中央空調(diào)水系統(tǒng)的變頻改造

郭 杰 嚴(yán)良文 李 文 叢 閱

（浙江桐鄉(xiāng)新鳳鳴集團(tuán)）（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院)

目前民用、商用建筑使用的中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在能耗偏高的問題，空調(diào)年耗電量超過400億kW·h。在許多地區(qū)的電網(wǎng)中，空調(diào)制冷負(fù)荷比重超過30%～40%，是眾多能耗當(dāng)中重要的一部分[1-4]。統(tǒng)計(jì)資料表明，在建筑物的總運(yùn)行能耗中空調(diào)系統(tǒng)占到30%～50%，而為整個(gè)冷水循環(huán)系統(tǒng)提供動(dòng)力的冷水循環(huán)泵耗電量又占空調(diào)系統(tǒng)耗電量的18%左右，即循環(huán)水泵耗電量占建筑物總能耗的5.4%～9.0%，這是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字[4]。在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備選型中均以最大負(fù)荷作為設(shè)計(jì)工況，而實(shí)際運(yùn)行中空調(diào)負(fù)荷則隨多種因素波動(dòng)，有時(shí)工作負(fù)荷甚至還不到設(shè)計(jì)負(fù)荷的10%，大量能源被浪費(fèi)。我國(guó)目前中央空調(diào)水送能耗與重視節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能管理的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是日本相比，差距較大。以日本綠色飯店空調(diào)水送能耗評(píng)定指標(biāo)為例，其規(guī)定值不大于28.6 W/kW，而統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)目前普遍為 59～143 W/kW，是日本的2～5倍。這說明平均有60%以上的電能被浪費(fèi)[5]。

在能源問題日漸突出的今天，對(duì)空調(diào)的水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造變得非常普遍。當(dāng)然這一部分確實(shí)有很多的 “能”可以節(jié)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是按照最極端的天氣情況選擇制冷機(jī)組及匹配循環(huán)水系統(tǒng)，甚至還使用安全系數(shù)放大系統(tǒng)負(fù)荷，但實(shí)際上一年之中絕大部分時(shí)間工作負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷，而水泵通常是全速運(yùn)行輸送最大的流量，因而浪費(fèi)了大量電能。（2）由于水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)工況與水泵實(shí)際運(yùn)行工況存在較大偏差，循環(huán)水的實(shí)際輸送情況可能與設(shè)計(jì)不符，可能出現(xiàn)揚(yáng)程偏高、流量偏大的情況，以及水泵處于低效區(qū)工作和水泵實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率差等情況，這些都會(huì)造成能源浪費(fèi)。（3）由于空調(diào)所處地晝夜溫差、季節(jié)變化、人員流動(dòng)等原因，使得空調(diào)工作負(fù)荷始終處于一定范圍的波動(dòng)之中，而水泵無法跟隨負(fù)荷的波動(dòng)調(diào)節(jié)自身的運(yùn)行狀況，只能以工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)輸送循環(huán)水。這些情況在現(xiàn)場(chǎng)中十分普遍，也引起了相關(guān)技術(shù)人員的注意。由于變頻節(jié)能技術(shù)已經(jīng)得到相當(dāng)大的推廣應(yīng)用，一些現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員認(rèn)為，只要使用變頻技術(shù)就一定能節(jié)能，但對(duì)于是否適合于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，以及變頻后的節(jié)能效果是否明顯，往往疏于考慮。

