一次泵空調冷水系統的水力特性與節能分析

高亞鋒,李百戰,陳玉遠,劉曉慶,金振星

（1.重慶大學,三峽庫區生態環境教育部重點實驗室重慶 400045;2.中鐵第四勘查設計院集團有限公司,武漢 430063）

一次泵空調冷水系統可分為定流量與變流量2種水系統,已廣泛應用于公共建筑的空調工程中[1],它的合理設計與有效管理是一個集中空調系統節能的非常重要的一部分[2-4]。盡管許多學者對于一次泵空調冷水系統的節能設計與運行管理方面做了一些工作[5-7],但在實際空調工程運行過程中仍然存在一些問題,對于冷水定流量系統,常出現1臺水泵工作不能滿足設定溫度的需要,但運行2臺水泵則過量 ,造成能量浪費的情況,且管道壓力超過設計值時,管道保護閥自動打開,進一步造成浪費[6];對于冷水變流量系統,當水泵能耗占空調水系統的能耗比例大于 20%時,冷水變流量具有顯著節能效果[9-11],但對于不同空調末端形式的空調水系統具體的水力特性、旁通管的選擇以及節能狀況尚待解決。目前,雖然在一次泵空調水系統中,末端全為風機盤管形式的水力特性已經非常明確[12],但末端全為空調器或空調器與風機盤管組合的空調水系統的水力特性需進一步研究。同時一次泵空調水系統定流量旁通管的選擇現已有成熟的表格可供參考[13],但對于一次變頻泵空調水系統旁通管的選擇尚不明確。在綜合分析一次泵空調水系統節能運行存在問題的基礎上,為確保一次泵空調水系統的高效節能運行,分析并了解其各種空調末端形式的水系統的水力特性及其節能實現方式非常重要。

為此,以一次泵空調水系統為研究對象,針對空調機或空調機和風機盤管組合的2種方式的水力特性,冷水機的出口水溫調節和水泵變頻時的節能實現方式,對實現其水系統節能運行時的旁通管的選擇等進行了研究。

1 一次泵水系統水力特性分析

1.1 末端全是空調機的情況

采用電動二通閥進行調節的空調機系統,通過改變二通閥的開度使末端水量與負荷變化相適應。要確定整個空調機水系統瞬態相對供冷量與相對水量的關系,首先要確定單個空調機的換熱特性。文獻[14]通過對各種類型換熱器的熱工數據整理分析,得到了單個空調器的相對冷量ˉQ與相對水量ˉG的關系：

由式（1）可得單個空調機的相對水量與相對冷量之間的關系圖1（圖中虛線為參照線）,可看出,ˉQ≥ˉG。

圖1 空調機相對水量與相對冷量曲線圖

對于商業性建筑而言,各個區域的負荷差別不大,變化大致相同,每臺空調器都是根據所負擔區域的負荷變化而獨立控制的,所以可以認為每臺空調器的瞬態相對供冷量相同且等于整個系統的瞬態相對供冷量,并且整個系統的相對冷量與相對水量也滿足式（1）。即在部分負荷下,水量的減少比供冷量的減少要快,末端會出現大溫差小流量的現象,例如50%的水量就可以輸送75%的冷量。

1.2 末端為空調機與風機盤管組合的情況

對于裙房為商業性用房而塔樓為辦公樓/寫字樓的建筑,基本上是采用空調機與風機盤管組合形式（裙房采用空調機,辦公樓、寫字樓為風機盤管）。在水系統中,一般將塔樓與辦公部分單獨分區,因此可以將它們看成2個獨立的系統,可以分別對2個系統進行處理。

壓差旁通閥設定壓差與末端單個風機盤管支路的設計壓差之比一般在4～6之間,假定取值為5。風機盤管系統立管數r一般在10以上,文獻[15]表明空調負荷小于10%的情況只占到總時間的3.5%左右,所以對總開啟率B＜1/r的情況不予考慮。對于r≥10的情況,r2/（r-1）2的值如表1所示：

表1 對于不同的r,r2/（r-1）2的數值

由表1可以看出隨著r的增大,r2/（r-1）2的值逐漸減小,并接近于1,取r2/（r-1）2等于1.2。假定實際水量等于最大值和最小值的算術平均值,并根據文獻[12]的結果,風機盤管水系統的相對水量與相對冷量分別存在一個最大值與最小值,因此得到關系式（2）和（3）：

