集中中央空调水系统节能分析

集中中央空调水系统节能分析

周静

广东贝林建筑设计有限公司广东佛山528000

摘要：降低水泵运行能耗是居民家庭耗能的重要组成部分,故研究其节能措施具有非常重要的意义。本文对集中中央空调水系统水泵的选择和节能措施进行了分析和探讨。

关键词：中央空调；水系统；水泵；节能措施

引言

在空气调节系统中，常常将水作为输送冷热源的介质和冷水机组的冷却剂，因此水系统是空调工程中的一个重要组成成分。由于集中中央空调设备是一个用电大户，而水系统水泵的选择直接影响到整个集中中央空调系统的效果以及能耗，因此应对其加强节能措施的研究。

1.水泵的流量

水泵的流量在全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调.动力（2009版）第5.9.1条和5.9.2条有相关提示：

（A）应与冷水机组的流量相对应；

（B）应按公式计算

G=KQ/1.163Δt（1）

G—水泵的流量（m3/h）；Q—水泵所对应的冷（热）负荷（kW）；K—水泵流量的附加系数，取1.05～1.1；Δt—供回水温度差（℃）。

选择冷水机组时要考虑管道系统的冷量损失，冷水机组的制冷量也应在冷负荷的数据上考虑附加，冷水泵的流量应与其对应。

当冷负荷变小时，冷水机组的制冷量会自动减小，冷水泵的水流量也相应减小，水流量应在冷水机组的流量允许范围内，随冷水机组制冷量自动作相对应的调节，以符合节能要求[1]。

2.水泵的扬程、性能曲线和工作点

水泵的扬程应按最不利环路的阻力增加5%～10%的附加值（全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调.动力2009版第5.9.3-3条）。任何一台水泵都能在特定的流量（G）和扬程（H）范围内工作，图1是某台泵的性能曲线。

从图1的流量、扬程曲线看出这台泵可以在流量O～G1、扬程H4～H1范围内运转，但从流量、效率曲线可以看到流量在G2～G3、扬程在H2～H3范围内才是高效率区，也就是说水泵在这个范围内工作才符合节能要求。

G—H为流量、扬程曲线；G—N为流量、功率曲线；G—η为流量、效率曲线。

如水泵流量大于D点的流量Gd，则其工作点从理论上讲就会沿曲线AB向右偏移，水泵所提供的扬程就小于水系统的阻力，这时因水流能量不足而减速，流量会减小，工作点就沿曲线AB向左移动回到D点。如水泵的流量小于D点的流量Gd，则其工作点按理应沿曲线AB向左偏移，水泵所提供的扬程就大于水系统的阻力，这时水流能量因过剩而加速，流量会增大，工作点就沿曲线AB向右移动回到D点。

3.水泵的选择

在工程设计中，确定水泵的流量和扬程数据就可按水泵的性能曲线在高效率区间选择相应水泵。

3.1空调工程中水泵应选的类型

按照水泵的流量、扬程曲线一般有三种类型，见图3。1）驼峰型：其特点为当流量自零逐渐增加时扬程上升，达到最高值后开始下降。2）陡降型：其特点为当流量变化时，扬程的变化相对较大。3）平坦型：其特点为当流量变化时，扬程的变化相对较小，流量、扬程曲线相对较平坦。

图3中：1—驼峰型；2—陡降型；3—平坦型

式中Ga、Ha与Na分别为对应制冷机的最大水流量和最大水流量时水系统阻力情况下水泵的流量、扬程和功率；Gd、Hd与Nd分别为对应水泵流量减小后某工作点的流量、扬程和功率。

驼峰型水泵在一定运行条件下可能工作不稳定，不应采用。陡降型水泵当外界因素的变化要求水泵流量减小时，从图3可看出，其扬程增加相对较大，由式（2）可知其电功率降低相对较小。平坦型水泵当外界因素的变化要求水泵流量减小时，由图3和式（2）可得出其电功率降低相对较大的结论。因此空调工程水系统使用的水泵选择平坦型水泵较为节能。

3.2水泵选择的安全性

选择水泵时应注意水泵壳体和填料的承压能力是否满足水泵对应的水系统静压要求，以确保水泵在水系统中安全工作。

3.3水泵选择的节能性

从节能角度看，在噪声允许的条件下选择水泵时应选择转速高的水泵，因为水泵的机械损失中，叶轮转动时其外表与机壳内流体之间发生的圆盘摩擦损失通常占主要部分，当水泵的扬程一定时，增加其转速，水泵叶轮直径相应的会减小，圆盘摩擦损失则会降低，水泵的效率也可能相应提高。从目前厂家的产品说明书看，水泵的转速通常为2900r/min和1450r/min两种，而2900r/min的水泵其效率均相应高于1450r/min的水泵，且价格也相对较低[2]。

