空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探討

胡忠義

在建筑物的使用能耗中，根據(jù)建筑類型的不同，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到其40%～65%，在有些商業(yè)建筑中甚至達(dá)到了70%以上。而空調(diào)水系統(tǒng)又是其中很重要的組成部分，在夏季供冷季節(jié)水系統(tǒng)能耗約占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的60%～80%，在大型空調(diào)系統(tǒng)中輸送所耗的電能占整個(gè)系統(tǒng)耗電量的30%左右，其中水泵所耗的電能占整個(gè)系統(tǒng)耗電量的25%以上[1]。所以空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能問題，尤其是水系統(tǒng)的節(jié)能手段是建筑節(jié)能研究中的一個(gè)重要方面[2]。

1 一次泵定流量系統(tǒng)

在一次泵定流量系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的冷水流量不變，蒸發(fā)器就不存在發(fā)生結(jié)冰等運(yùn)行問題。當(dāng)冷負(fù)荷減少時(shí)，通過減機(jī)或減小冷水的供、回水溫差來適應(yīng)負(fù)荷的變化，所以在絕大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，空調(diào)水系統(tǒng)處于大流量、小溫差的狀態(tài)，不利于水泵節(jié)能。

負(fù)荷側(cè)末端采用變流量，在表冷器出口設(shè)置電動(dòng)兩通閥。在冷水的供水總管和回水總管上設(shè)置旁通管，旁通流量是冷源側(cè)流量與用戶側(cè)流量之差，旁通管上裝有電動(dòng)閥門。

2 二次泵變流量系統(tǒng)

二次泵系統(tǒng)在一次泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上在負(fù)荷側(cè)增加一組循環(huán)水泵，將冷凍水系統(tǒng)分為制備和輸送兩個(gè)部分，降低了各自管路的承壓。其末端的二通閥調(diào)節(jié)和相關(guān)設(shè)備的臺(tái)數(shù)控制基本與一次泵系統(tǒng)相同。負(fù)荷側(cè)水量變化的同時(shí)，二次水泵的運(yùn)行頻率根據(jù)能夠反映用戶側(cè)實(shí)際水量需求的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，用水泵的變頻控制作用來取代部分或全部調(diào)節(jié)閥節(jié)流作用，減少了能量的消耗。在負(fù)荷側(cè)和冷、熱源側(cè)之間設(shè)橋管用以平衡一、二次冷凍水量的差異。二次泵系統(tǒng)可以并聯(lián)運(yùn)行，也可以根據(jù)壓力損失的差異，獨(dú)立設(shè)置冷凍水環(huán)路分區(qū)供應(yīng)，系統(tǒng)形式比較多變，見圖1。

二次泵系統(tǒng)是一個(gè)變水量系統(tǒng)，通過改變循環(huán)水量實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。常見的變水量調(diào)節(jié)方法有臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩種。

1)臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)一次泵系統(tǒng)的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)較多采用差壓控制，二次泵系統(tǒng)的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)主要采用流量控制，在控制精度較高的場(chǎng)合多采用負(fù)荷控制。差壓控制是利用水泵并聯(lián)特性曲線，設(shè)定一個(gè)供回水壓力波動(dòng)范圍，當(dāng)負(fù)荷變化引起管網(wǎng)流量改變時(shí)，供回水壓力隨之波動(dòng)，當(dāng)超過設(shè)定上限值時(shí)增加泵運(yùn)行臺(tái)數(shù);當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定下限值時(shí)減少泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)。流量控制是根據(jù)橋管內(nèi)水流的方向和大小控制水泵及相應(yīng)制冷機(jī)的啟停。當(dāng)用戶負(fù)荷減小、二次流量減少時(shí)，一次流量過剩，橋管內(nèi)冷水由供水流向回水。當(dāng)橋管內(nèi)流量大于單泵流量110%時(shí)，關(guān)閉一臺(tái)制冷機(jī)及相應(yīng)水泵;當(dāng)用戶負(fù)荷增加、一次流量出現(xiàn)不足時(shí)，橋管內(nèi)冷水逆向流動(dòng);當(dāng)橋管內(nèi)流量大于單泵流量20%時(shí)，開啟一臺(tái)水泵及相應(yīng)的制冷機(jī)。提前開啟制冷機(jī)的目的是避免二次供水溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)。

