空调冷水系统节能分析

伍小亭等空调冷水系统节能分析发表日期： 2009-08-14空调冷水系统节能分析伍小亭1）,高峰1),乔锐1),邓有智2)（天津市建筑设计院,天津，300074）（天津市志同环保节能科技有限公司,天津，300070）E-mail：surenwu@摘要:本文提出了空调冷水系统季节输送能效比概念SER，定义了“理想”空调冷水系统。

改变了以往单纯考虑水泵因素的空调冷水系统能耗评价方法，计入了回水工况对主机能耗的影响。

详细分析了传统定流量系统“大流量低温差”运行的必然性与程度。

以“理想”空调冷水系统为基准分析了不同情况与形式下定流量系统与变流量系统的节能潜力。

关键词：变流量；水系统；制冷机组；系统节能0.引言传统的中央空调水系统采用的是分阶段改变流量的质、量并调运行调节方式，即：通过改变并联定速水泵的运行台数实现分阶段改变系统流量的量调节，同时根据经验分阶段重新设定供水温度实现质调节（以下称，第一种运行调节形式），对应的水系统形式为，一次泵定流量系统。

实践证明，此种运行调节方式很难实现系统负荷与流量的一致性变化，往往形成小于设计温差的“低温差大流量”运行。

实际上，我国大部分按5℃温差设计的空调冷水系统的供冷季平均输送温差仅为3℃左右，而空调冷水系统设计温差为7～5℃时，平均输送温差每降低1℃输送能耗将增加14.3%~20%。

显然，如果能使空调水系统供冷季平均输送温差接近设计送温差,形成“定温差变流量”运行，会明显提高空调水系统的季节输送能效比SER.，改善回水工况，实现空调水系统直接节能与间接节能。

实践表明，能达到这一目的运行调节方式是分阶段改变温度的质、量并调运行方式，即：分阶段改变系统供水温度设定，同时变频水泵变台数，变转速运行，系统流量时时变化（以下称，第二种运行调节形式），对应的水系统形式为，一次泵或二次泵变流量系统，鉴于技术原因一次泵或二次泵变流量系统均非彻底的变流量系统。

第一种运行调节形式应用广泛，为主流形式；第二种运行调节形式，作为一种更节能的运行调节方式逐渐在被接受。

分析表明：即便水系统的ER低于《公共建筑节能设计标准》GB 50189－2005规定的限值，第一种运行调节形式也必然会造成不节能的“低温差大流量”运行。

1 空调水系统运行节能评价—— SER与回水工况1.1 空调水系统的季节输送能效比SER《公共建筑节能设计标准》GB 50189－2005，定义了空调水系统输送能效比ER，ER＝0.0023452H/（⊿T*η）并给出了最大输送能效比的限值，显然ER越低，水泵额定功率越小。

式中：H ——循环水泵扬程（mH2O）；⊿T ——水系统设计温差（℃）；η——水泵效率；ER的物理意义为，输送1kw冷/热量，消耗的循环水泵轴功率，其作用是对空调水系统基于能耗的设计合理性进行评价。

对最大ER值的限定保证了空调水系统基于能耗的设计合理性，其中包括合理确定系统设计温差、对系统服务半径与系统管道规格进行优化以及采用设计工况点效率高的水泵。

然而，运行中⊿T、H与η均为变量，ER不能直接用于评价水系统的运行能效比，为此，需要定义空调水系统季节能效比SER。

SER与ER的唯一差别在于将设计工况下的温差、水泵扬程与效率替换为加权平均值，其物理意义为：运行季每输送1kwh冷/热量，消耗的循环水泵轴功，因此，SER可以用于对水系统运行能效比进行评价。

