyright © 2013 Hanspub 37  中央空调的能量分析与经济运行 Copyright © 2013 Hanspub 38 工业出版社, 2008: 2448-2455. 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