一次泵空調(diào)冷水系統(tǒng)的水力特性與節(jié)能分析

高亞鋒,李百戰(zhàn),陳玉遠(yuǎn),劉曉慶,金振星

（1.重慶大學(xué),三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶 400045;2.中鐵第四勘查設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063）

一次泵空調(diào)冷水系統(tǒng)可分為定流量與變流量2種水系統(tǒng),已廣泛應(yīng)用于公共建筑的空調(diào)工程中[1],它的合理設(shè)計(jì)與有效管理是一個(gè)集中空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的非常重要的一部分[2-4]。盡管許多學(xué)者對(duì)于一次泵空調(diào)冷水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理方面做了一些工作[5-7],但在實(shí)際空調(diào)工程運(yùn)行過程中仍然存在一些問題,對(duì)于冷水定流量系統(tǒng),常出現(xiàn)1臺(tái)水泵工作不能滿足設(shè)定溫度的需要,但運(yùn)行2臺(tái)水泵則過量 ,造成能量浪費(fèi)的情況,且管道壓力超過設(shè)計(jì)值時(shí),管道保護(hù)閥自動(dòng)打開,進(jìn)一步造成浪費(fèi)[6];對(duì)于冷水變流量系統(tǒng),當(dāng)水泵能耗占空調(diào)水系統(tǒng)的能耗比例大于 20%時(shí),冷水變流量具有顯著節(jié)能效果[9-11],但對(duì)于不同空調(diào)末端形式的空調(diào)水系統(tǒng)具體的水力特性、旁通管的選擇以及節(jié)能狀況尚待解決。目前,雖然在一次泵空調(diào)水系統(tǒng)中,末端全為風(fēng)機(jī)盤管形式的水力特性已經(jīng)非常明確[12],但末端全為空調(diào)器或空調(diào)器與風(fēng)機(jī)盤管組合的空調(diào)水系統(tǒng)的水力特性需進(jìn)一步研究。同時(shí)一次泵空調(diào)水系統(tǒng)定流量旁通管的選擇現(xiàn)已有成熟的表格可供參考[13],但對(duì)于一次變頻泵空調(diào)水系統(tǒng)旁通管的選擇尚不明確。在綜合分析一次泵空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行存在問題的基礎(chǔ)上,為確保一次泵空調(diào)水系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行,分析并了解其各種空調(diào)末端形式的水系統(tǒng)的水力特性及其節(jié)能實(shí)現(xiàn)方式非常重要。

為此,以一次泵空調(diào)水系統(tǒng)為研究對(duì)象,針對(duì)空調(diào)機(jī)或空調(diào)機(jī)和風(fēng)機(jī)盤管組合的2種方式的水力特性,冷水機(jī)的出口水溫調(diào)節(jié)和水泵變頻時(shí)的節(jié)能實(shí)現(xiàn)方式,對(duì)實(shí)現(xiàn)其水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行時(shí)的旁通管的選擇等進(jìn)行了研究。

1 一次泵水系統(tǒng)水力特性分析

1.1 末端全是空調(diào)機(jī)的情況

采用電動(dòng)二通閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的空調(diào)機(jī)系統(tǒng),通過改變二通閥的開度使末端水量與負(fù)荷變化相適應(yīng)。要確定整個(gè)空調(diào)機(jī)水系統(tǒng)瞬態(tài)相對(duì)供冷量與相對(duì)水量的關(guān)系,首先要確定單個(gè)空調(diào)機(jī)的換熱特性。文獻(xiàn)[14]通過對(duì)各種類型換熱器的熱工數(shù)據(jù)整理分析,得到了單個(gè)空調(diào)器的相對(duì)冷量ˉQ與相對(duì)水量ˉG的關(guān)系：

由式（1）可得單個(gè)空調(diào)機(jī)的相對(duì)水量與相對(duì)冷量之間的關(guān)系圖1（圖中虛線為參照線）,可看出,ˉQ≥ˉG。

圖1 空調(diào)機(jī)相對(duì)水量與相對(duì)冷量曲線圖

對(duì)于商業(yè)性建筑而言,各個(gè)區(qū)域的負(fù)荷差別不大,變化大致相同,每臺(tái)空調(diào)器都是根據(jù)所負(fù)擔(dān)區(qū)域的負(fù)荷變化而獨(dú)立控制的,所以可以認(rèn)為每臺(tái)空調(diào)器的瞬態(tài)相對(duì)供冷量相同且等于整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)相對(duì)供冷量,并且整個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)冷量與相對(duì)水量也滿足式（1）。即在部分負(fù)荷下,水量的減少比供冷量的減少要快,末端會(huì)出現(xiàn)大溫差小流量的現(xiàn)象,例如50%的水量就可以輸送75%的冷量。

