空調水系統設計方法探討

胡忠義

在建筑物的使用能耗中，根據建筑類型的不同，空調系統的能耗占到其40%～65%，在有些商業建筑中甚至達到了70%以上。而空調水系統又是其中很重要的組成部分，在夏季供冷季節水系統能耗約占整個空調系統能耗的60%～80%，在大型空調系統中輸送所耗的電能占整個系統耗電量的30%左右，其中水泵所耗的電能占整個系統耗電量的25%以上[1]。所以空調系統的節能問題，尤其是水系統的節能手段是建筑節能研究中的一個重要方面[2]。

1 一次泵定流量系統

在一次泵定流量系統中，蒸發器的冷水流量不變，蒸發器就不存在發生結冰等運行問題。當冷負荷減少時，通過減機或減小冷水的供、回水溫差來適應負荷的變化，所以在絕大部分運行時間內，空調水系統處于大流量、小溫差的狀態，不利于水泵節能。

負荷側末端采用變流量，在表冷器出口設置電動兩通閥。在冷水的供水總管和回水總管上設置旁通管，旁通流量是冷源側流量與用戶側流量之差，旁通管上裝有電動閥門。

2 二次泵變流量系統

二次泵系統在一次泵系統的基礎上在負荷側增加一組循環水泵，將冷凍水系統分為制備和輸送兩個部分，降低了各自管路的承壓。其末端的二通閥調節和相關設備的臺數控制基本與一次泵系統相同。負荷側水量變化的同時，二次水泵的運行頻率根據能夠反映用戶側實際水量需求的信號進行調整，用水泵的變頻控制作用來取代部分或全部調節閥節流作用，減少了能量的消耗。在負荷側和冷、熱源側之間設橋管用以平衡一、二次冷凍水量的差異。二次泵系統可以并聯運行，也可以根據壓力損失的差異，獨立設置冷凍水環路分區供應，系統形式比較多變，見圖1。

二次泵系統是一個變水量系統，通過改變循環水量實現對用戶側的負荷調節。常見的變水量調節方法有臺數調節和變速調節兩種。

1)臺數調節。傳統一次泵系統的臺數調節較多采用差壓控制，二次泵系統的臺數調節主要采用流量控制，在控制精度較高的場合多采用負荷控制。差壓控制是利用水泵并聯特性曲線，設定一個供回水壓力波動范圍，當負荷變化引起管網流量改變時，供回水壓力隨之波動，當超過設定上限值時增加泵運行臺數;當低于設定下限值時減少泵運行臺數。流量控制是根據橋管內水流的方向和大小控制水泵及相應制冷機的啟停。當用戶負荷減小、二次流量減少時，一次流量過剩，橋管內冷水由供水流向回水。當橋管內流量大于單泵流量110%時，關閉一臺制冷機及相應水泵;當用戶負荷增加、一次流量出現不足時，橋管內冷水逆向流動;當橋管內流量大于單泵流量20%時，開啟一臺水泵及相應的制冷機。提前開啟制冷機的目的是避免二次供水溫度出現較大波動。

2)變速調節。二次泵需克服管網、盤管、平衡閥及控制閥等的阻力。在定速變水量系統中，當流量減少時，管網、盤管及平衡閥的壓降減小，但循環泵揚程有所增加，二者之間的差值必須由控制閥(二通閥)來負擔，因此，定速變水量系統的節能效果并不明顯，在極低負荷時，控制閥會因壓差過大失控，使過量冷水通過盤管。采用水泵變速調節可以克服上述弊端。當負荷減小時，通過改變水泵轉速使揚程和流量減少，可以獲得明顯的節能效果。考慮變頻器效率和電機散熱等因素，變速調節應有一個最低轉速控制。當負荷變化范圍較大時，常采用多泵并聯變速調節實現節能運行。

3 一次泵變流量系統

與二次泵系統相比，其顯著的變化是取消了二次泵，其次，系統運行過程中冷水機組蒸發器一側的流量會隨著負荷的變化而發生變化，如圖2所示。

系統的工作原理為:當冷負荷變大時，用戶側的兩通閥開度大，壓差下降，為維持壓差恒定，保證系統運行，一次泵轉速提高，從而增大流量;當冷負荷變小時，動作相反。系統中，壓差控制器用于檢測用戶側壓差值，壓差控制器最好設置在系統最遠、最不利處。根據壓差檢測信號，調整一次泵轉速，一次泵轉速的變化通過變頻調速裝置實現。水道溫度傳感器用于檢測供回水溫度，流量傳感器檢測系統水流量，根據流量檢測信號調節旁通閥的開度。上述檢測、調節均通過控制器實現。

