淺談空調冷熱輸配系統節能技術

劉慶開

（同圓設計集團有限公司 山東 濟南 250000）

0 引言

大型中央采暖空調系統的輸配系統大多以空氣或水為載體進行冷熱輸配，其中輸配系統的動力裝置——風機、水泵的耗電量占采暖空調系統總耗電量的20%～60%。目前建筑冷熱輸配系統普遍存在如下問題：

（1）實際運行效率低。動力裝置的實際運行效率僅為30%～50%，遠低于額定效率；

（2）調節手段落后。系統主要依賴閥門來實現冷熱量的分配和調節，造成50%以上的輸配動力被閥門所消耗；

（3）運行模式落后。系統普遍處于“大流量、小溫差”的運行狀態，尤其是在占全年大部分時間的部分負荷工況下，未能相應地減小運行流量以降低輸配能耗。

分析表明，空調冷熱輸配系統的運行能耗有可能降低50%～70%[1]，是建筑節能尤其是大型公共建筑節能中潛力最大的部分。冷熱輸配系統中的耗能設備是泵或風機，實現輸配系統節能，就是要在輸配所需的冷熱量時，降低管網中泵與風機所耗的功率，提高輸配系統的能效比。

1 建筑冷熱輸配系統節能途徑

水泵運行所耗功率用下式計算：

風機運行所耗功率用下式計算：

式中：ρ——輸送介質的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

H——水泵的工作揚程，mH2O；

P——風機的工作全壓，Pa；

Q——泵或風機的工作流量，m3/s；

η——泵或風機的工作效率。

由此可見，降低泵或風機運行功率的基本途徑是：

1.1 減小泵或風機的工作流量

某一時刻泵或風機的工作流量由該時刻建筑的冷熱負荷決定：

式中：cp——輸配介質的定壓比熱，kJ（kg/K）；

△t——輸配介質的工作溫度差，K；

CHL——某時刻建筑的冷熱負荷，kW。

由式（3）可知，泵或風機的工作流量與溫差成反比，增大溫差可降低工作流量。空調系統大部分時間處于部分負荷工況，此時應盡可能保持或提高輸配介質的工作溫度差，減小泵或風機的工作流量。

實測表明，目前建筑冷熱輸配系統大多工作在“大流量、小溫差”狀況。造成這種現象的原因：①動力裝置壓力匹配過高，導致實際運行流量偏大；②未進行水力平衡設計和調試，為保證不利環路的流量，使得系統總流量偏大；③在部分負荷期間，未采用有效的流量調節控制措施。

1.2 減小泵的工作揚程或風機的工作全壓

泵的工作揚程或風機的全壓用于克服輸配介質在管網中流動的各種壓力損失。因此，應避免各種不必要的壓力損失。不是靠精心的系統設計而是過多地依靠閥門（包括各種平衡閥）實現冷熱量的分配與調節，使得很大一部分的動力被閥門節流所消耗。

1.3 提高泵或風機的工作效率

一方面，應提高泵、風機的制造水平，使其具有高的效率水平；另一方面，泵或風機的工作效率與其工況點有關。泵或風機的工況點由泵或風機的性能與管網特性共同決定。因此應通過泵或風機與管網系統的合理匹配與調節，使其工況點處于高效區。

2 冷熱輸配系統節能技術

2.1 泵與風機的變速調節技術

泵與風機的變速調節通常由安裝在電動機的變頻器通過改變輸入電流的頻率來改變電機轉數實現的。用降低轉速來調小流量，節能效果非常明顯；用增加轉速來增大流量，能耗也相應增加顯著。在理論上為了提高流量可以用增加轉數的方法，但是轉數增加后，使葉輪圓周速度增大，噪聲和振動可能增加，并且機械強度和電機超載問題可能會發生，因此一般不采用增速方法來調節工況。

2.2 一次泵變流量技術

一次泵變流量技術是水泵變速運行的水系統技術，包括冷水機組在內的空調系統循環水實現了全部變流量，與傳統空調水系統相比，其節能潛力有了大幅度的提高。

一次泵變流量系統原理圖如圖1 所示，主要由冷熱源、一次泵、旁通管、末端設備、自動控制部分和調節閥組成。一次泵變流量系統比二次泵系統少了一組定速泵，但是多了一組用于測量冷熱源流量的檢測裝置。

圖1 一次泵變流量系統原理

一次泵變流量系統工作原理：在進行正常供水的過程中，用戶數量處于一個不斷變動的狀態，由此會進一步導致負荷發生相應的變化，因此，用戶側的冷水流量、閥門開度以及供回水溫差等運行參數也會發生一定的變化。自動控制系統通過對運行參數的變化情況進行系統全面的分析，并對水泵進行有針對性的調節控制，進而能夠在確保用戶供水穩定的情況下，保障流過冷熱源設備的流量始終大于最小流量。

一次泵變流量技術有以下特點：

（1）實現了冷熱源側的變流量運行，可以減小冷熱源側的輸送能耗，還可以與二次泵變流量系統甚至動力分散系統相結合，最大程度地實現空調水系統節能。

（2）冷水機組變流量運行時，機組效率有所下降，但是下降幅度并不大，只要水泵的節能效益充分發揮出來，完全可以抵消由于冷水機組效率下降所造成的能耗增加。

（3）節能潛力與水泵控制方式密切相關，水泵能耗與流量的三次冪呈正比關系不成立，需要合理設計水泵控制方式，最大限度發掘水泵的節能潛力。

2.3 變風量技術

變風量系技術（Variable air volume system，簡稱VAV 系統）于20 世紀60 年代在美國誕生。其基本原理很簡單：通過改變送入房間的風量來滿足室內變化的負荷。由于空調系統大部分時間是在部分負荷下運行的，因此風量的減小就會導致風機能耗的降低。

變風量技術優點：隨著空調系統負荷的變化，其相應的送風量也會發生一定的變化，這就能夠針對負荷提供相應的風量，進而降低不必要的能耗，提高能源的利用率。同時，變風量系統還具有建設簡單、靈活可靠以及適應性強等優點，具有非常廣泛的應用。此外，變風量在本質上是屬于一種全空氣系統，其具有后者的優點，能夠有效避免風機管凝水的出現，確保系統安全平穩的運行。

2.4“大溫差”輸配技術

所謂“大溫差”是指空調送風或送水的溫差比常規空調系統的溫差大。大溫差冷卻水系統，冷卻水溫差達到8℃左右；大溫差送風系統，送風溫差達到14℃～20℃；冷凍水大溫差系統，冷凍水溫差達到8℃～10℃；與冰蓄冷相結合的冷凍水大溫差和低溫送風大溫差系統，冷凍水溫差達到10℃～15℃，送風溫差達到17℃～23℃等。對這些攜帶冷熱量的介質，采用較大的循環溫差后，循環流量將減小，可以節約一定的輸送能耗并降低輸送管網的初投資。