1.2 末端為空調(diào)機(jī)與風(fēng)機(jī)盤管組合的情況

對(duì)于裙房為商業(yè)性用房而塔樓為辦公樓/寫字樓的建筑,基本上是采用空調(diào)機(jī)與風(fēng)機(jī)盤管組合形式（裙房采用空調(diào)機(jī),辦公樓、寫字樓為風(fēng)機(jī)盤管）。在水系統(tǒng)中,一般將塔樓與辦公部分單獨(dú)分區(qū),因此可以將它們看成2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),可以分別對(duì)2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

壓差旁通閥設(shè)定壓差與末端單個(gè)風(fēng)機(jī)盤管支路的設(shè)計(jì)壓差之比一般在4～6之間,假定取值為5。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)立管數(shù)r一般在10以上,文獻(xiàn)[15]表明空調(diào)負(fù)荷小于10%的情況只占到總時(shí)間的3.5%左右,所以對(duì)總開啟率B＜1/r的情況不予考慮。對(duì)于r≥10的情況,r2/（r-1）2的值如表1所示：

表1 對(duì)于不同的r,r2/（r-1）2的數(shù)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(shí)際水量等于最大值和最小值的算術(shù)平均值,并根據(jù)文獻(xiàn)[12]的結(jié)果,風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)的相對(duì)水量與相對(duì)冷量分別存在一個(gè)最大值與最小值,因此得到關(guān)系式（2）和（3）：

在不同的B（風(fēng)機(jī)盤管電磁閥總開啟率）下,可以得出相對(duì)水量與相對(duì)冷量。根據(jù)式（2）-（3）得ˉG和ˉQ關(guān)系圖2,由圖可知以通斷控制的風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)與空調(diào)機(jī)水系統(tǒng)的整體特性相反。在系統(tǒng)供回水壓差維持在設(shè)計(jì)壓差時(shí),部分負(fù)荷下,系統(tǒng)水量的減少比供冷量的減少要慢,水系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)小溫差大流量的運(yùn)行工況,50%的水量只能輸送40%的冷量。因此開啟的風(fēng)機(jī)盤管水流量都將超過設(shè)計(jì)值。

圖2 風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)相對(duì)水量與相對(duì)冷量關(guān)系圖

對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管與空調(diào)機(jī)組成的水系統(tǒng),其最終的水力特性曲線應(yīng)與兩者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷之比有關(guān)。為簡(jiǎn)化起見作以下假定：

1）設(shè)計(jì)狀態(tài)下空調(diào)機(jī)系統(tǒng)的總冷量與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的冷量之比為m,此時(shí)兩者設(shè)計(jì)水量之比也為m;

2）各個(gè)末端的負(fù)荷變化率相同且等于整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷率。

當(dāng)系統(tǒng)的相對(duì)冷量與相對(duì)水量成線性關(guān)系時(shí)即ˉQ=ˉG時(shí),以及圖1、圖2,得到臨界值m0如圖3。當(dāng)m大于m0時(shí),水力特性呈現(xiàn)空調(diào)機(jī)的特性,當(dāng)m小于m0時(shí),水力特性呈現(xiàn)風(fēng)機(jī)盤管的特性。對(duì)于一般的末端采用空調(diào)機(jī)與風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng),m約為1.0;對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管與新風(fēng)機(jī)組成的系統(tǒng),m約0.3。因此對(duì)于多數(shù)的集中空調(diào)系統(tǒng)都可以認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)的水力特性與空調(diào)機(jī)的水力特性相符,即ˉQ≥ˉG。

圖3 相對(duì)冷量與臨界值m0的關(guān)系

2 一次泵水系統(tǒng)節(jié)能方式分析

對(duì)一次泵空調(diào)水系統(tǒng)2種末端形式的水力特性分析結(jié)果表明,2種形式的末端負(fù)荷變化時(shí),水系統(tǒng)的水量變化相反。在此基礎(chǔ)之上,為確保一次泵空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能實(shí)現(xiàn),下面通過2個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 出口水溫調(diào)節(jié)