4.水泵的节能调节

水系统的阻力由沿程阻力和局部阻力两部分组成，在空气调节设计选用的水流速度范围内，两种阻力都与平均流速的平方成正比，水系统内的平均流速与流量成一次方关系。在确定的水系统内，系统的流量小阻力也小，流量大阻力也增大。前文已述，设计中水泵是按确定的流量和扬程选定的，水泵选定后其性能曲线也就确定。基于上述原理，以三台型号规格相同的水泵（一泵对一机）并联为例，探讨水泵的节能调节。

总冷负荷大于设计负荷2/3时，需要开启三台冷水机组和冷水泵，当总冷负荷由满负荷向2/3负荷递减时，冷水机组制冷量能自动调节减小。从节能角度考虑，采用冷水机组直接供冷时，应使空调供回水温差恒定在原有数据上，就要求水系统的水流量相应减小。如果水系统的水流量减小，对应水系统管路的阻力也就相应减小，但冷水泵的流量、扬程曲线没有变，这时冷水泵的扬程大于水系统管路的阻力，水流能量过剩，会加速水流并使水系统的水流量增加，因此减小冷水泵的流量从而减小水泵能耗的目的也就不能实现。

为使水系统水流量随对应总冷负荷的减小而减小，可采取以下措施：1）关小水系统阀门，增加水系统的阻力。其结果是水系统的水流量虽减小了，但由于水系统的阻力增加，水泵的扬程随之提高，起不到应有的节能作用。2）调节水泵的转速、改变水泵的性能曲线，使水系统的管路特性曲线与水泵的流量、扬程性能曲线的交点所对应的水流量减小到应有的数值，以达到节能要求。因为水泵的性能曲线均为对应特定的转速而定的，当改变转速后，两者转速不同，其性能参数有如（3）关系：

式中G1与G0分别对应转速n1与n0时的流量；H1与H0分别对应转速n1与n0时的扬程；N1与N0分别对应转速n1与n0时的功率。

由式（3）可知：水泵的转速和流量成正比，转速减小后，其流量也会减小，可使之与水系统要求的水流量一致。水泵的电功率与流量成三次方关系，流量减小后其相对应的电功率也会大大减小。

对水泵配备变频设施，设定水系统的温差参数，调节水泵配套电机输入的交流电源的频率从而改变水泵的转速，就可调节水泵流量实现节能要求。

在总冷负荷降至设计总冷负荷的2/3时，如果开启三台冷水机组和三台冷水泵，其水流量应近似为66.6%，国内外厂家的水冷机组流量开关的开启水流量均不大于60%，所以在总冷负荷大于2/3的情况下开启三台冷水泵调节水泵流量时，不必考虑冷水机组的流量开关是否能够开启。

总冷负荷小于等于设计冷负荷的2/3且大于1/3时，开启两台冷水机组和两台冷水泵运行，水系统的总水流量应相应减小，水系统的阻力也应相应减小，如果不改变冷水泵的流量、扬程曲线，水泵的扬程大于水系统管路的阻力，它的工作点必然向流量大的方向偏移，这时两台冷水泵的流量就会大于其选定流量，水泵功率也会增大，加大单台水泵能量损耗，因此应通过变频设施改变水泵的转速，调节水泵的流量，实现节能要求。

开启两台冷水机组和冷水泵，系统冷负荷接近总负荷的1/3，并保持供回水温差恒定时，通过调节水泵的流量，每台冷水机组的水流量就会接近其选定流量的50%，应注意选择的冷水机组流量开关对开启水流量的要求。并使水泵的水流量在满足冷水机组流量开关开启水量的前提下工作，为达到理想的节能效果，必要时应打开供回水系统的压差旁通阀。

当总冷负荷小于等于1/3时，开启一台冷水机组和一台冷水泵运行，这时通过变频设施改变水泵的流量来减少水泵的能耗，应注意冷水机组流量开关对开启水流量的要求，确保在冷水机组正常工作的条件下，调节水泵流量。

