空調(diào)冷水系統(tǒng)的演變與變流量一次泵系統(tǒng)設計

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〖摘要〗變流量一次泵系統(tǒng)是近年來正在掀起的一項創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)。本文簡要總結(jié)歸納了我國空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的演變發(fā)展歷程與主要問題；全面介紹了變流量一次泵系統(tǒng)的優(yōu)點、難點和不適合采用的場合；根據(jù)國外的成功經(jīng)驗與設計運行指南，總結(jié)歸納了這種系統(tǒng)中的設計要點與順序控制要求。最后提出了個人的4點看法。

〖關(guān)鍵詞〗變流量一次泵水系統(tǒng)，定流量一次泵水系統(tǒng)，定流量一次泵/變流量二次泵水系統(tǒng)，空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能

1. 問題的提出

以科學發(fā)展觀建設節(jié)約型社會，走可持續(xù)發(fā)展道路將是我國的長期建設方針。此方針落實到我們空調(diào)制冷行業(yè)、工程設計領域就是要不斷地提高空調(diào)制冷設備及其系統(tǒng)的能效。

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，空調(diào)已成為保障工作條件與改善居住條件的必需品。但是空調(diào)的普及已顯示出了給我國能源建設帶來了巨大壓力，已對我國的能源資源利用敲起了警鐘。為了更好地普及空調(diào)，讓大家用得起空調(diào)，要在我國的能源資源條件能世代長期承受得起，唯一的辦法也是要不斷地提高空調(diào)設備與其系統(tǒng)的能效。

提高能效不應成為“口號”，更不能成為一句“空話”，必需落實到我們工作與生活的每一環(huán)節(jié)，我們每人每個實際行動。本文就是想專門討論一下如何提高空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的輸配能效問題。

同行們都知道，空調(diào)能耗主要消耗在三方面：⑴ 利用各種能源制取“冷量”與“熱量”；⑵ 利用所得到“冷量”與“熱量”處理“空氣”，造成適合于工作與居住環(huán)境；⑶ 將這些“冷量”，“熱量”與“空氣”輸配到所需要的指定地方?？照{(diào)冷凍水系統(tǒng)就是專門履行“冷量”與“熱量”輸配的一種手段，它是中央空調(diào)輸配能源消耗的主角。

國內(nèi)通俗稱呼的“中央空調(diào)系統(tǒng)”實際上是英文“Central air conditioning system”的一種簡化譯名，更準確的譯名應該稱“集中冷、熱源的空調(diào)系統(tǒng)”。這種系統(tǒng)一般由三部分組成：以冷水機組與熱水鍋爐(或其它熱源)作冷、熱源；以水作傳遞與輸送冷、熱量的介質(zhì)，以水泵為動力裝置，管網(wǎng)為輸配手段來輸配冷、熱量；以空氣處理箱與風機盤管等末端設備來處理空氣與分布空氣。三者缺一不可。在分析與比較任何“中央空調(diào)系統(tǒng)”的能耗與能效時，我們不能只考慮其中之一或二，必須把這三部分能耗全面、綜合考慮進去。

在大、中型“中央空調(diào)系統(tǒng)”中，空調(diào)設計者實際上是冷(熱)源，管網(wǎng)與末端空氣處理設備的“集成工程師”，冷(熱)源設備與末端空氣處理設備的性能規(guī)格參數(shù)雖取決于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品設計師，但作為中央空調(diào)系統(tǒng)設計者的責任必須對各種系列產(chǎn)品的性能有充分了解與全面掌握，再根據(jù)工程的負荷特點與系統(tǒng)特點來正確與合理選用。在大、中型“中央空調(diào)系統(tǒng)”中，其輸配能耗的高低、大小主要取決于負責空調(diào)工程設計工程師的精心設計與計算，包括：如何根據(jù)建筑特點、負荷特點確定系統(tǒng)種類？如何根據(jù)系統(tǒng)劃分、系統(tǒng)種類，采用相應的不同控制策略？如何準確計算系統(tǒng)的摩擦阻力、局部阻力與總阻力？如何精心選擇空調(diào)水系統(tǒng)的循環(huán)水泵與控制調(diào)節(jié)閥？應該說這部分工作和冷(熱)源設備與末端空氣處理設備生產(chǎn)廠家毫無關(guān)系，主要是空調(diào)工程師的設計責任。

