暖通空調(diào)中的水系統(tǒng)調(diào)節(jié)與水系統(tǒng)節(jié)能控制

李昌龍 孫振鵬

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當(dāng)前社會(huì)，人們對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用越來越頻繁，使得城市的空調(diào)用電量不斷增加。而暖通空調(diào)系統(tǒng)中的水泵風(fēng)機(jī)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(tǒng)的暖通空調(diào)系統(tǒng)主要是按照最大負(fù)荷量進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(xiàn)象，極大的浪費(fèi)了能源[1]。因此，本文所要闡述的就是采用變流量水系統(tǒng)來降低整個(gè)暖通空調(diào)的能耗。所謂變流量水系統(tǒng)就是在實(shí)際使用過程中，水泵供水量會(huì)根據(jù)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整來降低水泵功率，進(jìn)而降低能耗。變流量水系統(tǒng)既能確保空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，而且能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其節(jié)能效率可以達(dá)到40%。

1 暖通空調(diào)系統(tǒng)的水力失調(diào)概念

水力失調(diào)主要是指用戶在實(shí)際使用過程中，空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)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(diào)度。而水力平衡則是指每個(gè)熱用戶在其他熱用戶的流量改變時(shí)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(wěn)定系數(shù)來表示[2]。暖通空調(diào)水系統(tǒng)的主要目的就在于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)的水力平衡，盡可能的減少水力失調(diào)的現(xiàn)象。

2 變流量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式

綜合整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本和節(jié)能降耗問題，大部分的空調(diào)系統(tǒng)采用一次泵定流量二次泵變流量的工作形式。這是因?yàn)槿绻坎捎米兞髁康姆绞?，則會(huì)顯著增加整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的投資成本，而且對(duì)于后期建設(shè)所需要的占地面積也會(huì)增加，加大系統(tǒng)的維護(hù)運(yùn)行難度，導(dǎo)致節(jié)能降耗與經(jīng)濟(jì)成本之間的不協(xié)調(diào)，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(dān)緩解系統(tǒng)冷源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的壓力，利用變流量有效的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的性能優(yōu)勢，避免了蒸發(fā)器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)凍結(jié)以及機(jī)組COP降低的問題。不同冷水機(jī)組具有自身相匹配的調(diào)節(jié)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)流量隨負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)。其中比較典型的幾種調(diào)節(jié)方式有：離心式冷水機(jī)組主要是通過變頻調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)制冷；而活塞壓縮冷水機(jī)組則是通過控制壓縮機(jī)氣缸的使用數(shù)量來匹配負(fù)荷變化量；螺桿式冷水機(jī)組中滑閥能夠改變螺桿的長度，改變氣體的吸入量，進(jìn)而調(diào)節(jié)制冷量。

3 變流量對(duì)暖通空調(diào)水系統(tǒng)COP的影響

3.1 冷水機(jī)組能量

冷水機(jī)組的節(jié)能主要取決于制冷量和冷負(fù)荷之間的平衡調(diào)節(jié)效果。制冷機(jī)的功耗主要包括指示功耗、摩擦能耗和能量損失。在部分負(fù)荷的狀態(tài)下，假設(shè)制冷工況不變，則指示功耗與負(fù)荷率成正比變化，負(fù)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(guān)，不會(huì)隨之降低。所以，冷負(fù)荷的減少并不會(huì)直接降低壓縮機(jī)的軸功率。將制冷量減速率和功耗的減速率作對(duì)比，當(dāng)制冷量的減速率偏大時(shí)，則COP會(huì)隨之下降；當(dāng)功耗的減速率偏大時(shí)，則COP會(huì)出現(xiàn)上升[4]。對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，不同的測試條件，COP所呈現(xiàn)出來的特征也不一樣，其主要特征就是拐點(diǎn)。例如：處于冷卻水溫恒定的狀態(tài)下，通常在80%左右會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，而在ARI工況下，則在50%左右就會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此，制冷量的降低并不是提高冷水機(jī)組COP的有效手段，其調(diào)節(jié)結(jié)果與機(jī)組的調(diào)節(jié)技術(shù)等因素均有關(guān)系。

3.2 冷水機(jī)組匹配性

冷水機(jī)組匹配性主要是指蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、自控、節(jié)流等系統(tǒng)之間的匹配性。不同機(jī)型對(duì)于冷負(fù)荷的變化所呈現(xiàn)出來的性能表象各不相同，進(jìn)而影響機(jī)組的COP。其中，蒸發(fā)溫度是影響COP的重要因素。在冷機(jī)蒸發(fā)器內(nèi)，當(dāng)水側(cè)流量發(fā)生變化時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)與冷水流量具有直接關(guān)系，且一般成正比關(guān)系[5]。當(dāng)相對(duì)流量大于設(shè)計(jì)流量的60%時(shí)，冷水流量的減少會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)溫度和COP的降低，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，蒸發(fā)溫度下降1℃以內(nèi)，COP下降可以達(dá)到10%左右。

3.3 水系統(tǒng)的熱傳遞

以往的設(shè)計(jì)方案中，冷水機(jī)組的標(biāo)稱冷量不應(yīng)該低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量，但這種情況下機(jī)組基本上只有1%的時(shí)頻運(yùn)行在高COP區(qū)，因此，需要計(jì)算出空調(diào)負(fù)荷，設(shè)計(jì)出最大時(shí)頻處于制冷劑高COP區(qū)間的機(jī)型。另外，當(dāng)蒸發(fā)器的溫度保持不變的情況下，回水溫度升高，則蒸發(fā)器內(nèi)水側(cè)對(duì)數(shù)平均溫度將提高，平均傳熱溫差隨之增加，這有利于機(jī)組COP的提高。而蒸發(fā)器冷水流量降低會(huì)使水側(cè)的傳熱系數(shù)降低，雖然能夠提高冷水進(jìn)出口的溫差但是機(jī)組的COP會(huì)相應(yīng)的下降。在一定的低COP區(qū)間內(nèi)，即使整個(gè)系統(tǒng)的冷負(fù)荷率偏低，但是其節(jié)能效果并不明顯。同時(shí)，水系統(tǒng)的運(yùn)行流速也是需要加以控制的。對(duì)于含有有機(jī)物或者鹽分的水質(zhì)，如果流速過低，則會(huì)很容易腐蝕管壁。但是，如果流速過低，則水泵冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速會(huì)非常低，不僅不會(huì)帶來良好的制冷效果，而且很可能因?yàn)殚L時(shí)間空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

4 結(jié)語

綜上所述，在暖通空調(diào)水系統(tǒng)中需要調(diào)節(jié)控制的因素相對(duì)較多，工作人員應(yīng)該結(jié)合工程投資預(yù)算和系統(tǒng)的配置要求進(jìn)行水力平衡設(shè)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(shè)計(jì)合理的方案進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，確保整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)最大程度上實(shí)現(xiàn)水力平衡，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下節(jié)能降耗，達(dá)到其最理想的工作狀態(tài)。