中央空調一機多水泵運行能效分析

張 藝，王寒棟，唐汝寧

中央空調一機多水泵運行能效分析

張 藝1.2，王寒棟2，唐汝寧1

（1. 深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055；2. 內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

針對中央空調系統運行管理中實際存在的啟動時段內運行一臺冷水機組、二臺冷凍水泵和二臺冷卻水泵的現象（稱為“一機多水泵運行”），根據現場測試獲得的中央空調系統運行數據，從冷凍水流量、冷水機組能效、冷凍泵效率、冷凍水側能效和冷凍站能效等多個角度對該運行管理方式進行了分析和評價，指出應改變現有的運行管理方式，使空調系統保持良好的運行性能模式．

中央空調系統；運行管理；能效；冷凍水泵

在中央空調運行管理中，不少運行管理人員在中央空調啟動時段內采用運行一臺主機（冷水機組）配二臺冷凍水泵和二臺冷卻水泵的方法（稱為一機多水泵運行）．其具體做法為：在冷水機組開啟初期，即使是運行1臺冷水機組，也投入多臺并聯水泵尤其是多臺冷凍水泵配套運行．部分一線運行管理人員認為這樣做可以在盡量短的時間內通過提供高速大流量的冷凍水，使冷凍水在系統中快速循環起來，加速冷負荷傳遞，從而快速去除建筑物的冷負荷，為建筑使用人員提供一個舒適涼爽的建筑環境．文獻[1]指出這種運行管理方式是一種中央空調運行系統化管理的弊端[1]，但未對這一運行管理方式進行詳細分析．因此，中央空調系統運行管理人員沒有從根本上認識這一運行管理方法的不足，至今這種運行管理方法仍被廣泛采用．

本文根據某中央空調系統的實際運行測試數據，從水泵運行工況、水泵能效、冷水機組能效、冷凍水側能效和冷凍站能效等角度，針對其運行管理中出現的“一機多水泵”運行現象進行分析，為空調運行管理節能提供參考．

1 系統及設備運行概況

深圳市某辦公樓的中央空調系統冷凍站流程如圖1所示，冷水機組和水泵的額定參數見表1．該辦公型建筑的中央空調一般每年的在5～11月下旬工作日8：00～17：30正常使用．在中央空調的運行過程中經常采用文中提到的“一機多水泵”的運行管理方法．

本研究對該系統進行了現場測試以獲得實際運行數據，主要測試參數包括冷凍水和冷卻水流量、冷水機組中冷凍水和冷卻水的進出水溫度、設備進出口的水流壓力、冷水機組和泵的輸入電功率等．主要的溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器的安裝位置見圖1．各溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器的相關參數如表2所示．所有數據由專門的數據采集系統每5min采集一次，24小時不間斷采集．所采集的數據通過數據傳輸系統進入儲存器，進行數據的進一步分析和處理．

圖1 空調冷凍站系統示意圖

表1 冷水機組、水泵等的額定參數

表2 傳感器的相關參數

2 一機多水泵運行的能效分析

為分析“一機多水泵”運行方式的特點，同時為了便于比較，從該建筑中央空調系統運行數據中，選取了兩天比較有代表性的數據進行分析：

1）2012年10月26號的冷水機組以及冷凍水泵的運行工況數據．這一天冷水機組和冷凍水泵的運行情況是：上午8:40分開機，全天只運行2#冷水機組，在8:40-9:25分同時運行1#冷凍水泵和2#冷凍水泵；在9:25分關閉2#冷凍水泵，其余時間只有1#冷凍水泵在運行．冷水機組和冷凍水泵在下午17:05分關閉．

2）2012年9月18號的冷水機組以及冷凍水泵的運行工況數據，這一天機組和冷凍水泵的運行情況是：上午8:25分開機，全天只運行2#冷水機組，全天只運行2#冷凍水泵，下午17:55分關機．

將上述2天的數據分成3組進行計算．第一組是10月26日8:40-9:25，該時間段內采用一機多泵；第二組是10月26日上午9:25-17:05，該時間段內冷水系統的運行恢復為一臺冷水機組配套一臺冷凍水泵；第三組為9月18日8:25-17：55，全天冷水機組的運行都是一臺冷水機組配套一臺冷凍水泵．

從冷水機組能效[2]、冷凍水側能效、冷凍站能效以及工作的冷凍水泵的能效[2]這四個能效方面以及冷凍水流量和冷凍水溫差對上述3組數據進行計算，分析“一機多水泵”運行管理方式是否合理（由于數據過多，故計算結果僅選取其每組的一部分進行呈現）．