在开启两台冷水机组和两台冷水泵、开启一台冷水机组和一台冷水泵运行时，如不调节水泵转速或不采取其他措施来改小水泵流量，通过水泵的流量必然大大增加，如果对应电机未有过电流保护措施，水泵配套电动机的运行功率可能会远大于额定功率，有可能烧毁水泵的配套电动机。

以上讨论主要是围绕冷水系统和冷水泵，对于并联的冷却水系统和冷却水泵其原理也是相同的。

高校教科书和相关技术资料文本在讨论水泵并联时都指出，两台水泵并联运行，总流量小于两台水泵单独运行时的流量，扬程则大于单独运行时的扬程。本文中所涉及的水泵并联情况会不会发生水泵流量减小满足不了水系统总水流量的要求呢？高校教科书和技术文本中所论述的水泵并联是在给出了每台水泵的水流量而未确定水系统阻力前提下讨论所得出的结论，而本文是在确定水系统阻力和按水系统总水流量平均分配并联水泵水流量的条件下，选择相同型号和规格的水泵，所以不会出现并联后水泵水流量减小而不能满足水系统总水流量的情况[3]。

5.采用大温差冷水机组减小水泵的能耗

对冷水机组而言，冷水的水流量与冷水机组提供的冷量和冷水供、回水温差是相互关联的，按照全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调.动力（2009版）第5.9.2条的简化公式G=KQ/1.163Δt，当冷水机组提供的冷量为确定值时，冷水温差增大，冷水机组需要提供的水流量就减小，相应配设的冷水泵的水流量也就减小。

多年来冷水机组冷水的供、回水温差通常为5℃（7℃～12℃），近几年国内外不少厂家已有冷水温差为8℃（5℃～13℃或6℃～14℃）的水冷螺杆机组和水冷离心机组的产品。

当冷水机组提供的冷量为确定值时，将5℃温差的冷水机组改为8℃温差的冷水机组，则冷水泵的水流量就变为原来的5/8（0.625），如果将5℃温差冷水机组的冷水系统改用8℃温差的冷水机组（供冷量不变），两者所选的冷水泵就不相同，按照水泵的性能参数关系式（2）如两个冷水系统的阻力对应水流量的变化也遵照关系式（2）时，单就水泵的水流量与对应的功率讨论，可简化为：

如设Ge为5℃温差的水泵水流量，Ne为5℃温差的水泵功率；Gd为8℃温差的水泵水流量，Nd为8℃温差的水泵功率,则将相关数据代入式(5)：

可得出将5℃温差的冷水机组改为8℃温差的冷水机组时，冷水泵的功率近似为原来的24.4%，冷水泵的能耗会大大降低。

冷水进出水温差为8℃的冷水机组其冷却水进出水温差也能由5℃（32℃～37℃）改为8℃（32℃～40℃），这样冷却水泵的功率同样也可近似降至原来的24.4%，同样降低能耗。现在也已有生产冷水和冷却水进出水温差均为8℃的冷水机组厂家。

将5℃温差的冷水机组改为8℃温差的冷水机组，对应的水泵能耗明显减小，但冷水机组的出水温度由7℃降为5℃或6℃：1）冷水机组制冷能力会下降，要达到原来的制冷量，冷水机组的功率要加大，能耗会增加；2）8℃温差的冷水系统管道不可能与5℃温差的冷水系统相同；3）两种冷水机组对应的水系统的阻力变化也不会一致；同理冷却水温差由5℃改为8℃，也存在上述三项问题。除此之外，还应考虑设备初投资因素。

由以上讨论可知，不是任何一个空调工程都可采用大温差冷水机组，要对具体工程在不同工况下进行技术经济分析，确认合理后方可采用。目前，国内外已有不少空调工程采用大温差冷水机组，经实际运行检测，尽管冷水机组的能耗有所增加，但因水泵的能耗降低较多，总能耗明显降低，节能效果显著。

6.结束语

综上所述，空调水系统是空调工程中十分重要的关键子系统，其性能的好坏、能耗的效果不单影响到空调正常的运行，更重要的是影响到建筑内设备的安全及建筑运营的成本。因此，应针对水泵的性能和水系统的特性，选用适宜的水泵，进而降低水泵的运行能耗，实现低碳生活。

参考文献：

[1]住宅建筑水电工程安装节能措施探析[J].李红梅.绿色环保建材.2016(10)

[2]企业采暖系统的有效节能措施[J].李鸥.山东工业技术.2015(12)

[3]民用建筑水电安装工程中节能措施[J].汪峰.住宅与房地产.2017(03)