1 中央空調(diào)水系統(tǒng)分析

中央空調(diào)的水系統(tǒng)是否需要做變頻改造，首先必須考慮空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷率的問題。一般空調(diào)系統(tǒng)是按照冷凍水和冷卻水進(jìn)回水溫差為5～7℃設(shè)計(jì)的，因此系統(tǒng)的水流量就是按照最極端工況下的滿負(fù)荷情況來設(shè)計(jì)的，并匹配相應(yīng)的水泵。而實(shí)際運(yùn)行過程中，由于受外界環(huán)境溫度、內(nèi)部人員流動(dòng)等多方面因素的影響，實(shí)際測(cè)量冷凍水和冷卻水的進(jìn)回水溫差大約只有1～2℃，這說明系統(tǒng)負(fù)荷非常小，而水系統(tǒng)機(jī)組卻處于全速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)然對(duì)于系統(tǒng)的負(fù)荷情況必須有一個(gè)長(zhǎng)期全面的測(cè)量，才能將循環(huán)水系統(tǒng)流量降低到一個(gè)合理安全的范圍。同時(shí)，還需要綜合考慮制熱和制冷的工況，把握整個(gè)空調(diào)工作期間的運(yùn)行情況和每天不同時(shí)段的負(fù)荷率。長(zhǎng)期處于負(fù)荷低、波動(dòng)大工況的系統(tǒng)是有很大的節(jié)能空間的。因此在決定對(duì)系統(tǒng)改造前，要全面地監(jiān)測(cè)冷卻水及冷凍水的進(jìn)出口溫差，以及循環(huán)水流量、壓力等參數(shù)，針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率及現(xiàn)場(chǎng)工況特點(diǎn)等情況制定周詳?shù)母脑旆桨浮Ｍ瑫r(shí)需要特別注意：并不是水系統(tǒng)溫差小就一定說明負(fù)荷率低，有時(shí)由于系統(tǒng)運(yùn)行年限已久、換熱系統(tǒng)結(jié)垢等原因，雖然溫差小，但是樓內(nèi)制冷效果并不好，對(duì)這種情況一定要區(qū)別對(duì)待。這種情況并不是由于負(fù)荷低而是由于換熱器換熱效果不佳造成了進(jìn)回水溫差小，因此應(yīng)先對(duì)系統(tǒng)管道進(jìn)行清洗后再考慮是否需要進(jìn)行變頻改造。

雖然變頻可以降低水泵的能耗，但不能忽視另一個(gè)問題：當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降低后，流量隨之下降，此時(shí)制冷機(jī)組的COP下降，導(dǎo)致能耗加大，因此改造之前需要衡量這兩方面的得失。隨著制冷劑技術(shù)的發(fā)展，蒸發(fā)器和冷凝器的循環(huán)水流量可以在一定范圍內(nèi)變化，例如日立水冷螺桿式冷水機(jī)組允許蒸發(fā)器、冷凝器水流量在額定流量的30%～130%之間變化，該范圍內(nèi)的流量變化引起的制冷機(jī)組COP下降不超過10%。因此水泵能耗占整個(gè)系統(tǒng)能耗的比例越大，改造后節(jié)能的幅度就越大，反之亦然。20%左右為臨界狀態(tài)，在泵能耗占系統(tǒng)總能耗20%以上時(shí)，變頻改造才能達(dá)到節(jié)能的目的[6]。

通常情況下，必須準(zhǔn)確評(píng)估水泵當(dāng)前狀態(tài)下的運(yùn)行工況，并預(yù)測(cè)改造后的運(yùn)行情況?？梢允褂帽銛y式流量計(jì)方便地測(cè)量管路內(nèi)循環(huán)水流量，還可以利用現(xiàn)場(chǎng)水泵進(jìn)出口的壓力表確定管路及水泵的運(yùn)行情況。以單泵運(yùn)行為例，首先可以通過下式計(jì)算管路系統(tǒng)的阻力系數(shù)γ：

式中H2——水泵輸出壓力（揚(yáng)程）；

H1——水泵輸入壓力 （揚(yáng)程）；

ΔH——系統(tǒng)背壓 （封閉管路系統(tǒng)ΔH=0，開式系統(tǒng)ΔH為進(jìn)出口液面高度差）。

求得γ后，即可根據(jù)公式H=ΔH+γQ2繪制出以流量Q為橫坐標(biāo)、揚(yáng)程H為縱坐標(biāo)的管路特性曲線（見圖1中曲線1）。如果以5℃溫差作為調(diào)節(jié)參數(shù)控制流量，可以使用下式預(yù)估改造后的流量Q′：

式中Q——系統(tǒng)改造前的實(shí)際流量；

Δt——改造前的循環(huán)水進(jìn)出口溫差。根據(jù)預(yù)估的流量Q′，即可在管路曲線上找到水泵新的工況點(diǎn) （Q′，H′）。同時(shí)也可以由離心泵相似定理通過下式繪制出該泵在變速條件下的性能曲線 (見圖1中曲線3）[7]：

