空調(diào)冷水系統(tǒng)的演變與變流量一次泵系統(tǒng)設(shè)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(shè)計運行指南，總結(jié)歸納了這種系統(tǒng)中的設(shè)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(xué)發(fā)展觀建設(shè)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(shè)方針。此方針落實到我們空調(diào)制冷行業(yè)、工程設(shè)計領(lǐng)域就是要不斷地提高空調(diào)制冷設(shè)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(shè)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(shè)備與其系統(tǒng)的能效。

提高能效不應(yīng)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(yīng)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(fēng)機盤管等末端設(shè)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(shè)計者實際上是冷(熱)源，管網(wǎng)與末端空氣處理設(shè)備的“集成工程師”，冷(熱)源設(shè)備與末端空氣處理設(shè)備的性能規(guī)格參數(shù)雖取決于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品設(shè)計師，但作為中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計者的責(zé)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(zé)空調(diào)工程設(shè)計工程師的精心設(shè)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(yīng)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(yīng)該說這部分工作和冷(熱)源設(shè)備與末端空氣處理設(shè)備生產(chǎn)廠家毫無關(guān)系，主要是空調(diào)工程師的設(shè)計責(zé)任。

“中央空調(diào)系統(tǒng)”設(shè)計的核心問題是要在正確選用冷(熱)源設(shè)備與末端空氣處理設(shè)備的基礎(chǔ)上，精心選用與設(shè)計它的空調(diào)水系統(tǒng)。其目的是要在滿足與適應(yīng)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(chǔ)上，重點討論一下變流量一次泵系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)風(fēng)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(dāng)時工業(yè)發(fā)展的需要，首先發(fā)展了服務(wù)于紡織、印刷、精密儀器制造的工業(yè)性空調(diào)，依賴的是當(dāng)時剛起步的氨壓縮制冷工業(yè)。到了70年代，由于建設(shè)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(shè)的需要，90年代建設(shè)高檔辦公樓與商場的建設(shè)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(chǔ)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(shè)備進口的，而且空調(diào)系統(tǒng)方案也是由外國公司設(shè)計的。因此，在近30多年我國所建設(shè)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(lǐng)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(yīng)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(xué)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(fù)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(fù)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(fù)雜，要求測量控制均需準確、迅速響應(yīng)

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(yīng)零配件，減振器，電力輸配線，控制等。但這種節(jié)省中有相當(dāng)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?？刂频膹?fù)雜性和可能出現(xiàn)的故障乃是其目前公認的兩個難點：