SER＝ =≈0.0023452 /（ * ）式中：Q ——系统运行季输送的总冷========热量（Kwh）；N ——水泵运行季消耗的总轴功（Kwh）——水泵加权平均扬程（mH2O）；——水系统加权运行温差（℃）；——水泵加权平均效率；SER定义式表明其与ER的唯一差别在于将设计工况下的温差、水泵扬程与效率替换为相应参数的加权平均值，物理意义为：运行季每输送1kwh 冷/热量，消耗的循环水泵轴功，且通常SER＞ER。

因此，SER不仅可以用于对水系统运行能效比进行评价，也为降低水系系统能耗指出了方向——通过使、、接近⊿T、H、η，实现使SER接近ER，因为运行中的总趋势是，＜⊿T、＞H、＜η。

1.2 系统回水工况——容易忽略的能耗因素空调水系统的设计供水温度Tg与供、回水温差⊿T通常由设计师根据规范、经验或分析确定，而设计回水温度Th从属于设计供水温度与供、回水温差。

对于冷水机组制冷与热泵机组制热，设计供水温度确定后，供、回水温差越大，制冷、制热的性能系数COP越高，机组能耗越低，因为较大的供、回水温差意味着，较高的蒸发温度与较低的冷凝温度。

由于Th是被动确定的，我们往往也就忽略了对水系统平均回水温度的关注，实际上对于按第一种运行调节策略运行的空调水系统，Th 与通常相差较大，即：制冷运行时，＜Th；制热运行时＞Th，其差值通常为2~3℃。

然而，就是这区区2~3℃足以对空调系统能耗产生明显影响。

以设计供、回水温度7℃/12℃的机组侧定流量系统为例：如运行中维持7℃供水不变，则设计工况蒸发器平均水温为9.5℃；而当Th =9~10℃时，实际工况蒸发器平均水温降为8~8.5℃，机组蒸发温度降低了1~1.5℃,能耗增加3%~4.5%。

若取7℃/12℃工况时冷水机组的COP = 5.5则机组能耗增加值为5.45~8.18(w/Kw),相当于空调冷水系统输送能耗的27%~41%（5℃温差、32米扬程、水泵效率75%时，每输送单位冷量的水泵轴功率为20w/Kw）。

显然，由于冷水机组能耗占除空调末端外空调系统总能耗的70%~80%，所以通过理想的运行调节策略，实现理想的Th带来的节能效果不应被忽略。

2．第一种运行调节形式的问题——不节能的“大流量低温差”运行2.1 “大流量低温差”运行含义：空调水系统实际流量总是大于所需流量，系统实际温差总是小于设计温差，这里所需流量是指，以设计温差输送所需负荷要求的水流量。

“大流量低温差”运行，虽然具有供应可靠的优点，但其最大的问题在于不节能，体现在：①大流量使输送能耗增加；②低温差恶化了主机的回水工况，对于制冷降低了蒸发温度，对于热泵制热提高了冷凝温度，使主机能耗增加。

2.2 形成“大流量低温差”运行的必然性与改善主机回水工况的可能性：2.2.1第一种运行调节形式的特点之一就是：流量只能分阶段改变，无法时时调节，从而形成除负荷分界点外的大流量运行，因为只有在负荷分界点才有相对流量（ =实际流量G X/系统设计流量G）＝相对负荷（ =实际负荷Q X/系统设计负荷Q），除此之外均为＞，如图1所示。

显然，∵ Q＝C*G*⊿T、Q X＝C*G X*⊿T X∴⊿T X＝ /*⊿T，而除负荷分界点外，均为＞,所以⊿T X＜⊿T，即，除负荷分界点外，实际温差⊿T X小于设计温差⊿T。

问题的实质是，非连续量调节方式无法实现负荷与流量的一致性变化，而只能是单一指向的非一致性变化即，“大流量低温差”运行。

图1 相对流量与相对负荷之间的关系2.2.2如前所述一次泵定流量系统的“大流量低温差”运行使主机回水工况恶化；理论上，这一问题可以通过时时调节供水温度加以克服，但实际上几乎不可能。