1）冷水機組能效

式中：COPj為冷水機組的能效值；

Nzin為冷水機組的輸入功率（kW）；

Q0為工作的冷水機組制冷量（kW），由式（2）計算：

式中：ρ為水的密度（kg/m3）；

Cp為水的定壓比熱容(J/kg.)℃；

Qi為水的單位時間體積流量(m3/h)；

TEin為進入蒸發器的冷凍水的溫度()℃；

TEout為離開蒸發器的冷凍水的溫度()℃．

使用傳感器得到冷凍水的瞬時流量、進入和離開蒸發器的冷凍水的溫度等參數，利用公式（1）和公式（2）進行計算，即可得到各組數據的冷水機組能效值．

2）冷凍水側能效：定義為整個冷凍水系統所輸送的制冷量與冷水機組以及參與工作的冷凍水泵所消耗的電功率的比值．這個能效值是衡量冷凍水側設備運行效率的參數．

式中：COPc為冷凍水側能效；

Nzin為冷水機組的輸入功率(kW)；

Ndin為工作的冷凍水泵的輸入功率(kW)．

3）冷凍站能效：能效值是綜合考慮參與中央空調制冷過程中位于冷凍站的設備的能效值．該能效值計算式是整個冷凍水系統所輸送的制冷量與冷水機組以及參與工作的冷凍水泵和冷卻水泵的電功率的比值．

式中：COPz為 冷凍站能效；

Nqin為工作的冷卻水泵的輸入功率；

利用不同時間段內的冷水機組能效、冷凍水側能效、冷凍站能效值數據進行對比，可以得到圖2～4所示的能效曲線圖，通過曲線圖的趨勢可以直觀對比體現出不同時間段的能效值優劣．可以看出，10月26日在采用“一機多水泵”運行的時間段內（8:40～9:25），剛開機的短時間內3項能效都保持在與其他時間段內相接近的水平，隨后各項能效值都出現了較大幅度的下滑，機組能效值、冷凍水側能效值、冷凍站能效值分別從5.1、3.8、3.1下降到2.4、1.7、1.4．

經對比發現，9月18日全天都是一臺冷水機組搭配一臺冷凍水泵運行，全天3項能效值都保持在較高、平穩的水平，沒有出現類似于10月26日“一機多水泵”運行期間的各項能效值都大幅度下滑的情況．

4）冷凍水泵綜合能效

式中：

Qi為水泵輸送的冷凍水體積流量(kg/m3)；

ΔPi為工作的水泵前后壓差(kPa)；

Ni,in為工作水泵的輸入功率(kW)．

使用傳感器得到壓力值、冷凍水的瞬時流量以及工作水泵的輸入功率，結合公式（5），可以計算得到不同時間段內的水泵能效值，并根據相應時間的水泵綜合能效值得到水泵綜合能效曲線圖，如圖5所示．

由圖5可以清晰的看出，在“一機多水泵”運行期間，冷凍水泵的綜合能效明顯低于一臺主機搭配一臺冷凍水泵運行期間的水泵綜合能效．除去水泵開機一瞬間的非正常點位外，冷凍水泵的綜合能效值是維持在較高的水平，全天的綜合能效值波動也是屬于正常的波動．根據以上的各個能效值計算結果以及溫度值、流量值等的運行監測數據，可以得到3組數據計算結果的平均值，計算結果見表3．

圖2 10月26日與9月18日不同時間點的冷水機組能效對比

圖3 10月26日與9月18日不同時間點冷凍水側能效對比

圖4 10月26日與9月18日不同時間點冷凍站效對比

圖5 9月18日與10月26日水泵綜合能效對比

表3 綜合對比不同的水泵運行方式的運行效果

3 分析與討論

3.1 對冷凍水流量的影響

理論上，多臺泵并聯后可在一定程度上增大水流量，而其實際增加量則要根據實際管路情況確定．以2臺同型號水泵并聯為例，當2臺同樣型號的冷凍水泵并聯工作后，其聯合運行特性曲線與單臺冷凍水泵的工作點是不同的．根據并聯泵工況分析時采用的“揚程相同、流量疊加”方法[3-4]，在水泵流量—揚程（Q-H）曲線圖上，由單臺水泵運行的工作曲線得到2臺水泵并聯運行的工作曲線，并由2臺水泵工作曲線與管路特性曲線相交得到新的工作狀態點M，圖6中曲線1是單臺水泵運行時的工作曲線，曲線3是管路的特性曲線，我們根據2臺相同的水泵并聯之后流量加倍、揚程不變的特性繪出曲線2，曲線2便是2臺水泵并聯后的工作曲線．其中，S點為單臺水泵運行時的工作狀態點，單臺水泵運行時揚程為H1．而兩臺水泵并聯之后，工作狀態點變為M點，此時水泵的揚程為H2．可以看出并聯的2臺冷凍水泵每一臺水泵的流量小于原來單臺水泵單獨工作時候的流量，并聯每臺水泵的揚程大于單獨運行的一臺水泵的揚程．因此我們得出這樣的定性結論：2臺水泵并聯運行后，總的流量確實是增大的，但是增大的幅度并不是原來同樣型號水泵單獨運行時候的兩倍．關于揚程，兩臺水泵并聯之后由于工作點的變化，新的工作點的揚程是大于單臺水泵運行時候的揚程．

圖6 同型號的兩臺水泵并聯

從實測數據看，在一臺冷水機組配套雙冷凍水泵運行期間，系統的冷凍水流量相比一臺冷水機組配套單臺冷凍水泵運行期間的冷凍水流量有了大幅度提升．

可見，這種“一機多水泵”的運行管理方法確實達到了增大冷凍水流量的效果．但是，在中央空調系統的運行管理中，單純的增大冷凍水流量肯定不是目的，真正關心的應該是在滿足空調舒適性要求的同時具有較高的能效．因此，必須結合能效才能對這一運行方式進行正確的評價．

