冷凍水變流量系統節能性分析

章慧穎

(上海市閔行區建設受理服務中心，上海 201199)

0 引 言

建筑使用能耗占國民經濟總能耗的比例已經從原來的1/4水平向1/3水平發展[1]。暖通空調是建筑能耗中的大戶，占50%～60%。以上海為例，夏季空調用電約占全市用電量的40%[2]。冷凍水變流量系統的應用，能有效降低空調系統的能耗，對降低建筑能耗有著積極的意義。

1 空調冷凍水系統的一/二次泵變流量系統

空調冷凍水系統分為定流量系統和變流量系統。定流量系統中，冷凍水的總水量保持恒定不變(或者按照水泵的啟停臺數“階梯式”變化)。變流量系統中，冷凍水的水量隨著末端裝置流量的變化而自動調節。

隨著技術的發展和建筑節能的需要，冷凍水變流量已廣泛應用在空調的冷凍水系統中。常見的變流量系統主要有一次泵變流量和二次泵變流量系統。

1.1 一次泵變流量系統

一次泵變流量系統可分為壓差旁通和變頻變流量系統兩種形式。

壓差旁通變流量系統中，設置壓差控制的旁通閥。當末端需求的水量變少時，旁通閥開啟使一部分供水直接進入系統的回水管。此系統變流量時，水泵的轉速不發生變化，流量保持穩定。

變頻變流量系統中，當用戶側冷負荷需求降低時，冷凍水側的閥門開度調節，通過改變冷水泵的轉速，減少冷凍水供應，降低冷水泵的運行能耗。變頻變流量系統中采用可變流量的冷水機組,使蒸發器側流量隨負荷側流量的變化而改變,使冷凍機的運行與末端的特點相匹配。此時，冷凍水泵和制冷機組的水量都隨空調負荷的變化而改變。

一次泵變流量系統采用多機對多泵取代傳統系統的一機一泵系統，同時在旁通管上加電動閥，可防止高低溫水的混合,并實現冷凍水全程變流量[3]。

1.2 二次泵變流量系統

一級泵和二級泵組成的變流量冷凍水系統。系統循環水的阻力由兩級水泵串聯承擔。其中一級泵承擔從冷水機組至分水器、集水器回到冷水機組環路的阻力，二級泵承擔從分水器至末端，再回到集水器環路的阻力損失。一、二級泵分別采用不同的控制方式，通常一級泵采用臺數控制，二級泵采用變頻運行，從而保證冷水機組穩定運行及系統高效節能。

一級泵負責制冷機房內管道阻力損失，揚程較小。二級泵根據各個分區阻力損失選擇不同的揚程，在各分支環路阻力相差較大時，有顯著優勢。

2 工程實例節能量分析

一次泵壓差旁通變流量系統在冷水機組側，實質上依然屬于定流量系統。相對于定流量系統，系統的運行能耗并無太大變化。

而和二次泵變流量系統相比，一次泵變流量系統采用變頻冷水機組；減少了一級定頻泵。但由于制冷機組蒸發器的流量減少，冷水機組的效率會有所下降(蒸發器的傳熱系數降低)。但近年來國內外學者研究表明，在一定范圍內，冷水泵降低的能耗比冷水機組增加的能耗更多，系統全年運行的總體能耗依然會下降。

在文中，以某實際工程為例，通過能耗模擬軟件eQuest，分別模擬了空調冷凍水系統采用一次泵變頻變流量和二次泵變流量系統的全年能耗。

2.1 工程概況

項目位于上海，總建筑面積30 663 m2，本項目地上7層，地下2層；地上為辦公區域，地下為設備機房和停車區域。建筑高度36.55米，一層層高6.9米，二層層高5.4米，三～七層層高4.5米，模擬建筑模型如圖1所示。

圖1 “eQUEST”模型

建筑的運行時間分為區域開放時間和HVAC系統開啟時間。其中開放時間為8∶00～17∶00，系統開啟時間7∶00～18∶00，節假日均關閉。采用了eQuest 3.65能耗模擬軟件，分別模擬項目在采用冷凍水一次泵變頻變流量和二次泵變流量系統時全年的能耗。

2.2 工程空調系統方案設置

項目集中設置冷熱源，位于地下一層的設備機房內。冷源為2臺離心式冷水機組；熱源為2臺鍋爐?？照{系統末端變風量(VAV)系統。

方案一：一次泵變頻變流量系統，采用2臺離心變頻機組、設計2臺變頻冷凍水循環泵；方案二：二次泵變流量系統，采用2臺離心變頻機組，設計2臺定頻一次泵，1臺變頻二次泵。方案一、二的具體參數見表1。

表1 HVAC系統表

2.3 能耗模擬結果

在運行時間、建筑外圍護結構的傳熱系數、各區域照明和設備功率密度及使用時間表、建筑的人員密度等均保持一致的情況下，對冷凍水系統分別采用方案一和方案二設計時，進行了全年能耗模擬，結果如圖2所示。

圖2 方案一和方案二“eQUEST”能耗模擬結果

如圖中2所示，左圖方案一能耗模擬結果顯示，全年制冷耗電量為211.4×103kWh，水泵耗電量為44.7×103kWh。方案二的全年制冷耗電量為233.8×103kWh，水泵耗電量為65.6×103kWh。

模擬結果顯示，相對與二次泵變流量系統，一次泵變頻變流量系統的制冷機組能耗有所降低；水泵的能耗降低了31.8%。方案一的全年能耗降低較明顯。

3 結束語

一次泵變頻變流量系統，打破了冷水機組蒸發器水流量必須固定的限制，取消了二次泵,直接通過一次泵變頻技術減少冷凍水的供應，來適應一定范圍內的冷負荷變化，有效降低了空調水系統的全年運行電耗。

二次泵系統中一級泵在末端部分負荷時，任然定流量運行。但針對各末端環路阻力不同時，可分別設置二級泵。根據各自環路負荷的變化控制相應的二級泵變頻變流量運行。在末端環路負荷變化不同步或各環路阻力相差較大時，二次泵變頻系統更適用。

為了降低建筑的能耗，需要項目的不同性，合理選用空調系統設計方案，優化空調水系統方案。