“中央空調(diào)系統(tǒng)”設計的核心問題是要在正確選用冷(熱)源設備與末端空氣處理設備的基礎上，精心選用與設計它的空調(diào)水系統(tǒng)。其目的是要在滿足與適應各種負荷變化的前提下要盡量使輸配能耗最小化，并盡量降低初投資費用與維修工作量。因此，本文將對近40多年國內(nèi)外的空調(diào)水系統(tǒng)的演變、發(fā)展歷程作簡要總結(jié)基礎上，重點討論一下變流量一次泵系統(tǒng)的設計問題。

2. 空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的演變、發(fā)展與主要問題

回顧歷史，我國中央空調(diào)的冷凍水系統(tǒng)已經(jīng)歷了40多年的風風雨雨。實事求是地講，由于我國所處的特殊歷史背景，和經(jīng)濟、技術(shù)條件的限制，我們在空調(diào)冷凍水系統(tǒng)上并沒有什么創(chuàng)新，而是始終跟隨著國外同行的足跡在前進。我國的中央空調(diào)始于上世紀60年代，源于當時工業(yè)發(fā)展的需要，首先發(fā)展了服務于紡織、印刷、精密儀器制造的工業(yè)性空調(diào)，依賴的是當時剛起步的氨壓縮制冷工業(yè)。到了70年代，由于建設政治性公共建筑的需要，才研發(fā)了大型氟里昂冷水機組，開創(chuàng)了我國舒適性空調(diào)的歷史。改革開放后來80年代旅游旅館建設的需要，90年代建設高檔辦公樓與商場的建設高潮，開辟了我國舒適性中央空調(diào)大發(fā)展的新時期。

鑒于我國原來經(jīng)濟落后，工業(yè)基礎薄弱，在上世紀70年代末開始的改革開放年代里，引資招商，在一些大型民用空調(diào)工程中同時引進了技術(shù)，其具體表現(xiàn)不但主要設備進口的，而且空調(diào)系統(tǒng)方案也是由外國公司設計的。因此，在近30多年我國所建設的民用舒適性空調(diào)工程中，其所采用的技術(shù)方案與國外的技術(shù)進步，特別是在中央空調(diào)水系統(tǒng)領域，主要與美國的技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)。

在空調(diào)水系統(tǒng)供冷技術(shù)方面，為了適應空調(diào)負荷的變化，為了節(jié)省輸配能耗，為了確保冷水機組運行的穩(wěn)定與安全，為了節(jié)省機房占地面積，我國跟隨著美國也大致經(jīng)歷著相同的演變發(fā)展過程。上世紀60年代我國采用了開放式定轉(zhuǎn)速一次泵系統(tǒng)，在70年末到80年代初采用了負荷側(cè)采用三通閥的定流量一次泵系統(tǒng)，在80年代中經(jīng)歷著負荷側(cè)采用二通閥的定轉(zhuǎn)速變流量一次泵系統(tǒng)，在80年代末至90年代中經(jīng)歷了定流量一次泵/臺數(shù)控制的變流量二次泵系統(tǒng)，在90年代末至本世紀初在大、中型空調(diào)水系統(tǒng)中，較廣泛采用了定流量一次泵/變頻控制的變流量二次泵系統(tǒng)。目前，我國學術(shù)界和一些冷水機組生產(chǎn)廠商正在為推廣變流量一次泵水系統(tǒng)做技術(shù)交流與示范工程。

為了盡量壓縮文章的篇幅，現(xiàn)將推動上述6種空調(diào)冷凍水系統(tǒng)演變的主要問題簡要總結(jié)歸納在表1中，(詳細情況可見參考文獻[1]) 這些問題的不斷解決，也是空調(diào)水系統(tǒng)不斷發(fā)展的過程。

表1  各種空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的流行年代，優(yōu)點與主要問題

年代

系統(tǒng)種類

優(yōu)點

主要問題

60年代

開放式定轉(zhuǎn)速一次泵系統(tǒng)