原因在于：1) 此调节方式不能保证每个空调末端的负荷要求。

因为，供水温度的时时调节只能以系统的总回水温度为调节依据，反映的是系统负荷的整体变化，不是具体某个空调末端的负荷变化，而众多空调末端几乎不可能出现一致性负荷变化。

2) 从控制理角度，空调换热系统具有大滞后调节特征，采用时时改变供水温度的调节方式必然会造成系统的振荡与超调而导致调节失效。

2.3 “理想”空调水系统运行调节形式与能耗能耗增加值是以空调水系统能耗“理想”值为比较基准的。

首先，定义空调水系统运行能耗M＝主机制冷能耗＋冷水输送能耗；其次，定义理想水系统形式：在主机安全工作前提下，水系统流量能以10％为阶梯连续调节、系统总温差与用户侧温差基本一致、主机出力随负荷需求连续可调。

根据此定义对应的空调水系统形式为，一次泵连续变流量系统。

根据两个定义，有如下计算：1)由表1中夏热冬冷地区冷机的部分负荷时间权重数据，主机制冷与变频泵组当量满负荷小时数均为: T2＝(i=1 A i=0.1、T i ＝163 ……i=10 A i=1、T i＝31)；2)取系统季节平均温差⊿TX≈设计温差⊿T＝5℃、主机COP = 5.5、主机每Kw制冷量配置的泵组轴功率为N=0.02Kw/Kw、主机额定工况制冷量Q1=2000Kw；3) M = M1(主机能耗)＋M2（输送能耗）＝[1/COP＋N/1000]×Q1×T2＝ [1/5.5+20/1000]×2000×633.7=267893 （Kwh）；2.4 “大流量低温差”运行能耗增加值与节能潜力分析：2.4.1分析方法水泵的自动投入与退出，才能忽略减台数运行时的流量增加，因为此时水泵的实际工作点会落在与图2~4中的黑色直线平行，但位置略低的等扬程线上，即：图2~4中的工况点A、B、C、D、E。

2)根据图2~4分析减台数运行时的流量增加程度。

图2~4分别为同一型号水泵两台、三台、四台并联的性能曲线及对应的管网特性曲线，单台水泵的额定工况230m3/hr、扬程32mH2O，图解得到三种情况减台数运行时的流量增加值，据此对表2的数据进行修正,结果见表4。

表4数据验证了我国大部分按5℃温差设计的空调冷水系统，其供冷季平均输送温差仅为3℃左右的统计结果。

图2 两台泵并联运行工况图3 三台泵并联运行工况务多个水阻力差别较大的用户系统；如果采用的系统与调节形式得当，传统定流量系统与常规二次泵变流量系统的能耗差别不明显。

分析数据提示我们：理论上，当主机与泵组的台数≥3时，变流量系统的节能潜力并非如想象与商业宣传那样大。

往往空调水系统变流量改造显示出可观的节能效果源于对系统设计过于保守的纠偏以及相当程度消除了定流量系统泵组减台数运行时的流量增加现象。

Energy-saving Analysis of Air-conditioning Water SystemWu Xiaoting1）, Gao Feng1）, Qiao Rui1） and Deng Youzhi2）（Tianjin Architecture Design Institute，Tianjin,300072）(Tianjin ZhiTong Environmental Protection and Energy-saving Technology Company, Tianjin,300070)Abstract This paper put forward “ SER ”, which means the transport energy efficiency of air-conditioning seasonal cold water system. Also, the "ideal" air-conditioning chilled water system is definited. Changing the traditional method of evaluating cold water system energy consumption only by circulating pump and considering the effect of return water condition on the chiller. Detailed researching on the the operation necessity and extent of the traditional "high-volume low-temperature difference" system. Based on the "ideal"air-conditioning chilled water system, analyzing theenergy-saving potential of different constant volume system and variable volume system.Keywords：V ariable flow, water system, Refrigeration Plant, energy-saving of system。