中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能分析

　　摘 要： 隨著能源問題的日益突出，建筑節(jié)能是建筑設(shè)計和運行中必須考慮的因素之一。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，中央空調(diào)是現(xiàn)代高層建筑中必不可少的設(shè)備之一，因此，中央空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能在高層建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中顯得越來越重要。本文針對馬鞍山市某高級賓館中央空調(diào)水系統(tǒng)，對冷凍水分別采用一次泵定流量、二次泵變流量及一次泵變流量系統(tǒng)時的節(jié)能情況進行了詳細分析計算，并比較了在不同運行負荷條件下三種冷水系統(tǒng)的能源消耗情況，所得結(jié)果對于中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有一定的指導(dǎo)意義。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；中央空調(diào)；冷水系統(tǒng)；能耗
　　中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　1 前言
　　隨著能源問題的日益突出，建筑物節(jié)能是建筑設(shè)計和運行中必須考慮的因素之一。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，中央空調(diào)是現(xiàn)代高層建筑中必不可少的設(shè)備之一，中央空調(diào)的耗能約占到建筑物總耗能的65 %左右。而給整個水循環(huán)系統(tǒng)提供動力的循環(huán)水泵耗電量，又占空調(diào)系統(tǒng)能耗的18 %左右，即循環(huán)水泵耗電量占整個建筑總耗電量的11. 7 %左右[1]，這是一個非常可觀的數(shù)字。而且，無論是上世紀80 年代末中國建筑科學(xué)研究院空氣調(diào)節(jié)研究所在廣州、上海、北京的六個代表性旅游旅館的集中空調(diào)系統(tǒng)冬、夏季能耗調(diào)查測試，還是上世紀90 年代末清華大學(xué)在北京一些代表性辦公大樓的集中空調(diào)系統(tǒng)能耗調(diào)查測試，都較一致地表明在中央空調(diào)系統(tǒng)的夏季用電負荷中，大約50 %～60 %用電負荷消耗于冷水機組制冷，大約25 %～30 %用電負荷消耗于冷水泵與冷卻水泵的輸配上，大約15 %～20 %用電負荷消耗于各種風(fēng)機的輸配上。由此可見，降低空調(diào)水系統(tǒng)的輸配電耗，對于提高集中空調(diào)系統(tǒng)的全年運行能效具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，水系統(tǒng)管路的正確合理設(shè)計、循環(huán)水泵及冷熱源的合理選擇，又是空調(diào)水系統(tǒng)實現(xiàn)正常運行調(diào)節(jié)及運行節(jié)能的關(guān)鍵。本文結(jié)合工程實例，針對作者所在地某高層建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)（高級賓館，地上14層，地下一層，總建筑面積約為15000m2，采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)），對不同水系統(tǒng)的運行能耗進行分析計算，并比較不同的空調(diào)水系統(tǒng)在相同負荷需求下的能源消耗情況。
　　2 空調(diào)水系統(tǒng)概述
　　空調(diào)冷水系統(tǒng)可以歸納為以下三種形式：一次泵定流量系統(tǒng)：冷源側(cè)定流量，負荷側(cè)定流量，無變頻泵；二次泵變流量系統(tǒng)：冷源側(cè)定流量，負荷側(cè)變流量，負荷側(cè)采用變頻泵；一次泵變流量系統(tǒng)：冷源側(cè)變流量，負荷側(cè)變流量，冷源側(cè)與負荷側(cè)采用同一個變頻泵。
　　2.1 一次泵定流量系統(tǒng)
　　一次泵定流量系統(tǒng)是國內(nèi)空調(diào)工程設(shè)計中應(yīng)用較多的一種形式[3]。其特點是：通過蒸發(fā)器的冷水流量不變，因此蒸發(fā)器不存在發(fā)生結(jié)冰的危險。當系統(tǒng)負荷側(cè)冷負荷減少時，通過減小冷水的供、回水溫差來適應(yīng)負荷的變化，所以在絕大部分運行時間內(nèi)，空調(diào)水系統(tǒng)處于大流量、小溫差的狀態(tài)，不利于節(jié)約水泵的能耗。
　　2.2 二次泵變流量系統(tǒng)
　　二次泵變流量系統(tǒng)是在冷水機組蒸發(fā)器側(cè)流量恒定的前提下，把傳統(tǒng)的一次泵分為兩級，包括冷源側(cè)和負荷側(cè)兩個水環(huán)路[4]。其最大特點在于冷源側(cè)一次泵的流量不變，二次泵則能通過末端負荷的需求調(diào)節(jié)流量。對于適應(yīng)負荷變化較弱的一些冷水機組產(chǎn)品來說，保證流過蒸發(fā)器的流量不變是很重要的，只有這樣才能防止蒸發(fā)器發(fā)生結(jié)冰事故，確保冷水機組水溫穩(wěn)定。由于二次泵能根據(jù)末端負荷調(diào)節(jié)流量，與一次泵定流量系統(tǒng)相比，能節(jié)約相當一部分水泵耗能。
