浅谈空调冷热输配系统节能技术

刘庆开

（同圆设计集团有限公司 山东 济南 250000）

0 引言

大型中央采暖空调系统的输配系统大多以空气或水为载体进行冷热输配，其中输配系统的动力装置——风机、水泵的耗电量占采暖空调系统总耗电量的20%～60%。目前建筑冷热输配系统普遍存在如下问题：

（1）实际运行效率低。动力装置的实际运行效率仅为30%～50%，远低于额定效率；

（2）调节手段落后。系统主要依赖阀门来实现冷热量的分配和调节，造成50%以上的输配动力被阀门所消耗；

（3）运行模式落后。系统普遍处于“大流量、小温差”的运行状态，尤其是在占全年大部分时间的部分负荷工况下，未能相应地减小运行流量以降低输配能耗。

分析表明，空调冷热输配系统的运行能耗有可能降低50%～70%[1]，是建筑节能尤其是大型公共建筑节能中潜力最大的部分。冷热输配系统中的耗能设备是泵或风机，实现输配系统节能，就是要在输配所需的冷热量时，降低管网中泵与风机所耗的功率，提高输配系统的能效比。

1 建筑冷热输配系统节能途径

水泵运行所耗功率用下式计算：

风机运行所耗功率用下式计算：

式中：ρ——输送介质的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

H——水泵的工作扬程，mH2O；

P——风机的工作全压，Pa；

Q——泵或风机的工作流量，m3/s；

η——泵或风机的工作效率。

由此可见，降低泵或风机运行功率的基本途径是：

1.1 减小泵或风机的工作流量

某一时刻泵或风机的工作流量由该时刻建筑的冷热负荷决定：

式中：cp——输配介质的定压比热，kJ（kg/K）；

△t——输配介质的工作温度差，K；

CHL——某时刻建筑的冷热负荷，kW。

由式（3）可知，泵或风机的工作流量与温差成反比，增大温差可降低工作流量。空调系统大部分时间处于部分负荷工况，此时应尽可能保持或提高输配介质的工作温度差，减小泵或风机的工作流量。

实测表明，目前建筑冷热输配系统大多工作在“大流量、小温差”状况。造成这种现象的原因：①动力装置压力匹配过高，导致实际运行流量偏大；②未进行水力平衡设计和调试，为保证不利环路的流量，使得系统总流量偏大；③在部分负荷期间，未采用有效的流量调节控制措施。

1.2 减小泵的工作扬程或风机的工作全压

泵的工作扬程或风机的全压用于克服输配介质在管网中流动的各种压力损失。因此，应避免各种不必要的压力损失。不是靠精心的系统设计而是过多地依靠阀门（包括各种平衡阀）实现冷热量的分配与调节，使得很大一部分的动力被阀门节流所消耗。

1.3 提高泵或风机的工作效率

一方面，应提高泵、风机的制造水平，使其具有高的效率水平；另一方面，泵或风机的工作效率与其工况点有关。泵或风机的工况点由泵或风机的性能与管网特性共同决定。因此应通过泵或风机与管网系统的合理匹配与调节，使其工况点处于高效区。

2 冷热输配系统节能技术

2.1 泵与风机的变速调节技术

泵与风机的变速调节通常由安装在电动机的变频器通过改变输入电流的频率来改变电机转数实现的。用降低转速来调小流量，节能效果非常明显；用增加转速来增大流量，能耗也相应增加显著。在理论上为了提高流量可以用增加转数的方法，但是转数增加后，使叶轮圆周速度增大，噪声和振动可能增加，并且机械强度和电机超载问题可能会发生，因此一般不采用增速方法来调节工况。

2.2 一次泵变流量技术

一次泵变流量技术是水泵变速运行的水系统技术，包括冷水机组在内的空调系统循环水实现了全部变流量，与传统空调水系统相比，其节能潜力有了大幅度的提高。

一次泵变流量系统原理图如图1 所示，主要由冷热源、一次泵、旁通管、末端设备、自动控制部分和调节阀组成。一次泵变流量系统比二次泵系统少了一组定速泵，但是多了一组用于测量冷热源流量的检测装置。

图1 一次泵变流量系统原理

一次泵变流量系统工作原理：在进行正常供水的过程中，用户数量处于一个不断变动的状态，由此会进一步导致负荷发生相应的变化，因此，用户侧的冷水流量、阀门开度以及供回水温差等运行参数也会发生一定的变化。自动控制系统通过对运行参数的变化情况进行系统全面的分析，并对水泵进行有针对性的调节控制，进而能够在确保用户供水稳定的情况下，保障流过冷热源设备的流量始终大于最小流量。

一次泵变流量技术有以下特点：

（1）实现了冷热源侧的变流量运行，可以减小冷热源侧的输送能耗，还可以与二次泵变流量系统甚至动力分散系统相结合，最大程度地实现空调水系统节能。

（2）冷水机组变流量运行时，机组效率有所下降，但是下降幅度并不大，只要水泵的节能效益充分发挥出来，完全可以抵消由于冷水机组效率下降所造成的能耗增加。

（3）节能潜力与水泵控制方式密切相关，水泵能耗与流量的三次幂呈正比关系不成立，需要合理设计水泵控制方式，最大限度发掘水泵的节能潜力。

2.3 变风量技术

变风量系技术（Variable air volume system，简称VAV 系统）于20 世纪60 年代在美国诞生。其基本原理很简单：通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷。由于空调系统大部分时间是在部分负荷下运行的，因此风量的减小就会导致风机能耗的降低。

变风量技术优点：随着空调系统负荷的变化，其相应的送风量也会发生一定的变化，这就能够针对负荷提供相应的风量，进而降低不必要的能耗，提高能源的利用率。同时，变风量系统还具有建设简单、灵活可靠以及适应性强等优点，具有非常广泛的应用。此外，变风量在本质上是属于一种全空气系统，其具有后者的优点，能够有效避免风机管凝水的出现，确保系统安全平稳的运行。

2.4“大温差”输配技术

所谓“大温差”是指空调送风或送水的温差比常规空调系统的温差大。大温差冷却水系统，冷却水温差达到8℃左右；大温差送风系统，送风温差达到14℃～20℃；冷冻水大温差系统，冷冻水温差达到8℃～10℃；与冰蓄冷相结合的冷冻水大温差和低温送风大温差系统，冷冻水温差达到10℃～15℃，送风温差达到17℃～23℃等。对这些携带冷热量的介质，采用较大的循环温差后，循环流量将减小，可以节约一定的输送能耗并降低输送管网的初投资。