暖通空調中的水系統調節與水系統節能控制

李昌龍 孫振鵬

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當前社會，人們對于暖通空調系統的使用越來越頻繁，使得城市的空調用電量不斷增加。而暖通空調系統中的水泵風機和制冷劑是主要的能耗因素，其能耗比例占到總能耗的60%。傳統的暖通空調系統主要是按照最大負荷量進行設計，采用定水量的方式，但這種方法容易造成“大流量，小溫差”的現象，極大的浪費了能源[1]。因此，本文所要闡述的就是采用變流量水系統來降低整個暖通空調的能耗。所謂變流量水系統就是在實際使用過程中，水泵供水量會根據整個空調系統的負荷量進行相應的調整來降低水泵功率，進而降低能耗。變流量水系統既能確保空調系統的舒適性，而且能夠最大限度的實現節能，其節能效率可以達到40%。

1 暖通空調系統的水力失調概念

水力失調主要是指用戶在實際使用過程中，空調系統的實際流量與設計要求流量之間存在不一致性，其兩者之間的比值稱之為水力失調度。而水力平衡則是指每個熱用戶在其他熱用戶的流量改變時保持自身流量不變的能力，其能力的高低主要通過熱用戶的水力穩定系數來表示[2]。暖通空調水系統的主要目的就在于實現整個系統范圍內的水力平衡，盡可能的減少水力失調的現象。

2 變流量系統的實現形式

綜合整個暖通空調系統的經濟成本和節能降耗問題，大部分的空調系統采用一次泵定流量二次泵變流量的工作形式。這是因為如果全部采用變流量的方式，則會顯著增加整個空調系統的投資成本，而且對于后期建設所需要的占地面積也會增加，加大系統的維護運行難度，導致節能降耗與經濟成本之間的不協調，甚至起到反作用[3]。而一次泵定流量二次泵變流量的工作形式能夠利用定流量的方式來分別分擔緩解系統冷源側和負荷側的壓力，利用變流量有效的實現了節能降耗的性能優勢，避免了蒸發器在運行過程中出現凍結以及機組COP降低的問題。不同冷水機組具有自身相匹配的調節設備，以實現流量隨負荷的自動調節。其中比較典型的幾種調節方式有：離心式冷水機組主要是通過變頻調節葉輪的轉速以實現無級調節制冷；而活塞壓縮冷水機組則是通過控制壓縮機氣缸的使用數量來匹配負荷變化量；螺桿式冷水機組中滑閥能夠改變螺桿的長度，改變氣體的吸入量，進而調節制冷量。

3 變流量對暖通空調水系統COP的影響

3.1 冷水機組能量

冷水機組的節能主要取決于制冷量和冷負荷之間的平衡調節效果。制冷機的功耗主要包括指示功耗、摩擦能耗和能量損失。在部分負荷的狀態下，假設制冷工況不變，則指示功耗與負荷率成正比變化，負荷率降低，指示功耗降低。但是，摩擦耗能和能量損失與符合率無關，不會隨之降低。所以，冷負荷的減少并不會直接降低壓縮機的軸功率。將制冷量減速率和功耗的減速率作對比，當制冷量的減速率偏大時，則COP會隨之下降；當功耗的減速率偏大時，則COP會出現上升[4]。對此進行試驗驗證可以發現，不同的測試條件，COP所呈現出來的特征也不一樣，其主要特征就是拐點。例如：處于冷卻水溫恒定的狀態下，通常在80%左右會出現拐點，而在ARI工況下，則在50%左右就會出現拐點。因此，制冷量的降低并不是提高冷水機組COP的有效手段，其調節結果與機組的調節技術等因素均有關系。

3.2 冷水機組匹配性

冷水機組匹配性主要是指蒸發器、冷凝器、壓縮機、自控、節流等系統之間的匹配性。不同機型對于冷負荷的變化所呈現出來的性能表象各不相同，進而影響機組的COP。其中，蒸發溫度是影響COP的重要因素。在冷機蒸發器內，當水側流量發生變化時，蒸發器的傳熱系數與冷水流量具有直接關系，且一般成正比關系[5]。當相對流量大于設計流量的60%時，冷水流量的減少會導致蒸發溫度和COP的降低，根據實驗數據統計，蒸發溫度下降1℃以內，COP下降可以達到10%左右。

3.3 水系統的熱傳遞

以往的設計方案中，冷水機組的標稱冷量不應該低于系統設計容量，但這種情況下機組基本上只有1%的時頻運行在高COP區，因此，需要計算出空調負荷，設計出最大時頻處于制冷劑高COP區間的機型。另外，當蒸發器的溫度保持不變的情況下，回水溫度升高，則蒸發器內水側對數平均溫度將提高，平均傳熱溫差隨之增加，這有利于機組COP的提高。而蒸發器冷水流量降低會使水側的傳熱系數降低，雖然能夠提高冷水進出口的溫差但是機組的COP會相應的下降。在一定的低COP區間內，即使整個系統的冷負荷率偏低，但是其節能效果并不明顯。同時，水系統的運行流速也是需要加以控制的。對于含有有機物或者鹽分的水質，如果流速過低，則會很容易腐蝕管壁。但是，如果流速過低，則水泵冷卻風扇的轉速會非常低，不僅不會帶來良好的制冷效果，而且很可能因為長時間空轉而導致電機燒毀。

4 結語

綜上所述，在暖通空調水系統中需要調節控制的因素相對較多，工作人員應該結合工程投資預算和系統的配置要求進行水力平衡設備的配置，不僅需要在合理的位置安裝水力平衡閥門，而且要設計合理的方案進行系統聯調，確保整個空調系統最大程度上實現水力平衡，在保證系統正常運行的前提下節能降耗，達到其最理想的工作狀態。