在負(fù)荷減小且水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)不變時(shí),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(yīng)設(shè)法減小旁通水量[13]。并且旁通水量的減少,使冷水機(jī)側(cè)的水量接近于用戶側(cè)的水量,使進(jìn)入蒸發(fā)器的水溫接近用戶側(cè)回水溫度,可以提高冷水機(jī)的COP。當(dāng)旁通水量較大時(shí),可認(rèn)為是用戶側(cè)流量偏小,此時(shí)可以適當(dāng)提高冷水機(jī)出口水溫的設(shè)定值,就會(huì)使用戶側(cè)水閥開度變大,流量增加,供回水溫差減小,旁通的水量將會(huì)減少,進(jìn)入蒸發(fā)器的水溫升高,出口水溫的設(shè)定值提高,冷水機(jī)的COP值也會(huì)增大,雖然水泵的能耗并沒有減少,但整個(gè)系統(tǒng)單位制冷量的能耗卻減少了。隨著用戶側(cè)水閥的逐漸開大,流量的不斷增加,供回水溫差會(huì)逐漸減小,當(dāng)溫差小于用戶側(cè)希望的最小溫差時(shí),此時(shí)表明供水溫度過高,應(yīng)降低冷水機(jī)的出口水溫設(shè)定值。

2.2 水泵的變頻調(diào)節(jié)

隨著制冷機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,制冷機(jī)冷凝器與蒸發(fā)器內(nèi)的水流量允許在一定的范圍內(nèi)變化,一般為設(shè)計(jì)流量的30%～130%之間,因此有人提出了對(duì)一次泵系統(tǒng)直接采用變流量的方式運(yùn)行[15-16]。

冷水機(jī)組流量過低會(huì)使冷水機(jī)組的效率下降很快,并且會(huì)加速結(jié)垢,所以將冷水機(jī)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(jī)組的相對(duì)流量變化對(duì)機(jī)組COP影響的曲線[10]。由圖4可以看出在機(jī)組流量減少時(shí),冷水機(jī)組的效率也隨之減小,冷水機(jī)組相對(duì)耗功會(huì)增加,但是水流量的減少會(huì)使冷凍水泵的能耗大大降低,兩者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能耗影響是相互矛盾的。定義n及冷水系統(tǒng)綜合COP如下：

式中：Q0為系統(tǒng)提供的冷量,W1、W2分別為所有運(yùn)行的冷水機(jī)組的耗功量與水泵的耗功量,單位均為kW。冷水系統(tǒng)綜合COP為系統(tǒng)變流量后,整個(gè)系統(tǒng)的能耗情況。

圖4 冷水機(jī)組的性能曲線

由于水泵變頻前后的水泵工作點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)化起見,假定水泵的耗功按水量3次方比例關(guān)系的基礎(chǔ)上再乘以0.8的系數(shù)[10]。

圖5 水力特性為直線時(shí)節(jié)能幅度

圖6 水力特性為空調(diào)機(jī)時(shí)節(jié)能幅度

根據(jù)節(jié)能量與各個(gè)水量運(yùn)行的時(shí)間可以得到總節(jié)能量,令總節(jié)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(dāng)系統(tǒng)水力特性曲線分別為直線與空調(diào)機(jī)特性曲線時(shí),水泵能耗所占的比例分別約為18%與15%為臨界狀態(tài),水泵能耗比例在臨界值以上時(shí),系統(tǒng)都是節(jié)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(tǒng)的水力特性越接近于空調(diào)機(jī)的水力特性,系統(tǒng)的節(jié)能幅度也越大;在相對(duì)流量為90%以上時(shí),系統(tǒng)不節(jié)能,但由于在這段時(shí)期的運(yùn)行總時(shí)間在3.6%以下,而系統(tǒng)有90%的時(shí)間在80%負(fù)荷以下運(yùn)行,所以在這段時(shí)間運(yùn)行費(fèi)用的增加比起低流量時(shí)所節(jié)省的費(fèi)用是微不足道的。

根據(jù)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(tǒng)的水力特性曲線,若系統(tǒng)的水力特性越接近于空調(diào)機(jī)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(diào)節(jié)方式節(jié)能效果是相當(dāng)顯著的。