　　2.3 一次泵變流量系統(tǒng)
　　一次泵變流量系統(tǒng)選擇可變流量的冷水機組，使蒸發(fā)器側(cè)流量隨空調(diào)負荷的變化而改變，從而最大限度地降低水泵耗能[3]。與一次泵定流量系統(tǒng)相比，把定頻水泵改為變頻水泵，故水系統(tǒng)設(shè)計和運行調(diào)節(jié)方法不同，控制更復(fù)雜，但節(jié)能效果更明顯。
　　
　　3 不同水系統(tǒng)的能耗分析
　　3.1 變速水泵運行能耗計算
　　
　　
　　3.2 一次泵定流量系統(tǒng)在不同負荷下水泵能耗
　　一次泵定流量系統(tǒng)的冷源側(cè)定流量，負荷側(cè)定流量，無變頻泵。在控制過程中，流量和揚程不變，水泵的轉(zhuǎn)速固定，所以變速比k始終為1。系統(tǒng)布置相對于一次泵變流量系統(tǒng)有一定的區(qū)別，即在水泵的連接方式上將兩臺水泵先和兩臺冷水機組分別串聯(lián)，再并聯(lián)連接到管路上。為便于比較，本文在分析時，一次泵定流量和一次泵變流量系統(tǒng)所選用的冷水泵型號相同。
　　該系統(tǒng)由于流量不變，在不同負荷下流量始終固定，所以水泵的能耗也會相應(yīng)的保持不變，不同負荷下水泵的能耗列于表1。
　　
　　
　　從表中可以看到，由于冷源側(cè)和負荷側(cè)均是定流量，所以水泵的能量消耗不隨著負荷的減少而降低，理論上是不變的。所以單獨討論一次泵定流量系統(tǒng)的水泵節(jié)能意義不大，但可以以之為參照，來對比其它系統(tǒng)的節(jié)能效果。
　　3.3 二次泵變流量系統(tǒng)不同負荷下水泵能耗
　　二次泵變流量系統(tǒng)的冷源側(cè)定流量，負荷側(cè)變流量，負荷側(cè)采用變頻泵。所以在系統(tǒng)布置上相對于其他兩種系統(tǒng)有較大的差異[5]。選用的水泵型號及臺數(shù)相對于其他兩個系統(tǒng)要進行調(diào)整。
　　3.3.1一次泵能耗
　　由于一次泵始終為定流量運行，所以其功耗不會因二次泵側(cè)流量的變化而變化，基本上兩臺水泵總功率固定在8.833kW的功率上。
　　3.3.2 二次泵能耗
　　本文對該建筑二次泵變流量系統(tǒng)的能源側(cè)的定流量泵的能耗以及負荷側(cè)變速泵流量分別在100%、90%、80%、70%、60%和50% 等6種不同流量工況下的能耗分別進行了詳細計算，并統(tǒng)計出各個工況下冷水泵的總能耗，詳細數(shù)據(jù)列于表2。
　　
　　
　　3.4 一次泵變流量系統(tǒng)不同負荷下水泵能耗
　　一次泵變流量系統(tǒng)冷源側(cè)變流量，負荷側(cè)變流量，冷源側(cè)與負荷側(cè)采用同一個變頻泵。由于其使用變頻泵，水泵特性曲線隨流量的變化而變化，所以在計算水泵能耗時相比于一次泵定流量系統(tǒng)更為復(fù)雜，下面將對不同流量時水泵的工作狀態(tài)點能耗分別進行確定和計算。
　　3.5 不同水系統(tǒng)水泵能耗對比分析
　　三種系統(tǒng)在不同負荷下水泵能耗列于表中可以看出，當系統(tǒng)負荷減少時，一次泵變流量系統(tǒng)在部分負荷情況時，由于采用了水泵變速措施，使得水泵能耗可以根據(jù)負荷的大小而相應(yīng)地變化，從而其水泵節(jié)能情況明顯優(yōu)于一次泵定流量系統(tǒng)。
　　二次泵變流量系統(tǒng)的冷源側(cè)定流量，負荷側(cè)變流量，負荷側(cè)采用變頻泵。冷源側(cè)水泵定流量，所以其一次泵的能耗固定。但一次泵只提供冷源側(cè)環(huán)路的水頭損失，負荷側(cè)的壓力損失則由二次泵提供，二次泵為變頻運行，能根據(jù)末端負荷調(diào)節(jié)流量，能耗可以隨負荷的變化而變化。從表中可以看出，滿負荷時，二次泵變流量系統(tǒng)相比于一次泵定流量系統(tǒng)沒有節(jié)能優(yōu)勢，甚至消耗更多的能量；但是隨著負荷的減小，二次泵變流量系統(tǒng)就開始體現(xiàn)其優(yōu)勢，負荷需求越小水泵節(jié)能效果越明顯。
　　4 結(jié)論
　　由于旁通控制與冷水機組分級啟停控制的復(fù)雜性和可能出現(xiàn)的故障，限制了一次泵變流量系統(tǒng)在高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用。然而，本文通過以上計算分析，可以證明在中央空調(diào)水系統(tǒng)中選用一次泵變流量系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟性與合理性。而且，目前國內(nèi)外許多專家學(xué)者都正在努力研究，致力于使一次泵變流量系統(tǒng)的控制更加簡便。同時許多設(shè)備廠商也正投入大量精力，試圖能生產(chǎn)出更能夠適應(yīng)一次泵變流量系統(tǒng)的設(shè)備，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定和發(fā)揮出更高的節(jié)能效益。因此，相信在不久的將來，一次泵變流量系統(tǒng)必將在中央空調(diào)水系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用，為我國的建筑節(jié)能事業(yè)貢獻一份力量。
　　
　　參考文獻
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