冷冻水变流量系统节能性分析

章慧颖

(上海市闵行区建设受理服务中心，上海 201199)

0 引 言

建筑使用能耗占国民经济总能耗的比例已经从原来的1/4水平向1/3水平发展[1]。暖通空调是建筑能耗中的大户，占50%～60%。以上海为例，夏季空调用电约占全市用电量的40%[2]。冷冻水变流量系统的应用，能有效降低空调系统的能耗，对降低建筑能耗有着积极的意义。

1 空调冷冻水系统的一/二次泵变流量系统

空调冷冻水系统分为定流量系统和变流量系统。定流量系统中，冷冻水的总水量保持恒定不变(或者按照水泵的启停台数“阶梯式”变化)。变流量系统中，冷冻水的水量随着末端装置流量的变化而自动调节。

随着技术的发展和建筑节能的需要，冷冻水变流量已广泛应用在空调的冷冻水系统中。常见的变流量系统主要有一次泵变流量和二次泵变流量系统。

1.1 一次泵变流量系统

一次泵变流量系统可分为压差旁通和变频变流量系统两种形式。

压差旁通变流量系统中，设置压差控制的旁通阀。当末端需求的水量变少时，旁通阀开启使一部分供水直接进入系统的回水管。此系统变流量时，水泵的转速不发生变化，流量保持稳定。

变频变流量系统中，当用户侧冷负荷需求降低时，冷冻水侧的阀门开度调节，通过改变冷水泵的转速，减少冷冻水供应，降低冷水泵的运行能耗。变频变流量系统中采用可变流量的冷水机组,使蒸发器侧流量随负荷侧流量的变化而改变,使冷冻机的运行与末端的特点相匹配。此时，冷冻水泵和制冷机组的水量都随空调负荷的变化而改变。

一次泵变流量系统采用多机对多泵取代传统系统的一机一泵系统，同时在旁通管上加电动阀，可防止高低温水的混合,并实现冷冻水全程变流量[3]。

1.2 二次泵变流量系统

一级泵和二级泵组成的变流量冷冻水系统。系统循环水的阻力由两级水泵串联承担。其中一级泵承担从冷水机组至分水器、集水器回到冷水机组环路的阻力，二级泵承担从分水器至末端，再回到集水器环路的阻力损失。一、二级泵分别采用不同的控制方式，通常一级泵采用台数控制，二级泵采用变频运行，从而保证冷水机组稳定运行及系统高效节能。

一级泵负责制冷机房内管道阻力损失，扬程较小。二级泵根据各个分区阻力损失选择不同的扬程，在各分支环路阻力相差较大时，有显著优势。

2 工程实例节能量分析

一次泵压差旁通变流量系统在冷水机组侧，实质上依然属于定流量系统。相对于定流量系统，系统的运行能耗并无太大变化。

而和二次泵变流量系统相比，一次泵变流量系统采用变频冷水机组；减少了一级定频泵。但由于制冷机组蒸发器的流量减少，冷水机组的效率会有所下降(蒸发器的传热系数降低)。但近年来国内外学者研究表明，在一定范围内，冷水泵降低的能耗比冷水机组增加的能耗更多，系统全年运行的总体能耗依然会下降。

在文中，以某实际工程为例，通过能耗模拟软件eQuest，分别模拟了空调冷冻水系统采用一次泵变频变流量和二次泵变流量系统的全年能耗。

2.1 工程概况

项目位于上海，总建筑面积30 663 m2，本项目地上7层，地下2层；地上为办公区域，地下为设备机房和停车区域。建筑高度36.55米，一层层高6.9米，二层层高5.4米，三～七层层高4.5米，模拟建筑模型如图1所示。

图1 “eQUEST”模型

建筑的运行时间分为区域开放时间和HVAC系统开启时间。其中开放时间为8∶00～17∶00，系统开启时间7∶00～18∶00，节假日均关闭。采用了eQuest 3.65能耗模拟软件，分别模拟项目在采用冷冻水一次泵变频变流量和二次泵变流量系统时全年的能耗。

2.2 工程空调系统方案设置

项目集中设置冷热源，位于地下一层的设备机房内。冷源为2台离心式冷水机组；热源为2台锅炉。空调系统末端变风量(VAV)系统。

方案一：一次泵变频变流量系统，采用2台离心变频机组、设计2台变频冷冻水循环泵；方案二：二次泵变流量系统，采用2台离心变频机组，设计2台定频一次泵，1台变频二次泵。方案一、二的具体参数见表1。

表1 HVAC系统表

2.3 能耗模拟结果

在运行时间、建筑外围护结构的传热系数、各区域照明和设备功率密度及使用时间表、建筑的人员密度等均保持一致的情况下，对冷冻水系统分别采用方案一和方案二设计时，进行了全年能耗模拟，结果如图2所示。

图2 方案一和方案二“eQUEST”能耗模拟结果

如图中2所示，左图方案一能耗模拟结果显示，全年制冷耗电量为211.4×103kWh，水泵耗电量为44.7×103kWh。方案二的全年制冷耗电量为233.8×103kWh，水泵耗电量为65.6×103kWh。

模拟结果显示，相对与二次泵变流量系统，一次泵变频变流量系统的制冷机组能耗有所降低；水泵的能耗降低了31.8%。方案一的全年能耗降低较明显。

3 结束语

一次泵变频变流量系统，打破了冷水机组蒸发器水流量必须固定的限制，取消了二次泵,直接通过一次泵变频技术减少冷冻水的供应，来适应一定范围内的冷负荷变化，有效降低了空调水系统的全年运行电耗。

二次泵系统中一级泵在末端部分负荷时，任然定流量运行。但针对各末端环路阻力不同时，可分别设置二级泵。根据各自环路负荷的变化控制相应的二级泵变频变流量运行。在末端环路负荷变化不同步或各环路阻力相差较大时，二次泵变频系统更适用。

为了降低建筑的能耗，需要项目的不同性，合理选用空调系统设计方案，优化空调水系统方案。