3.2 對機組冷凍水供回水溫差的影響

冷水機組制冷的基本原理就是利用低溫的制冷劑在蒸發器內與從用戶末端回來的冷凍水換熱，吸收冷凍水的熱量使冷凍水降溫，再將冷凍水輸送至用戶末端，利用低溫冷凍水吸收室內的熱量．機組的制冷量不只取決于冷凍水的流量，與機組內蒸發器前后的溫度也是有很大的關系，這也是能從冷水機組制冷量的計算式（2）中直接可以體現出來的．因此，在蒸發器內冷凍水的溫差是衡量冷水機組工作效果的一項直觀、重要的指標．

在10月26日的一機雙水泵時間段內，冷凍水進出蒸發器的溫差平均值為3.1℃，在10月26日其他僅啟用一臺冷凍水泵的時間段內冷凍水進出蒸發器的溫差平均值為2.7℃．9月18日進出蒸發器的冷凍水平均溫差為3.5℃

由此可見，在溫差方面初期一機多水泵的運行方式沒有帶來明顯的效果．雖然3.1℃的溫差的確是大于同一天其他時間2.7℃的，但是這更多是由于開機初期冷凍水的溫度較高、冷水機組工作在高負荷狀態．對比全天單水泵運行的9月18日，該天的冷凍水在蒸發器前后的溫差為3.5℃，大于10月26日一機雙冷凍水泵運行時期3.1℃的溫差，也驗證了這一推測．因此，在增大冷凍水溫差方面，初期一機雙水泵的運行方式也沒有起到作用．

“一機多水泵”的運行管理方式雖然提供了較大的冷凍水流量，但是在冷水機組的蒸發器前后溫差并沒有相較于其他時間段內有提升，單純的提高冷凍水的流量并不會提高冷水機組的工作效果，而且容易出現“大流量，小溫差”的現象．

3.3 對能效的影響

通過對比3組數據的計算結果發現，在10月26日初期一機雙冷凍水泵的時間段內機組能效、冷凍水側能效平均值基本保持不變；而相比同一天其余時間段，冷凍站能效平均值則下降了13%．更何況，冷水機組在啟動初期冷負荷就相比較于其他時期較大，而機組在高負荷區運行時一般都具有較高的能效．綜合這兩方面的考慮，就能推斷出在一機單冷凍水泵時期機組能效、冷凍水側能效、冷凍站能效是高于一機雙冷凍水泵運行時期的．提出“一機多水泵”運行管理方法的運行管理人員的根本目的是想通過大流量的冷凍水迅速的去除建筑物的冷負荷，但是通過機組能效、冷凍水側能效和冷凍水側能效方面的數值對比可以發現，“迅速去除建筑物冷負荷”的效果根本沒有達到．而且這樣“一機多水泵”的運行管理方法不是無償的，圖5中的對比可以發現，“一機多水泵”的運行管理方法使水泵的綜合能效降低．在10月26日這一天的“一機多水泵”運行期間，多開一臺冷凍水泵相比于一臺冷水機組搭配一臺冷凍水泵運行要多付出63%的冷凍水泵耗電量，同時水泵的使用壽命也會受到一定的影響．

[1] 周四俚．我國中央空調系統運行管理人員的技術素質亟待提高[J]．制冷，2003（3）：35-37．

[2] 彥啟森，石文星，田長青．空氣調節用制冷技術[M]．北京：中國建筑工業出版社，2004．

[3] 王寒棟，李敏．泵與風機[M]．北京：機械工業出版社，2009．

[4] 付祥釗．流體輸配管網[M]．北京：中國建筑工業出版社，2005．

Energy Efficiency of Central Air-Conditioning System Operated Under the Condition of One Chiller with Several Chilled-Water Pumps

ZHANG Yi1，2, WANG Handong1, TANG Runing2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China；2. Department of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China）

In central air-conditioning operating systems, there is an informal operation method called one chiller with several chilled water pumps (OCCWP) in which operate one water chiller is operated with several chilled water pumps running at the same time, especially in activating stage. In order to examine the disadvantages of OCCWP method, an experimental study was made and the on-field data were collected. Based on the experimental data, the chilled water flow rate, efficiencies of chiller, chilled water pumps, chilled water side equipments, and cooling plant system are analyzed. The results indicate that the OCCWP method hinders the system performance and causes more energy consumption. Therefore, it should be abandoned to improve the energy efficiency of air-conditioning systems.

central air-conditioning system; operation and maintenance; energy efficiency; chilled water pump

TB657.2

A

1672-0318（2014）03-0048-07

2013-08-04

張藝（1988-），男，河北邢臺人．研究方向：中央空調的能效診斷及其改進措施．

＊通訊作者：王寒棟（1969-），湖南岳陽人，男，碩士，副教授，主要研究方向為制冷空調工程中流體傳熱和流動技術、新能源利用和節能技術等．