水系統(tǒng)簡單

水泵的高差靜壓損失大，冷凍水易受污染，蒸發(fā)器外表面易結(jié)垢。占地面積大。

70年代末至80年代初

負荷側(cè)采用三通閥的定流量一次泵系統(tǒng)

水系統(tǒng)簡單

三通閥價貴、易堵。 部分負荷時水泵不節(jié)能，輸配電耗高。

80年代中期

負荷側(cè)采用二通閥的定轉(zhuǎn)速變流量一次泵系統(tǒng)

水系統(tǒng)簡單

部分負荷時水泵不節(jié)能，輸配電耗高。

80年代末至90年代初

定流量一次泵/臺數(shù)控制的變流量二次泵系統(tǒng)

旨在解決部分負荷時二次泵節(jié)能

流過蒸發(fā)器的一次泵流量為定流量，在部分負荷時仍不節(jié)能。二次泵的臺數(shù)控制實際上均告失敗。水系統(tǒng)較復雜，機房內(nèi)要備有二組水泵，占地面積較大。

90年代末至本世紀初

定流量一次泵/變頻控制的變流量二次泵系統(tǒng)

旨在解決部分負荷時二次泵節(jié)能

流過蒸發(fā)器的一次泵流量為定流量，在部分負荷時仍不節(jié)能。水系統(tǒng)較復雜，機房內(nèi)要備有二組水泵，占地面積較大。

目前

變流量一次泵系統(tǒng)

取消了二次泵環(huán)節(jié)，水系統(tǒng)簡單，節(jié)能較多

控制復雜，要求測量控制均需準確、迅速響應

3. 變流量一次泵系統(tǒng)的優(yōu)點、難點與不適用場合

變流量一次泵系統(tǒng)從系統(tǒng)組成來說是比較簡單的，如圖1所示。

目前在論及變流量一次泵水系統(tǒng)的優(yōu)缺點時，一般均是與傳統(tǒng)的定流量一次泵/變流量二次泵系統(tǒng)相比較。其公認的優(yōu)點有：

· 降低了空調(diào)供冷水系統(tǒng)的初投資費用。這因為取消了二次水泵與相應零配件，減振器，電力輸配線，控制等。但這種節(jié)省中有相當一部分要被一次泵水系統(tǒng)變頻調(diào)速驅(qū)動器的較高價錢和旁通閥與附帶控制的費用所抵消。

· 降低了系統(tǒng)對冷凍機房的空間要求。這是由于取消了二次水泵組而節(jié)省了機房的建筑面積。但其究竟能節(jié)省多少面積還要視原來定流量一次泵/變流量二次泵水系統(tǒng)的平面布置方案與機房的一些制約條件而論。

· 降低了系統(tǒng)中水泵組電機的電力需求。原因有二：⑴ 取消了二次水泵消耗在附加零配件與裝置(截止閥，除污器，吸口擴散器，止回閥，集水缸等)上的阻力損失；⑵ 因為一次/二次泵水系統(tǒng)中的一次泵通常是大流量低壓頭，其固有的效率比較低，而變流量一次泵水系統(tǒng)中的一次水泵均是大流量高揚程的水泵，其固有的效率一般均高于同等流量低揚程的水泵。

· 降低了系統(tǒng)中水泵組的全年能耗費用。其部分原因是由于變流量一次泵水系統(tǒng)中水泵組的滿負荷電力需求低于定流量一次泵/變流量二次泵系統(tǒng)的電力需求；但主要原因還是因為在采用一次/二次泵系統(tǒng)時，在一次環(huán)路中的水泵電耗對于每一冷水機組分級都是恒定不變的，同時一次泵必須像冷水機組那樣分級投入運行。圖2對于裝有三臺冷水機組，三臺水泵機房，提供了這兩種空調(diào)水系統(tǒng)方案在不同流量下泵送電功率的比較曲線。[8]

圖2  在裝有三臺冷水機組機房內(nèi)變流量一次泵系統(tǒng)與一次/二次泵系統(tǒng)的水泵電功率比較

盡管變流量一次泵水系統(tǒng)的優(yōu)點很多、優(yōu)勢很大，但其旁通控制與冷水機組分級啟停控制的復雜性和可能出現(xiàn)的故障乃是其目前公認的兩個難點：