2)變速調(diào)節(jié)。二次泵需克服管網(wǎng)、盤管、平衡閥及控制閥等的阻力。在定速變水量系統(tǒng)中，當(dāng)流量減少時(shí)，管網(wǎng)、盤管及平衡閥的壓降減小，但循環(huán)泵揚(yáng)程有所增加，二者之間的差值必須由控制閥(二通閥)來負(fù)擔(dān)，因此，定速變水量系統(tǒng)的節(jié)能效果并不明顯，在極低負(fù)荷時(shí)，控制閥會(huì)因壓差過大失控，使過量冷水通過盤管。采用水泵變速調(diào)節(jié)可以克服上述弊端。當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使揚(yáng)程和流量減少，可以獲得明顯的節(jié)能效果?？紤]變頻器效率和電機(jī)散熱等因素，變速調(diào)節(jié)應(yīng)有一個(gè)最低轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)負(fù)荷變化范圍較大時(shí)，常采用多泵并聯(lián)變速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

3 一次泵變流量系統(tǒng)

與二次泵系統(tǒng)相比，其顯著的變化是取消了二次泵，其次，系統(tǒng)運(yùn)行過程中冷水機(jī)組蒸發(fā)器一側(cè)的流量會(huì)隨著負(fù)荷的變化而發(fā)生變化，如圖2所示。

系統(tǒng)的工作原理為:當(dāng)冷負(fù)荷變大時(shí)，用戶側(cè)的兩通閥開度大，壓差下降，為維持壓差恒定，保證系統(tǒng)運(yùn)行，一次泵轉(zhuǎn)速提高，從而增大流量;當(dāng)冷負(fù)荷變小時(shí)，動(dòng)作相反。系統(tǒng)中，壓差控制器用于檢測(cè)用戶側(cè)壓差值，壓差控制器最好設(shè)置在系統(tǒng)最遠(yuǎn)、最不利處。根據(jù)壓差檢測(cè)信號(hào)，調(diào)整一次泵轉(zhuǎn)速，一次泵轉(zhuǎn)速的變化通過變頻調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)。水道溫度傳感器用于檢測(cè)供回水溫度，流量傳感器檢測(cè)系統(tǒng)水流量，根據(jù)流量檢測(cè)信號(hào)調(diào)節(jié)旁通閥的開度。上述檢測(cè)、調(diào)節(jié)均通過控制器實(shí)現(xiàn)。

3.1 與二次泵系統(tǒng)的差異

在二次泵系統(tǒng)中，冷水機(jī)組和一次泵是一前一后配對(duì)運(yùn)行，即冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)，一次泵保持定流量。當(dāng)負(fù)荷增加而加載一臺(tái)冷水機(jī)組時(shí)，其對(duì)應(yīng)的冷凍水泵先啟動(dòng)，負(fù)荷降低需減載一臺(tái)冷水機(jī)組時(shí)，先關(guān)閉一臺(tái)冷機(jī)，然后關(guān)閉對(duì)應(yīng)的冷凍水泵，故一次泵與冷水機(jī)組是聯(lián)動(dòng)的。而一次泵變流量系統(tǒng)與二次泵系統(tǒng)有較大的不同:一次泵是獨(dú)立控制的，只要保證滿足輸送的冷凍水流量要求即可，而冷水機(jī)組的運(yùn)行序列也是獨(dú)立分配的，條件是滿足冷凍水的溫度要求。

與二次泵變流量系統(tǒng)相比，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)減少了水泵數(shù)量，節(jié)省了機(jī)房面積，降低了設(shè)備投資。2)通過選用大型、高效的一次泵代替了二次泵系統(tǒng)中原有的小型、低效、低揚(yáng)程的一次泵，從而得以提高水泵的性能。3)降低了系統(tǒng)中水泵組的能耗。