在不同的B（風機盤管電磁閥總開啟率）下,可以得出相對水量與相對冷量。根據式（2）-（3）得ˉG和ˉQ關系圖2,由圖可知以通斷控制的風機盤管水系統與空調機水系統的整體特性相反。在系統供回水壓差維持在設計壓差時,部分負荷下,系統水量的減少比供冷量的減少要慢,水系統會出現小溫差大流量的運行工況,50%的水量只能輸送40%的冷量。因此開啟的風機盤管水流量都將超過設計值。

圖2 風機盤管系統相對水量與相對冷量關系圖

對于風機盤管與空調機組成的水系統,其最終的水力特性曲線應與兩者的系統設計負荷之比有關。為簡化起見作以下假定：

1）設計狀態下空調機系統的總冷量與風機盤管系統的冷量之比為m,此時兩者設計水量之比也為m;

2）各個末端的負荷變化率相同且等于整個系統的負荷率。

當系統的相對冷量與相對水量成線性關系時即ˉQ=ˉG時,以及圖1、圖2,得到臨界值m0如圖3。當m大于m0時,水力特性呈現空調機的特性,當m小于m0時,水力特性呈現風機盤管的特性。對于一般的末端采用空調機與風機盤管的系統,m約為1.0;對于風機盤管與新風機組成的系統,m約0.3。因此對于多數的集中空調系統都可以認為整個系統的水力特性與空調機的水力特性相符,即ˉQ≥ˉG。

圖3 相對冷量與臨界值m0的關系

2 一次泵水系統節能方式分析

對一次泵空調水系統2種末端形式的水力特性分析結果表明,2種形式的末端負荷變化時,水系統的水量變化相反。在此基礎之上,為確保一次泵空調水系統的節能實現,下面通過2個方面進行闡述。

2.1 出口水溫調節

在負荷減小且水泵運行臺數不變時,單位制冷量的能耗增加,并且隨著旁通水量的增加,能耗也隨之加大,所以應設法減小旁通水量[13]。并且旁通水量的減少,使冷水機側的水量接近于用戶側的水量,使進入蒸發器的水溫接近用戶側回水溫度,可以提高冷水機的COP。當旁通水量較大時,可認為是用戶側流量偏小,此時可以適當提高冷水機出口水溫的設定值,就會使用戶側水閥開度變大,流量增加,供回水溫差減小,旁通的水量將會減少,進入蒸發器的水溫升高,出口水溫的設定值提高,冷水機的COP值也會增大,雖然水泵的能耗并沒有減少,但整個系統單位制冷量的能耗卻減少了。隨著用戶側水閥的逐漸開大,流量的不斷增加,供回水溫差會逐漸減小,當溫差小于用戶側希望的最小溫差時,此時表明供水溫度過高,應降低冷水機的出口水溫設定值。

2.2 水泵的變頻調節

隨著制冷機控制技術的發展,制冷機冷凝器與蒸發器內的水流量允許在一定的范圍內變化,一般為設計流量的30%～130%之間,因此有人提出了對一次泵系統直接采用變流量的方式運行[15-16]。

冷水機組流量過低會使冷水機組的效率下降很快,并且會加速結垢,所以將冷水機組的流量下限定在額定流量的60%[15]。圖4各給出了某一冷水機組的相對流量變化對機組COP影響的曲線[10]。由圖4可以看出在機組流量減少時,冷水機組的效率也隨之減小,冷水機組相對耗功會增加,但是水流量的減少會使冷凍水泵的能耗大大降低,兩者對整個系統的能耗影響是相互矛盾的。定義n及冷水系統綜合COP如下：

式中：Q0為系統提供的冷量,W1、W2分別為所有運行的冷水機組的耗功量與水泵的耗功量,單位均為kW。冷水系統綜合COP為系統變流量后,整個系統的能耗情況。

圖4 冷水機組的性能曲線

由于水泵變頻前后的水泵工作點很難滿足相似條件,因此水泵耗功隨水量的3次方比例減小也就很難實現。為簡化起見,假定水泵的耗功按水量3次方比例關系的基礎上再乘以0.8的系數[10]。

