空调水系统设计方法探讨

胡忠义

在建筑物的使用能耗中，根据建筑类型的不同，空调系统的能耗占到其40%～65%，在有些商业建筑中甚至达到了70%以上。而空调水系统又是其中很重要的组成部分，在夏季供冷季节水系统能耗约占整个空调系统能耗的60%～80%，在大型空调系统中输送所耗的电能占整个系统耗电量的30%左右，其中水泵所耗的电能占整个系统耗电量的25%以上[1]。所以空调系统的节能问题，尤其是水系统的节能手段是建筑节能研究中的一个重要方面[2]。

1 一次泵定流量系统

在一次泵定流量系统中，蒸发器的冷水流量不变，蒸发器就不存在发生结冰等运行问题。当冷负荷减少时，通过减机或减小冷水的供、回水温差来适应负荷的变化，所以在绝大部分运行时间内，空调水系统处于大流量、小温差的状态，不利于水泵节能。

负荷侧末端采用变流量，在表冷器出口设置电动两通阀。在冷水的供水总管和回水总管上设置旁通管，旁通流量是冷源侧流量与用户侧流量之差，旁通管上装有电动阀门。

2 二次泵变流量系统

二次泵系统在一次泵系统的基础上在负荷侧增加一组循环水泵，将冷冻水系统分为制备和输送两个部分，降低了各自管路的承压。其末端的二通阀调节和相关设备的台数控制基本与一次泵系统相同。负荷侧水量变化的同时，二次水泵的运行频率根据能够反映用户侧实际水量需求的信号进行调整，用水泵的变频控制作用来取代部分或全部调节阀节流作用，减少了能量的消耗。在负荷侧和冷、热源侧之间设桥管用以平衡一、二次冷冻水量的差异。二次泵系统可以并联运行，也可以根据压力损失的差异，独立设置冷冻水环路分区供应，系统形式比较多变，见图1。

二次泵系统是一个变水量系统，通过改变循环水量实现对用户侧的负荷调节。常见的变水量调节方法有台数调节和变速调节两种。

1)台数调节。传统一次泵系统的台数调节较多采用差压控制，二次泵系统的台数调节主要采用流量控制，在控制精度较高的场合多采用负荷控制。差压控制是利用水泵并联特性曲线，设定一个供回水压力波动范围，当负荷变化引起管网流量改变时，供回水压力随之波动，当超过设定上限值时增加泵运行台数;当低于设定下限值时减少泵运行台数。流量控制是根据桥管内水流的方向和大小控制水泵及相应制冷机的启停。当用户负荷减小、二次流量减少时，一次流量过剩，桥管内冷水由供水流向回水。当桥管内流量大于单泵流量110%时，关闭一台制冷机及相应水泵;当用户负荷增加、一次流量出现不足时，桥管内冷水逆向流动;当桥管内流量大于单泵流量20%时，开启一台水泵及相应的制冷机。提前开启制冷机的目的是避免二次供水温度出现较大波动。

2)变速调节。二次泵需克服管网、盘管、平衡阀及控制阀等的阻力。在定速变水量系统中，当流量减少时，管网、盘管及平衡阀的压降减小，但循环泵扬程有所增加，二者之间的差值必须由控制阀(二通阀)来负担，因此，定速变水量系统的节能效果并不明显，在极低负荷时，控制阀会因压差过大失控，使过量冷水通过盘管。采用水泵变速调节可以克服上述弊端。当负荷减小时，通过改变水泵转速使扬程和流量减少，可以获得明显的节能效果。考虑变频器效率和电机散热等因素，变速调节应有一个最低转速控制。当负荷变化范围较大时，常采用多泵并联变速调节实现节能运行。

