一次泵空调冷水系统的水力特性与节能分析

高亚锋,李百战,陈玉远,刘晓庆,金振星

（1.重庆大学,三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆 400045;2.中铁第四勘查设计院集团有限公司,武汉 430063）

一次泵空调冷水系统可分为定流量与变流量2种水系统,已广泛应用于公共建筑的空调工程中[1],它的合理设计与有效管理是一个集中空调系统节能的非常重要的一部分[2-4]。尽管许多学者对于一次泵空调冷水系统的节能设计与运行管理方面做了一些工作[5-7],但在实际空调工程运行过程中仍然存在一些问题,对于冷水定流量系统,常出现1台水泵工作不能满足设定温度的需要,但运行2台水泵则过量 ,造成能量浪费的情况,且管道压力超过设计值时,管道保护阀自动打开,进一步造成浪费[6];对于冷水变流量系统,当水泵能耗占空调水系统的能耗比例大于 20%时,冷水变流量具有显著节能效果[9-11],但对于不同空调末端形式的空调水系统具体的水力特性、旁通管的选择以及节能状况尚待解决。目前,虽然在一次泵空调水系统中,末端全为风机盘管形式的水力特性已经非常明确[12],但末端全为空调器或空调器与风机盘管组合的空调水系统的水力特性需进一步研究。同时一次泵空调水系统定流量旁通管的选择现已有成熟的表格可供参考[13],但对于一次变频泵空调水系统旁通管的选择尚不明确。在综合分析一次泵空调水系统节能运行存在问题的基础上,为确保一次泵空调水系统的高效节能运行,分析并了解其各种空调末端形式的水系统的水力特性及其节能实现方式非常重要。

为此,以一次泵空调水系统为研究对象,针对空调机或空调机和风机盘管组合的2种方式的水力特性,冷水机的出口水温调节和水泵变频时的节能实现方式,对实现其水系统节能运行时的旁通管的选择等进行了研究。

1 一次泵水系统水力特性分析

1.1 末端全是空调机的情况

采用电动二通阀进行调节的空调机系统,通过改变二通阀的开度使末端水量与负荷变化相适应。要确定整个空调机水系统瞬态相对供冷量与相对水量的关系,首先要确定单个空调机的换热特性。文献[14]通过对各种类型换热器的热工数据整理分析,得到了单个空调器的相对冷量¯Q与相对水量¯G的关系：

由式（1）可得单个空调机的相对水量与相对冷量之间的关系图1（图中虚线为参照线）,可看出,¯Q≥¯G。

图1 空调机相对水量与相对冷量曲线图

对于商业性建筑而言,各个区域的负荷差别不大,变化大致相同,每台空调器都是根据所负担区域的负荷变化而独立控制的,所以可以认为每台空调器的瞬态相对供冷量相同且等于整个系统的瞬态相对供冷量,并且整个系统的相对冷量与相对水量也满足式（1）。即在部分负荷下,水量的减少比供冷量的减少要快,末端会出现大温差小流量的现象,例如50%的水量就可以输送75%的冷量。

1.2 末端为空调机与风机盘管组合的情况

对于裙房为商业性用房而塔楼为办公楼/写字楼的建筑,基本上是采用空调机与风机盘管组合形式（裙房采用空调机,办公楼、写字楼为风机盘管）。在水系统中,一般将塔楼与办公部分单独分区,因此可以将它们看成2个独立的系统,可以分别对2个系统进行处理。

压差旁通阀设定压差与末端单个风机盘管支路的设计压差之比一般在4～6之间,假定取值为5。风机盘管系统立管数r一般在10以上,文献[15]表明空调负荷小于10%的情况只占到总时间的3.5%左右,所以对总开启率B＜1/r的情况不予考虑。对于r≥10的情况,r2/（r-1）2的值如表1所示：

表1 对于不同的r,r2/（r-1）2的数值

由表1可以看出随着r的增大,r2/（r-1）2的值逐渐减小,并接近于1,取r2/（r-1）2等于1.2。假定实际水量等于最大值和最小值的算术平均值,并根据文献[12]的结果,风机盘管水系统的相对水量与相对冷量分别存在一个最大值与最小值,因此得到关系式（2）和（3）：