3 旁通管的選擇

根據(jù)前面的分析,不管水系統(tǒng)采用變頻與否,均存在系統(tǒng)負(fù)荷降低或關(guān)閉冷水機(jī)組時(shí),冷水相對(duì)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(gè)節(jié)能水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。文獻(xiàn)[17]表明有86%以上的冷水機(jī)被用在2臺(tái)以及2臺(tái)以上的冷水機(jī)組組合的應(yīng)用場(chǎng)合。以下主要針對(duì)冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)大于等于2臺(tái)的情況下,對(duì)水系統(tǒng)采用與未采用變頻時(shí)的旁通管選擇方法進(jìn)行了分析。

3.1 水系統(tǒng)未采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)

根據(jù)上面的分析,當(dāng)m≥0.3時(shí),空調(diào)水系統(tǒng)的特性曲線接近其末端全是空調(diào)機(jī)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(shuō)旁通管中的水量有可能大于一臺(tái)水泵的流量。在末端全是空調(diào)機(jī)的情況下,分別為2臺(tái)和3臺(tái)冷水機(jī)時(shí),根據(jù)末端所需的總水量（由式1）和水泵的總水量,隨著負(fù)荷的變化,旁通流量相對(duì)單臺(tái)水泵的水量的曲線如圖7、8。可以看出,隨著冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)的增加,旁通水量的峰值也隨之增加,最大水量出現(xiàn)在冷水機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)由設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)向減小一臺(tái)時(shí)的過渡工況。在制冷機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)、3臺(tái)時(shí),旁通水量的峰值分別為單臺(tái)水泵流量的1.6與1.8倍,所以根據(jù)單臺(tái)水泵的流量來(lái)選擇旁通管管徑,或者以旁通水量等于單臺(tái)水泵的流量來(lái)控制冷水機(jī)的停機(jī)是不合適的。旁通管的流量應(yīng)根據(jù)單臺(tái)冷水機(jī)組水量的1.2～1.8倍來(lái)選擇,在m較小與冷水機(jī)臺(tái)數(shù)較少時(shí),可按下限來(lái)選擇;當(dāng)m較大與冷水機(jī)臺(tái)數(shù)較多時(shí),可按上限來(lái)選擇。

圖7 2臺(tái)冷水機(jī)時(shí)的旁通流量相對(duì)單臺(tái)水泵的流量

圖8 3臺(tái)冷水機(jī)時(shí)的旁通流量相對(duì)單臺(tái)水泵的流量

3.2 水系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)

由于冷水機(jī)組的流量下限為額定水量的60%,此時(shí)提供的冷量要大于60%,所以在負(fù)荷降到60%之前,水泵不能再降低轉(zhuǎn)速,水泵與冷水機(jī)組均應(yīng)作定流量運(yùn)行,此時(shí)旁通管也是必須的,應(yīng)通過壓差旁通閥旁通富余的水量,直到系統(tǒng)的冷量降低到可以少開一臺(tái)冷水機(jī)組就能滿足末端的負(fù)荷需要為止。由于水泵的變頻調(diào)節(jié)作用,可以按單臺(tái)冷水機(jī)的20%～100%來(lái)選擇旁通管。在m較小,可以按下限來(lái)選擇;當(dāng)m較大與冷水機(jī)臺(tái)數(shù)較多時(shí),可以按上限來(lái)選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于末端為空調(diào)機(jī)（新風(fēng)機(jī)）與風(fēng)機(jī)盤管組成的水系統(tǒng),整個(gè)末端系統(tǒng)的水力特性與空調(diào)機(jī)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(diào)水系統(tǒng)能耗比例大于0.3時(shí),系統(tǒng)的水力特性越接近于空調(diào)機(jī)的水力特性時(shí),采用水泵變頻的方法節(jié)能效果是相當(dāng)顯著,節(jié)能幅度大于10%。

3）在水泵未采用變頻時(shí),可以根據(jù)單臺(tái)冷水機(jī)水量的1.2～1.8倍來(lái)選擇旁通管;水泵變頻時(shí),按單臺(tái)冷水機(jī)流量的20%～100%來(lái)選擇。其具體數(shù)值要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的水力特性以及冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)確定。

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（編輯胡英奎）