圖1 水泵性能曲線與管路曲線

由于變速后水泵效率曲線基本不發(fā)生變化，即可在水泵的效率曲線 (見圖1中曲線4)上找到變速后水泵的機(jī)械效率。如果變速后水泵運(yùn)行效率高，且在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)水泵都處于高效區(qū)，則不需重新選擇水泵。根據(jù)新的工況可以計(jì)算出改造后的水泵能耗。

2 水系統(tǒng)的改造

經(jīng)過前面的分析，空調(diào)系統(tǒng)存在各類不合理情況時(shí)，可以考慮采用變頻等方式來減小循環(huán)水系統(tǒng)的流量，以達(dá)到節(jié)能的目的。但改造工作并不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單添加變頻器即可。例如，某中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，即在原有水系統(tǒng)基礎(chǔ)上僅僅對(duì)冷凍水泵和冷卻水泵加裝變頻器，但由于該樓入住率低于預(yù)期設(shè)計(jì)水平，空調(diào)負(fù)荷率非常低，結(jié)果改造完成后發(fā)現(xiàn)變頻器始終工作在設(shè)定的最低限 （由于成本原因，電機(jī)沒有更換為變頻電機(jī)，仍使用現(xiàn)有的普通電機(jī)；考慮散熱等因素，變頻器低限設(shè)置在35 Hz），而且循環(huán)水系統(tǒng)熱負(fù)載能力還有富余。雖然這樣改造使得水泵耗電量下降了約2/3，但改造后的系統(tǒng)并不完善。如果在改造之初充分把握現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)荷情況，加上對(duì)水泵以及管路的考慮，重新匹配水泵、優(yōu)化管路，則可以帶來更多的效益。所以為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能量最大化，一定要根據(jù)水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況因地制宜地進(jìn)行改造。改造時(shí)，主要應(yīng)考慮以下幾方面問題：冷卻水和冷凍水進(jìn)出口溫差、水泵運(yùn)行情況、管路運(yùn)行情況。

冷卻水和冷凍水已經(jīng)在前面討論過，而水泵以及管路往往是容易被忽視的問題，而這些問題將直接影響到改造效果。絕大部分循環(huán)水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都留有過大的余量，實(shí)際運(yùn)行中需要通過進(jìn)出口閥門來控制輸出流量的大小，這時(shí)水流大部分動(dòng)能白白耗在閥門阻力上了，而且初始的設(shè)計(jì)誤差會(huì)導(dǎo)致水泵當(dāng)前的工作狀況并不合理，運(yùn)行效率低下。此外，原有的水泵并不一定適合變頻后狀態(tài)下的運(yùn)行，也會(huì)造成水泵運(yùn)行效率低下等問題。所以改造的時(shí)候要根據(jù)這些現(xiàn)場(chǎng)情況以及計(jì)算結(jié)果考慮水泵的更換與否。