在不同的B（风机盘管电磁阀总开启率）下,可以得出相对水量与相对冷量。根据式（2）-（3）得¯G和¯Q关系图2,由图可知以通断控制的风机盘管水系统与空调机水系统的整体特性相反。在系统供回水压差维持在设计压差时,部分负荷下,系统水量的减少比供冷量的减少要慢,水系统会出现小温差大流量的运行工况,50%的水量只能输送40%的冷量。因此开启的风机盘管水流量都将超过设计值。

图2 风机盘管系统相对水量与相对冷量关系图

对于风机盘管与空调机组成的水系统,其最终的水力特性曲线应与两者的系统设计负荷之比有关。为简化起见作以下假定：

1）设计状态下空调机系统的总冷量与风机盘管系统的冷量之比为m,此时两者设计水量之比也为m;

2）各个末端的负荷变化率相同且等于整个系统的负荷率。

当系统的相对冷量与相对水量成线性关系时即¯Q=¯G时,以及图1、图2,得到临界值m0如图3。当m大于m0时,水力特性呈现空调机的特性,当m小于m0时,水力特性呈现风机盘管的特性。对于一般的末端采用空调机与风机盘管的系统,m约为1.0;对于风机盘管与新风机组成的系统,m约0.3。因此对于多数的集中空调系统都可以认为整个系统的水力特性与空调机的水力特性相符,即¯Q≥¯G。

图3 相对冷量与临界值m0的关系

2 一次泵水系统节能方式分析

对一次泵空调水系统2种末端形式的水力特性分析结果表明,2种形式的末端负荷变化时,水系统的水量变化相反。在此基础之上,为确保一次泵空调水系统的节能实现,下面通过2个方面进行阐述。

2.1 出口水温调节

在负荷减小且水泵运行台数不变时,单位制冷量的能耗增加,并且随着旁通水量的增加,能耗也随之加大,所以应设法减小旁通水量[13]。并且旁通水量的减少,使冷水机侧的水量接近于用户侧的水量,使进入蒸发器的水温接近用户侧回水温度,可以提高冷水机的COP。当旁通水量较大时,可认为是用户侧流量偏小,此时可以适当提高冷水机出口水温的设定值,就会使用户侧水阀开度变大,流量增加,供回水温差减小,旁通的水量将会减少,进入蒸发器的水温升高,出口水温的设定值提高,冷水机的COP值也会增大,虽然水泵的能耗并没有减少,但整个系统单位制冷量的能耗却减少了。随着用户侧水阀的逐渐开大,流量的不断增加,供回水温差会逐渐减小,当温差小于用户侧希望的最小温差时,此时表明供水温度过高,应降低冷水机的出口水温设定值。

2.2 水泵的变频调节

随着制冷机控制技术的发展,制冷机冷凝器与蒸发器内的水流量允许在一定的范围内变化,一般为设计流量的30%～130%之间,因此有人提出了对一次泵系统直接采用变流量的方式运行[15-16]。

冷水机组流量过低会使冷水机组的效率下降很快,并且会加速结垢,所以将冷水机组的流量下限定在额定流量的60%[15]。图4各给出了某一冷水机组的相对流量变化对机组COP影响的曲线[10]。由图4可以看出在机组流量减少时,冷水机组的效率也随之减小,冷水机组相对耗功会增加,但是水流量的减少会使冷冻水泵的能耗大大降低,两者对整个系统的能耗影响是相互矛盾的。定义n及冷水系统综合COP如下：

式中：Q0为系统提供的冷量,W1、W2分别为所有运行的冷水机组的耗功量与水泵的耗功量,单位均为kW。冷水系统综合COP为系统变流量后,整个系统的能耗情况。

图4 冷水机组的性能曲线

由于水泵变频前后的水泵工作点很难满足相似条件,因此水泵耗功随水量的3次方比例减小也就很难实现。为简化起见,假定水泵的耗功按水量3次方比例关系的基础上再乘以0.8的系数[10]。

