動力分散式空調冷凍水循環系統節能分析

孔江紅

（廣東卓智設計工程有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

當前我國的能源利用水平和能源消費特點仍然存在高耗低效等特點，建筑能耗中約有40%為空調能耗，而空調冷凍水泵全年能耗約占空調制冷站全年能耗15%～20%之間，可見冷凍水泵是空調系統能耗的重要組成部分，而空調水泵實際過大幾乎是冷凍水系統的一個通病。水泵設計過大，往往由于負荷分布不均勻，水泵站的揚程需克服最不利環路的壓力降。空調水系統能耗的1/3左右被各種調節閥門所消耗，但這樣大的代價不保證換來好的調節效果，反而導致系統中許多問題發生。

1 空調水系統概述分析

1.1 傳統集中動力冷凍水系統

空調水管路由主管、干管和支管組成，各支管與各空調末端裝置相接，構成一個個并聯回路。為了保證各末端裝置有與制冷需求相應的水流量，除了需要選擇合適的管徑外，合理布置回路的走向也非常重要。各并聯之路只有在水阻力接近相等時，才能獲得設計流量，從而保證末端裝置能提供設計冷量。

空調水系統的形式分為同程式和異程式。異程系統指系統水流經每一用戶回路的管路長度不等，由于用戶位置的分布無規律和距離，此系統各回路的管路長度相差較大，為了阻力平衡，就只有依靠管徑選擇和配置調節閥門來達到各回路阻力平衡。同程系統是每一供水管路和回水管路長度之和接近相等，阻力易于平衡，但此系統多耗管材，造價高，而且管路的管徑不易計算，并在系統完成后，如果追加末端裝置或進行改造，又將造成擾亂同程系統的管徑原設計而使不便追加。因此，在工廠這種后期改造較頻繁的項目中，一般選用異程系統設計。異程各并聯回路的阻力差應控制在小于15%。

1.2 冷凍水系統常規節能方法

空調冷凍水輸送系統的節能，目前常見的做法有提高供回水溫差，做一次泵變頻或二次泵變頻。其中提高冷凍水供回水溫差是同制冷量情況下直接減少冷凍水流量而降低輸送能耗和管道初投資，但過大加大供回水溫差將使降低空調房間溫濕度狀態的穩定性，一般不宜超過8℃。一次泵或二次泵變頻是根據空調系統實際制冷負荷需求來調節水流量，用水泵變頻來實現節能，二次泵能夠相應改變流量是實現節能的保證。

1.3 現有冷凍水系統的缺陷

水系統即使做了二次泵變頻，可以根據流量調節到需要的壓力，但因是集中供水，聯合水泵的揚程需要滿足水系統管路中的最不利回路的壓力需要。常規方式下選擇水泵時，由最遠最不利支路或用戶需求要求資用壓頭最大的支路來確定。這一支路的流量可能僅為系統總流量很小的一部分，但是為了這很小一部分的流量，必須選用大揚程水泵，其他流量也只好配備同樣的揚程。對管路長度較短，需要壓力較小的回路來說，資用壓力就將超量，必須用調節閥來降壓調節水量，這就造成輸送能源浪費。

以熱網管網為案例進行分析，對熱網管網，因外網提供的資用壓頭過高，案例中對于近端用戶，外網提供壓頭的71%都消耗在調節閥上，造成水泵能量極大浪費。

在水系統非滿負荷運行時，運行流量小于設計流量，而循環泵揚程不變，調節閥的能耗將進一步增大，因為此時管徑未變，流量的減少相當于比摩阻降低，提供給用戶的資用壓頭富余量更大，而用戶所需求的資用壓頭不變，因此調節閥消耗掉的壓頭更多。