3.2 一次泵變流量系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

3.2.1 選擇的冷水機(jī)組必須與變流量系統(tǒng)相適應(yīng)

在選擇冷水機(jī)組時(shí)，要注意以下幾個(gè)問題:

1)冷水機(jī)組的流量變化范圍。需要選擇最小流量盡可能低的冷水機(jī)組。蒸發(fā)器最小流量由蒸發(fā)器的類型、回程以及管束尺寸決定。通常機(jī)組效率越高，機(jī)組蒸發(fā)器流量變化的范圍就越窄。目前離心機(jī)的最小流量一般都能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的30%左右。

2)冷水機(jī)組的允許冷水流量變化率。由于蒸發(fā)器中水流量的較快變化能引起控制不穩(wěn)定和壓縮機(jī)的回液與停機(jī)，為了確保一次泵變流量系統(tǒng)中的冷水機(jī)組穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)時(shí)必須從生產(chǎn)廠商獲知所選用冷水機(jī)組所能承受的冷水流量變化率的數(shù)值。

3.2.2 注意系統(tǒng)周轉(zhuǎn)時(shí)間

較長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)時(shí)間有利于改善冷水機(jī)組控制的穩(wěn)定性。一般情況下冷水機(jī)組廠家會(huì)提供系統(tǒng)周轉(zhuǎn)時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)整個(gè)水系統(tǒng)周轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，校核是否大于廠家所給的值。若系統(tǒng)周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，說明該系統(tǒng)利于機(jī)組控制的穩(wěn)定，否則，需采取改善措施。

3.2.3 注意水系統(tǒng)流量的測(cè)量與旁通控制

從圖2中可看出，供回水干管上加設(shè)旁通調(diào)節(jié)閥，該閥是保證冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的流量不低于其最小流量要求，確保冷水機(jī)組的正常運(yùn)行。閥的調(diào)節(jié)是依據(jù)檢測(cè)的流量信號(hào)而進(jìn)行，因而對(duì)流量的檢測(cè)必須準(zhǔn)確。一般選擇測(cè)量精度較高的電磁流量計(jì)為宜，同時(shí)應(yīng)注意定期標(biāo)定、校正;此外，閥的調(diào)節(jié)需快速，為滿足流量與閥門的開度成線性關(guān)系以及考慮到閥門的實(shí)際流量特性，選擇等百分比特性的調(diào)節(jié)閥為宜。

4 結(jié)語(yǔ)

空調(diào)冷水系統(tǒng)從一次泵定流量系統(tǒng)、二次泵變流量系統(tǒng)、一次泵變流量系統(tǒng)的演變過程，是水泵不節(jié)能、負(fù)荷側(cè)水泵節(jié)能、全程(冷源側(cè)與負(fù)荷側(cè))水泵節(jié)能的過程，系統(tǒng)配置是簡(jiǎn)單、復(fù)雜、再簡(jiǎn)單的演變過程。一次泵變流量系統(tǒng)中，冷水機(jī)組和水泵臺(tái)數(shù)不必一一對(duì)應(yīng)，兩者臺(tái)數(shù)變化和啟?？煞謩e獨(dú)立控制。故能充分利用冷水機(jī)組的超額冷量，減少冷水機(jī)組和冷卻水泵的全年運(yùn)行時(shí)數(shù)和能耗。而且該系統(tǒng)不僅可最大限度地節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，而且與二次泵變流量系統(tǒng)相比，節(jié)省系統(tǒng)初投資和機(jī)房面積。

[1] 朱明杰.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

[2] 劉 濤.中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能措施探討[J].制冷與空調(diào)，2008，22(2):43-45.

[3] 汪訓(xùn)昌.空調(diào)冷水系統(tǒng)的沿革與變流量一次泵水系統(tǒng)的實(shí)踐[J].暖通空調(diào)，2006，36(7):32-40.

[4] 白貴平，林振霞.空調(diào)系統(tǒng)冷卻水溫度分析[J].山西建筑，2008，34(6):201-202.