圖5 水力特性為直線時節能幅度

圖6 水力特性為空調機時節能幅度

根據節能量與各個水量運行的時間可以得到總節能量,令總節能量為零,可以得到水泵能耗所占的臨界比例見圖5、6。從圖5和6可看出：當系統水力特性曲線分別為直線與空調機特性曲線時,水泵能耗所占的比例分別約為18%與15%為臨界狀態,水泵能耗比例在臨界值以上時,系統都是節能的;隨著水泵所占能耗比例的增加,綜合COP的增加幅度也隨之加大,并且系統的水力特性越接近于空調機的水力特性,系統的節能幅度也越大;在相對流量為90%以上時,系統不節能,但由于在這段時期的運行總時間在3.6%以下,而系統有90%的時間在80%負荷以下運行,所以在這段時間運行費用的增加比起低流量時所節省的費用是微不足道的。

根據上面分析可以看出：是否采用水泵變頻的方式,要取決于水泵能耗所占的比例以及系統的水力特性曲線,若系統的水力特性越接近于空調機的水力特性曲線（圖1）并且水泵所占的能耗比例越大,則采用變頻調節方式節能效果是相當顯著的。

3 旁通管的選擇

根據前面的分析,不管水系統采用變頻與否,均存在系統負荷降低或關閉冷水機組時,冷水相對于水泵過量情況存在,在這種情況下,旁通管的選擇也是一個節能水系統的重要環節之一。文獻[17]表明有86%以上的冷水機被用在2臺以及2臺以上的冷水機組組合的應用場合。以下主要針對冷水機組的臺數大于等于2臺的情況下,對水系統采用與未采用變頻時的旁通管選擇方法進行了分析。

3.1 水系統未采用變頻調節時

根據上面的分析,當m≥0.3時,空調水系統的特性曲線接近其末端全是空調機的特性曲線,即末端水量減少要比冷量減少的幅度快,也就是說旁通管中的水量有可能大于一臺水泵的流量。在末端全是空調機的情況下,分別為2臺和3臺冷水機時,根據末端所需的總水量（由式1）和水泵的總水量,隨著負荷的變化,旁通流量相對單臺水泵的水量的曲線如圖7、8。可以看出,隨著冷水機組臺數的增加,旁通水量的峰值也隨之增加,最大水量出現在冷水機的運行臺數由設計臺數向減小一臺時的過渡工況。在制冷機組臺數為2臺、3臺時,旁通水量的峰值分別為單臺水泵流量的1.6與1.8倍,所以根據單臺水泵的流量來選擇旁通管管徑,或者以旁通水量等于單臺水泵的流量來控制冷水機的停機是不合適的。旁通管的流量應根據單臺冷水機組水量的1.2～1.8倍來選擇,在m較小與冷水機臺數較少時,可按下限來選擇;當m較大與冷水機臺數較多時,可按上限來選擇。

圖7 2臺冷水機時的旁通流量相對單臺水泵的流量

圖8 3臺冷水機時的旁通流量相對單臺水泵的流量

3.2 水系統采用變頻調節時

由于冷水機組的流量下限為額定水量的60%,此時提供的冷量要大于60%,所以在負荷降到60%之前,水泵不能再降低轉速,水泵與冷水機組均應作定流量運行,此時旁通管也是必須的,應通過壓差旁通閥旁通富余的水量,直到系統的冷量降低到可以少開一臺冷水機組就能滿足末端的負荷需要為止。由于水泵的變頻調節作用,可以按單臺冷水機的20%～100%來選擇旁通管。在m較小,可以按下限來選擇;當m較大與冷水機臺數較多時,可以按上限來選擇。

4 結語

1）對于末端為空調機（新風機）與風機盤管組成的水系統,整個末端系統的水力特性與空調機的水力特性曲線相符,即水量要比冷量減少的快。

2）在水泵所占空調水系統能耗比例大于0.3時,系統的水力特性越接近于空調機的水力特性時,采用水泵變頻的方法節能效果是相當顯著,節能幅度大于10%。

3）在水泵未采用變頻時,可以根據單臺冷水機水量的1.2～1.8倍來選擇旁通管;水泵變頻時,按單臺冷水機流量的20%～100%來選擇。其具體數值要根據整個系統的水力特性以及冷水機組的臺數確定。

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（編輯胡英奎）