2 動力分散式空調水系統節能優化

2.1 動力分散式空調水循環系統

傳統動力集中水系統中，調節閥的作用是增加阻力，消耗多余壓頭，實現調節流量的作用，調節閥所消耗的壓力占總壓力損失比例越大，調節性能越好，這樣，要獲得調節性能與能耗稱為不可兼顧的矛盾。若能采用變頻水泵來代替調節裝置，是通過減少向系統投入的能量來減少能量，這樣就有可能通過合理的系統結構設計來達到好的能量調節品質，而不是增加能耗，同時獲得節能和調節性能好的效果。

以二次泵變頻空調水系統舉例，定頻定流量的一次泵來保證經過冷水機組的水流量，二次泵調節所有用戶的水流總量。動力分散式空調水系統在一次泵的設置方法不變，取消冷凍站的變頻二次泵，在每個用戶端前的供水管設置小型的二次泵，此用戶專用小型二次泵只根據相應用戶的制冷需求調節水流量，壓力也根據水流量自動調節到。保證每個用戶需要多少用多少，而沒有末端的浪費。因此，我們可以直接取消串通設計的末端裝置回水管的電動二通閥或三通閥，直接由專用水泵控制水量，進一步節省輸送能耗。

用系統的示意圖來進行比較，見圖1、圖2。

圖1 常規二次泵變頻空調水循環系統

圖2 分散水泵式空調水循環系統

從圖1、圖2可以比較出兩者的區別，在各自的設計工況下，分別可節省輸送能耗30.29%、33.75%、28.7%。且得知，系統越大，這個比例越高。可見，動力分散式水系統應該具有其研究應用價值并加以合理推廣。

除了在每個末端配置變頻水泵，也可以考慮根據負荷集中程度進行分區處理，根據負荷要求提供最適合的流量和揚程，確保變負荷情況下，沒有多余揚程。將原來的集中泵組拆分為分區分散配置的變頻水泵，應用領域如：①區域供冷，如一個產業園；②大規模公共建筑，如會展中心、火車站等；③具有明確分區的商業建筑和工業建筑。

對于動力分散系統，可以通過求解各個回路壓力方程式來確定各個水泵的揚程，對于在冷熱源和各支路均設泵的系統，獨立回路的個數小于水泵的個數。

2.2 動力分散式空調水系統的優缺點分析

目前從理論分析上，經過計算分析認為，動力分散式空調水系統的水泵能耗，相比于變頻控制變揚程的二次泵變頻空調水系統最大可以節省40%的水泵運行能，因此具有研究意義。

除了節能效果顯著，還有：

（1）適當降低成本，水泵單價容量小很多，泵、變頻器、閥門規格均縮小。主要節約成本在于節約運行成本。

（2）配電容量減少。

（3）從初投資考慮，水系統的控制分為兩大部分：①通訊網絡和中央控制器；②當地控制設備，動力分散式水系統和傳統調節閥控制系統都需要通訊網絡和中央控制器，這一點上兩者的投資相同。對于當地控制設備，動力分散式水系統減少了電動調節閥，目前市場上好的品牌的電動調節閥昂貴，小口徑的幾千元，大口徑的上萬元，變頻水泵與電動水閥價格接近，甚至更低。綜合以上經濟分析不難看出，動力分散式水系統的應用不會增加初投資而運行成本大大節約，非常具有經濟效益。

（4）從負荷房間舒適性考慮，可以參考VAV的應用，更加適應各房間的負荷變化。

關于其缺點分析，若用如圖2的動力分散式空調水系統，需要在空調末端機房就近設置獨立變頻水泵，需要水泵尋找安裝空間，另外也將為水泵的保養和管理帶來不便。

3 結語

通過中央空調冷凍水系統節能運行的理論分析，已知采用變頻調速方法、變流量控制的節能方法效果明顯，但在此基礎上，再分析冷凍水系統管路和負荷分布特點，再進一步考慮系統各個子系統的特點，才能實現整個系統節能效益的最大化。用分散式水泵代替集中水泵加調節閥，不僅可以獲得較大的節能效果，又可以改善控制調節效果，初投資變化不會太大，應該是一種值得注意和考慮的新方式。