既然改造為調(diào)速運(yùn)行，就需要考慮使用合理的參數(shù)作為調(diào)節(jié)的根據(jù)，這個(gè)參數(shù)必須能夠恰當(dāng)?shù)胤从池?fù)荷情況。由于冷卻水管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定單一，基本上為一次循環(huán)，因此最好使用進(jìn)出口溫差來調(diào)節(jié)。對(duì)于冷凍水部分則有多種選擇，目前還沒有統(tǒng)一的看法，有的使用出口溫度作為控制量，也有的使用進(jìn)出口壓差或者進(jìn)出口溫差作為控制量。雖然溫度能一定程度上反映負(fù)荷的波動(dòng)情況，但其受外界環(huán)境、氣候因素的影響波動(dòng)嚴(yán)重。夏天制冷時(shí)冷凍水出口溫度一般處于5～7℃，溫度并不能完全地反映負(fù)荷波動(dòng)情況，但使用溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù)可以兼顧制冷機(jī)組的效率和用戶的舒適性。對(duì)于冷凍水為一次循環(huán)的系統(tǒng)，可以采用壓差或者溫差作為控制參數(shù)。以壓差為控制參數(shù)，即以制冷主機(jī)的出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據(jù)，使循環(huán)于各樓層的冷凍水能夠保持足夠的壓力，進(jìn)行恒壓差控制。如果壓差值低于規(guī)定的下限值，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將不再下降。若壓差較小，說明系統(tǒng)負(fù)荷不大，可減小水泵的轉(zhuǎn)速，使壓差上升；若壓差較大，說明系統(tǒng)負(fù)荷較重，可增加水泵的轉(zhuǎn)速，使壓差下降。以溫差為控制參數(shù)，即對(duì)溫差進(jìn)行檢測(cè)，以制冷主機(jī)的回水溫度和出水溫度之間的溫差信號(hào)為反饋信號(hào)，使循環(huán)于各樓層的冷凍水能夠保持足夠的低溫，進(jìn)行恒溫差控制。若溫差較小，說明系統(tǒng)負(fù)荷不大，可減小水泵的轉(zhuǎn)速，使溫差上升；若溫差較大，說明系統(tǒng)負(fù)荷較重，可增加水泵的轉(zhuǎn)速，使溫差下降。不管使用何種調(diào)節(jié)方法，其流量調(diào)節(jié)的范圍不應(yīng)低于系統(tǒng)的報(bào)警閾值。嚴(yán)格地說，若不考慮冷凍水在傳輸途中的損失，制冷主機(jī)的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間中帶走的熱量。采用以溫差為主的控制方式，相比壓差更能反映系統(tǒng)的供冷負(fù)荷，非常適合對(duì)已有空調(diào)的變頻改造。以溫差為主的控制方式相比其他控制方式，既無需在各支路增加電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥，又能保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。也就是說，各支路沒有采用自主調(diào)節(jié)的電動(dòng)二通閥門，閥門的開度還是根據(jù)初調(diào)節(jié)決定的。這樣經(jīng)過改造后的變流量系統(tǒng)，在泵進(jìn)行調(diào)速時(shí)，流量還是按照原先的比例進(jìn)行分配。在絕大多數(shù)情況下，各個(gè)房間的負(fù)荷急劇變化的情況很少出現(xiàn)，可以近似認(rèn)為是相似工況，所以按照過去比例分配流量是可行的[8]。對(duì)于冷凍水二次循環(huán)系統(tǒng)可采用不同的控制方式，一次循環(huán)水泵使用溫差作為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，二次循環(huán)水泵以進(jìn)出口壓差為調(diào)節(jié)參數(shù)。

3 結(jié)論

本文對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造方法進(jìn)行了論述。由于中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，涉及到換熱器、冷凍機(jī)、水泵、電機(jī)、管路，任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的改變，因此改造之前必須全面結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)水溫、流量、壓力等參數(shù)，通過這些參數(shù)來制定合理的改造方案，并預(yù)測(cè)改造后的運(yùn)行情況，以判斷改造效果，從而作出合理的決策。

[1] 劉清江，韓學(xué)庭.中央空調(diào)運(yùn)行管理節(jié)能問題的研究[J].上海節(jié)能，2006 （3）： 59-61.

[2] 蘇明哲，張存泉.變頻節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].供熱制冷，2004（12） ：77-79.

[3] 沈雅鈞，龔希武，金劍雄.中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案探討 [J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002（3）： 260-262.

[4] 趙賢兵，梁桂森，李芳芹.變頻技術(shù)在空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用與節(jié)能分析 [J].節(jié)能，2004（11）：19-21.

[5] 胡書琴，張九根.變頻節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [J].電氣應(yīng)用，2007（9）：128-131.

[6] 蔡良君.淺析一次泵系統(tǒng)變流量的可行性 [J].福建建設(shè)科技,2006 （4）： 18-82.

[7] 袁泉，蔣偉凌，王冰.變頻調(diào)速離心泵并聯(lián)運(yùn)行的選型計(jì)算 [J].流體機(jī)械,2008（2）：36-37.

[8] 張承維.變頻調(diào)速技術(shù)用于中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能 [D].貴陽：貴州大學(xué)，2008：68.