3.1 與二次泵系統的差異

在二次泵系統中，冷水機組和一次泵是一前一后配對運行，即冷水機組運行時，一次泵保持定流量。當負荷增加而加載一臺冷水機組時，其對應的冷凍水泵先啟動，負荷降低需減載一臺冷水機組時，先關閉一臺冷機，然后關閉對應的冷凍水泵，故一次泵與冷水機組是聯動的。而一次泵變流量系統與二次泵系統有較大的不同:一次泵是獨立控制的，只要保證滿足輸送的冷凍水流量要求即可，而冷水機組的運行序列也是獨立分配的，條件是滿足冷凍水的溫度要求。

與二次泵變流量系統相比，系統具有以下優點:1)減少了水泵數量，節省了機房面積，降低了設備投資。2)通過選用大型、高效的一次泵代替了二次泵系統中原有的小型、低效、低揚程的一次泵，從而得以提高水泵的性能。3)降低了系統中水泵組的能耗。

3.2 一次泵變流量系統應注意的問題

3.2.1 選擇的冷水機組必須與變流量系統相適應

在選擇冷水機組時，要注意以下幾個問題:

1)冷水機組的流量變化范圍。需要選擇最小流量盡可能低的冷水機組。蒸發器最小流量由蒸發器的類型、回程以及管束尺寸決定。通常機組效率越高，機組蒸發器流量變化的范圍就越窄。目前離心機的最小流量一般都能達到設計流量的30%左右。

2)冷水機組的允許冷水流量變化率。由于蒸發器中水流量的較快變化能引起控制不穩定和壓縮機的回液與停機，為了確保一次泵變流量系統中的冷水機組穩定工作，設計時必須從生產廠商獲知所選用冷水機組所能承受的冷水流量變化率的數值。

3.2.2 注意系統周轉時間

較長的周轉時間有利于改善冷水機組控制的穩定性。一般情況下冷水機組廠家會提供系統周轉時間，設計時應對整個水系統周轉時間進行計算，校核是否大于廠家所給的值。若系統周轉時間長，說明該系統利于機組控制的穩定，否則，需采取改善措施。

3.2.3 注意水系統流量的測量與旁通控制

從圖2中可看出，供回水干管上加設旁通調節閥，該閥是保證冷水機組蒸發器側的流量不低于其最小流量要求，確保冷水機組的正常運行。閥的調節是依據檢測的流量信號而進行，因而對流量的檢測必須準確。一般選擇測量精度較高的電磁流量計為宜，同時應注意定期標定、校正;此外，閥的調節需快速，為滿足流量與閥門的開度成線性關系以及考慮到閥門的實際流量特性，選擇等百分比特性的調節閥為宜。

4 結語

空調冷水系統從一次泵定流量系統、二次泵變流量系統、一次泵變流量系統的演變過程，是水泵不節能、負荷側水泵節能、全程(冷源側與負荷側)水泵節能的過程，系統配置是簡單、復雜、再簡單的演變過程。一次泵變流量系統中，冷水機組和水泵臺數不必一一對應，兩者臺數變化和啟停可分別獨立控制。故能充分利用冷水機組的超額冷量，減少冷水機組和冷卻水泵的全年運行時數和能耗。而且該系統不僅可最大限度地節省系統運行費用，而且與二次泵變流量系統相比，節省系統初投資和機房面積。

[1] 朱明杰.空調冷凍水系統的運行控制策略[D].上海:同濟大學，2007.

[2] 劉 濤.中央空調水系統節能措施探討[J].制冷與空調，2008，22(2):43-45.

[3] 汪訓昌.空調冷水系統的沿革與變流量一次泵水系統的實踐[J].暖通空調，2006，36(7):32-40.

[4] 白貴平，林振霞.空調系統冷卻水溫度分析[J].山西建筑，2008，34(6):201-202.