3 一次泵变流量系统

与二次泵系统相比，其显著的变化是取消了二次泵，其次，系统运行过程中冷水机组蒸发器一侧的流量会随着负荷的变化而发生变化，如图2所示。

系统的工作原理为:当冷负荷变大时，用户侧的两通阀开度大，压差下降，为维持压差恒定，保证系统运行，一次泵转速提高，从而增大流量;当冷负荷变小时，动作相反。系统中，压差控制器用于检测用户侧压差值，压差控制器最好设置在系统最远、最不利处。根据压差检测信号，调整一次泵转速，一次泵转速的变化通过变频调速装置实现。水道温度传感器用于检测供回水温度，流量传感器检测系统水流量，根据流量检测信号调节旁通阀的开度。上述检测、调节均通过控制器实现。

3.1 与二次泵系统的差异

在二次泵系统中，冷水机组和一次泵是一前一后配对运行，即冷水机组运行时，一次泵保持定流量。当负荷增加而加载一台冷水机组时，其对应的冷冻水泵先启动，负荷降低需减载一台冷水机组时，先关闭一台冷机，然后关闭对应的冷冻水泵，故一次泵与冷水机组是联动的。而一次泵变流量系统与二次泵系统有较大的不同:一次泵是独立控制的，只要保证满足输送的冷冻水流量要求即可，而冷水机组的运行序列也是独立分配的，条件是满足冷冻水的温度要求。

与二次泵变流量系统相比，系统具有以下优点:1)减少了水泵数量，节省了机房面积，降低了设备投资。2)通过选用大型、高效的一次泵代替了二次泵系统中原有的小型、低效、低扬程的一次泵，从而得以提高水泵的性能。3)降低了系统中水泵组的能耗。

3.2 一次泵变流量系统应注意的问题

3.2.1 选择的冷水机组必须与变流量系统相适应

在选择冷水机组时，要注意以下几个问题:

1)冷水机组的流量变化范围。需要选择最小流量尽可能低的冷水机组。蒸发器最小流量由蒸发器的类型、回程以及管束尺寸决定。通常机组效率越高，机组蒸发器流量变化的范围就越窄。目前离心机的最小流量一般都能达到设计流量的30%左右。

2)冷水机组的允许冷水流量变化率。由于蒸发器中水流量的较快变化能引起控制不稳定和压缩机的回液与停机，为了确保一次泵变流量系统中的冷水机组稳定工作，设计时必须从生产厂商获知所选用冷水机组所能承受的冷水流量变化率的数值。

3.2.2 注意系统周转时间

较长的周转时间有利于改善冷水机组控制的稳定性。一般情况下冷水机组厂家会提供系统周转时间，设计时应对整个水系统周转时间进行计算，校核是否大于厂家所给的值。若系统周转时间长，说明该系统利于机组控制的稳定，否则，需采取改善措施。

3.2.3 注意水系统流量的测量与旁通控制

从图2中可看出，供回水干管上加设旁通调节阀，该阀是保证冷水机组蒸发器侧的流量不低于其最小流量要求，确保冷水机组的正常运行。阀的调节是依据检测的流量信号而进行，因而对流量的检测必须准确。一般选择测量精度较高的电磁流量计为宜，同时应注意定期标定、校正;此外，阀的调节需快速，为满足流量与阀门的开度成线性关系以及考虑到阀门的实际流量特性，选择等百分比特性的调节阀为宜。

4 结语

空调冷水系统从一次泵定流量系统、二次泵变流量系统、一次泵变流量系统的演变过程，是水泵不节能、负荷侧水泵节能、全程(冷源侧与负荷侧)水泵节能的过程，系统配置是简单、复杂、再简单的演变过程。一次泵变流量系统中，冷水机组和水泵台数不必一一对应，两者台数变化和启停可分别独立控制。故能充分利用冷水机组的超额冷量，减少冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。而且该系统不仅可最大限度地节省系统运行费用，而且与二次泵变流量系统相比，节省系统初投资和机房面积。

[1] 朱明杰.空调冷冻水系统的运行控制策略[D].上海:同济大学，2007.

[2] 刘 涛.中央空调水系统节能措施探讨[J].制冷与空调，2008，22(2):43-45.

[3] 汪训昌.空调冷水系统的沿革与变流量一次泵水系统的实践[J].暖通空调，2006，36(7):32-40.

[4] 白贵平，林振霞.空调系统冷却水温度分析[J].山西建筑，2008，34(6):201-202.