图5 水力特性为直线时节能幅度

图6 水力特性为空调机时节能幅度

根据节能量与各个水量运行的时间可以得到总节能量,令总节能量为零,可以得到水泵能耗所占的临界比例见图5、6。从图5和6可看出：当系统水力特性曲线分别为直线与空调机特性曲线时,水泵能耗所占的比例分别约为18%与15%为临界状态,水泵能耗比例在临界值以上时,系统都是节能的;随着水泵所占能耗比例的增加,综合COP的增加幅度也随之加大,并且系统的水力特性越接近于空调机的水力特性,系统的节能幅度也越大;在相对流量为90%以上时,系统不节能,但由于在这段时期的运行总时间在3.6%以下,而系统有90%的时间在80%负荷以下运行,所以在这段时间运行费用的增加比起低流量时所节省的费用是微不足道的。

根据上面分析可以看出：是否采用水泵变频的方式,要取决于水泵能耗所占的比例以及系统的水力特性曲线,若系统的水力特性越接近于空调机的水力特性曲线（图1）并且水泵所占的能耗比例越大,则采用变频调节方式节能效果是相当显著的。

3 旁通管的选择

根据前面的分析,不管水系统采用变频与否,均存在系统负荷降低或关闭冷水机组时,冷水相对于水泵过量情况存在,在这种情况下,旁通管的选择也是一个节能水系统的重要环节之一。文献[17]表明有86%以上的冷水机被用在2台以及2台以上的冷水机组组合的应用场合。以下主要针对冷水机组的台数大于等于2台的情况下,对水系统采用与未采用变频时的旁通管选择方法进行了分析。

3.1 水系统未采用变频调节时

根据上面的分析,当m≥0.3时,空调水系统的特性曲线接近其末端全是空调机的特性曲线,即末端水量减少要比冷量减少的幅度快,也就是说旁通管中的水量有可能大于一台水泵的流量。在末端全是空调机的情况下,分别为2台和3台冷水机时,根据末端所需的总水量（由式1）和水泵的总水量,随着负荷的变化,旁通流量相对单台水泵的水量的曲线如图7、8。可以看出,随着冷水机组台数的增加,旁通水量的峰值也随之增加,最大水量出现在冷水机的运行台数由设计台数向减小一台时的过渡工况。在制冷机组台数为2台、3台时,旁通水量的峰值分别为单台水泵流量的1.6与1.8倍,所以根据单台水泵的流量来选择旁通管管径,或者以旁通水量等于单台水泵的流量来控制冷水机的停机是不合适的。旁通管的流量应根据单台冷水机组水量的1.2～1.8倍来选择,在m较小与冷水机台数较少时,可按下限来选择;当m较大与冷水机台数较多时,可按上限来选择。

图7 2台冷水机时的旁通流量相对单台水泵的流量

图8 3台冷水机时的旁通流量相对单台水泵的流量

3.2 水系统采用变频调节时

由于冷水机组的流量下限为额定水量的60%,此时提供的冷量要大于60%,所以在负荷降到60%之前,水泵不能再降低转速,水泵与冷水机组均应作定流量运行,此时旁通管也是必须的,应通过压差旁通阀旁通富余的水量,直到系统的冷量降低到可以少开一台冷水机组就能满足末端的负荷需要为止。由于水泵的变频调节作用,可以按单台冷水机的20%～100%来选择旁通管。在m较小,可以按下限来选择;当m较大与冷水机台数较多时,可以按上限来选择。

4 结语

1）对于末端为空调机（新风机）与风机盘管组成的水系统,整个末端系统的水力特性与空调机的水力特性曲线相符,即水量要比冷量减少的快。

2）在水泵所占空调水系统能耗比例大于0.3时,系统的水力特性越接近于空调机的水力特性时,采用水泵变频的方法节能效果是相当显著,节能幅度大于10%。

3）在水泵未采用变频时,可以根据单台冷水机水量的1.2～1.8倍来选择旁通管;水泵变频时,按单台冷水机流量的20%～100%来选择。其具体数值要根据整个系统的水力特性以及冷水机组的台数确定。

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（编辑胡英奎）