建筑中央空調水系統節能改造分析

摘要：中央空調系統的運行能耗占了建筑能耗的相當一部分，結合實際情況對其進行改造能達到明顯的節能效果。本文結合某建筑中央空調水系統為例，說明了某商廈中央空調水系統概況，闡述了水系統能效的相關分析，提出了中央空調水系統節能改進方案，分析了水系統節能改造方案節能效果和項目節能改造后的節電效益。

關鍵詞：中央空調；水系統；節能改造；分析

引言

城市化進程加快的今天，中央空調水系統運行能耗占到了建筑能耗的相當一部分。但是由于一些建筑在建造時沒有注重實現中央空調系統的節能降耗設計，導致了建筑能耗大大提高的現象。因此如何對中央空調水系統進行節能改造成為了工作人員需要解決的問題。下面就此進行討論分析。

1中央空調水系統概況

某商廈中央空調水系統如圖1所示。商廈建筑物地上5層、地下2層，空調總面積約為20000m2，中央空調機房位于地下2層。空調系統配備功率為339萬kJ/h溴化鋰吸收式冷水機組2臺、314萬kJ/h螺桿式冷水機組（30HXC250A）1臺、采暖用換熱站、水泵及膨脹水箱等。膨脹水箱位于地上5層頂部。基于節能和系統運行可靠性考慮，設置3臺離心式水泵，型號為KQW150/400-45/4（流量為200m3/h，揚程為50m，功率為44.83kW，轉速為1480r/min），在制冷（2用1備）和采暖工況（1用2備）下共用。

圖1 中央空調水系統簡圖

水系統為閉式機械循環回路。在標準制冷工況下，水從回水箱由水泵送至冷水機組，被冷卻至7～12℃，然后從分水箱供應給各個回路，流經空調末端設備吸熱后，以18?21℃的回水溫度回至回水箱，循環往復。在制熱工況下，水從回水箱由水泵送至熱交換器換熱，加熱后從分水箱供應給各個回路，流經空調末端設備放熱后回至回水箱，循環往復。以下筆者主要以該空調系統在制冷工況時對水系統的能效進行分析討論。

2 水系統能效分析

2.1 水系統運行情況

該中央空調系統運行，若水泵出口閥全開，水流量太大會導致電機過載。因此，將水泵的出口閥部分關閉，調節合適的水流量。實際運行時泵出口閥開度較小，約全行程的25%，若再稍微調小出口閥則對水流量就有較大影響，難以準確控制流量。為保證空調系統在任何負荷下都能提供足夠的冷凍水，水泵流量總是調整到盡可能大，電機運行接近滿負荷狀態。此外，該系統供回水溫差低于最佳供回水溫差（5℃）。

改進前在制冷工況下水系統各處壓力、溫度等參數見圖1。

2.2 水系統能耗分析

圖2和圖3所示分別為離心泵揚程和輸出功率隨流量變化的特性曲線。原方案中，水泵進出口壓差為0.43MPa（0.78—0.35=0.43）（見圖1），此時泵的揚程約為43m，泵的工作點為圖2中A點。由圖2和圖3可知，此時單臺泵流量約為73L/s（263m3/h），電機功率將近額定功率（約44kW，實測為44.83kW）。根據水泵出口閥前后壓差及水泵出口閥后與進口間壓差，此時泵揚程43m中，有23m用于克服出口閥阻力，20m用于克服管路系統阻力。若將泵出口閥繼續開大，則閥的阻力減小，泵的工作點沿揚程特性曲線H1向右下方移動，泵流量增加，揚程減小，泵的輸出功率增加（見圖3），若流量太大，會導致電機過載；若將泵出口閥關小，則閥的阻力增大，泵的工作點沿揚程特性曲線H1向左上方移動，泵流量減小，揚程增大，泵的輸出功率減小（見圖3）。

采用節流調節的方式，雖然在一定程度上能夠減小水泵功率的消耗，防止電機過載，但由于閥的阻力帶來壓頭損失和功率消耗，降低了系統運行的經濟性。

3 水系統節能改進方案

通過對該商廈中央空調水系統運行參數進行分析，發現水泵實際流量過大，供回水溫差偏小，系統運行時需要通過大幅度關小水泵出口閥調節流量以防止電機過載，但由于小流量調節時，出口閥的精度難以控制，造成水泵調節后的實際流量仍然超過循環系統的需要，究其原因是配備的水泵揚程過大。若采用滿足流量要求的較低揚程的離心泵代替原泵，可不進行節流調節或減小調節幅度，系統運行功耗可大大降低。

在閉式循環系統中，由于膨脹水箱的存在，水箱液位在泵進口產生約35m的靜壓力，而該系統的供水高度約30m，因而在計算泵的揚程時可以不考慮供水高度，只需根據管路水的流量需求和管路阻力特性選擇合適流量和揚程的泵。考慮到空調系統的各種運行工況，通過現場參數實測和原廠家該型號離心泵特性曲線分析計算，確定合適的水流量和管路阻力。計算得出水系統在2臺泵并聯工作時管路阻力約為23m，單臺泵的流量約為160m3/h。經查詢，并考慮一定的流量和揚程儲備，可選用原廠家型號為KQW150/285-18.5/4的離心泵3臺（額定流量為173m3/h，額定揚程為24m，泵功率為18.5kW）取代原來的3臺離心泵。

圖2 離心泵揚程特性曲線

圖3 離心泵功率特性曲線

4 水系統節能改造方案節能效果分析

該商廈中央空調水系統運行的具體情況如下：

制冷運行工況：1月一10月，2臺水泵并聯運行，每年運行時間約2100h；

制熱運行工況：1月一次年3月，1臺水泵運行，每年運行時間約2000h。

若選擇型號為KQW150/285-18.5/4的離心泵取代原來3臺離心泵，對水系統進行節能改進，根據圖3中曲線P2可知，流量為160m3/h時的泵功率約為15kW。中央空調水系統改進前后能耗如表1所示。

表1 中央空調水系統改進前后能耗

根據上述分析，用低揚程的KQW150/285-18.5/4離心泵取代原來的泵，可取得可觀的經濟效益，說明上述節能改進方案是可行的。

5 項目節能改造后的節電效益分析

按照上述方案改進水系統。由于采用原廠家產品，KQW150/285-18.5/4離心泵安裝尺寸除安裝高度比原泵低55mm，其余尺寸完全一致，因而只在泵的出口連接管上稍加改動即可。整個空調系統運行調試結果顯示，水系統的功耗與改進前分析結果基本相符。改造完成后，對水系統的運行節能效果進行為期一年（2009年5月10日一2010年5月10日）的跟蹤檢驗。3臺水泵運行時間分別為2466h，2130h和2144h，總計6740h，按節能改造前計算電機功率為6740hX45kW=303300kW·h，改造后實際用電量為98988kW·h，節電量為204312kW·h，節電費用為204312kW·hX0.8894元/（kW·h）=181715.1元，相比改造前節電率為67%。

6 結語

總而言之，水泵是水系統的核心組成部分，是建筑中央空調系統不可或缺的一部分，其能耗占到了建筑能耗的相當一部分。我們要結合實際的情況，設計科學合理的節能改造方案，不僅可以提高系統的運行效率，還能達到節能降耗的目的，創造更好的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]馮浩源.淺談變頻器在中央空調系統節能改造中的運用[J].潔凈與空調技術，2010，12（4）：47-50.

[2]劉慶瑜.中央空調水系統節能降耗改造分析[J].科技與創新，2014.