淺談空調(diào)冷熱輸配系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

劉慶開

（同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

大型中央采暖空調(diào)系統(tǒng)的輸配系統(tǒng)大多以空氣或水為載體進(jìn)行冷熱輸配，其中輸配系統(tǒng)的動(dòng)力裝置——風(fēng)機(jī)、水泵的耗電量占采暖空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的20%～60%。目前建筑冷熱輸配系統(tǒng)普遍存在如下問題：

（1）實(shí)際運(yùn)行效率低。動(dòng)力裝置的實(shí)際運(yùn)行效率僅為30%～50%，遠(yuǎn)低于額定效率；

（2）調(diào)節(jié)手段落后。系統(tǒng)主要依賴閥門來實(shí)現(xiàn)冷熱量的分配和調(diào)節(jié)，造成50%以上的輸配動(dòng)力被閥門所消耗；

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

分析表明，空調(diào)冷熱輸配系統(tǒng)的運(yùn)行能耗有可能降低50%～70%[1]，是建筑節(jié)能尤其是大型公共建筑節(jié)能中潛力最大的部分。冷熱輸配系統(tǒng)中的耗能設(shè)備是泵或風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸配系統(tǒng)節(jié)能，就是要在輸配所需的冷熱量時(shí)，降低管網(wǎng)中泵與風(fēng)機(jī)所耗的功率，提高輸配系統(tǒng)的能效比。

1 建筑冷熱輸配系統(tǒng)節(jié)能途徑

水泵運(yùn)行所耗功率用下式計(jì)算：

風(fēng)機(jī)運(yùn)行所耗功率用下式計(jì)算：

式中：ρ——輸送介質(zhì)的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

H——水泵的工作揚(yáng)程，mH2O；

P——風(fēng)機(jī)的工作全壓，Pa；

Q——泵或風(fēng)機(jī)的工作流量，m3/s；

η——泵或風(fēng)機(jī)的工作效率。

由此可見，降低泵或風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的基本途徑是：

1.1 減小泵或風(fēng)機(jī)的工作流量

某一時(shí)刻泵或風(fēng)機(jī)的工作流量由該時(shí)刻建筑的冷熱負(fù)荷決定：

式中：cp——輸配介質(zhì)的定壓比熱，kJ（kg/K）；

△t——輸配介質(zhì)的工作溫度差，K；

CHL——某時(shí)刻建筑的冷熱負(fù)荷，kW。

由式（3）可知，泵或風(fēng)機(jī)的工作流量與溫差成反比，增大溫差可降低工作流量?？照{(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷工況，此時(shí)應(yīng)盡可能保持或提高輸配介質(zhì)的工作溫度差，減小泵或風(fēng)機(jī)的工作流量。

實(shí)測(cè)表明，目前建筑冷熱輸配系統(tǒng)大多工作在“大流量、小溫差”狀況。造成這種現(xiàn)象的原因：①動(dòng)力裝置壓力匹配過高，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行流量偏大；②未進(jìn)行水力平衡設(shè)計(jì)和調(diào)試，為保證不利環(huán)路的流量，使得系統(tǒng)總流量偏大；③在部分負(fù)荷期間，未采用有效的流量調(diào)節(jié)控制措施。

1.2 減小泵的工作揚(yáng)程或風(fēng)機(jī)的工作全壓

泵的工作揚(yáng)程或風(fēng)機(jī)的全壓用于克服輸配介質(zhì)在管網(wǎng)中流動(dòng)的各種壓力損失。因此，應(yīng)避免各種不必要的壓力損失。不是靠精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而是過多地依靠閥門（包括各種平衡閥）實(shí)現(xiàn)冷熱量的分配與調(diào)節(jié)，使得很大一部分的動(dòng)力被閥門節(jié)流所消耗。

1.3 提高泵或風(fēng)機(jī)的工作效率

一方面，應(yīng)提高泵、風(fēng)機(jī)的制造水平，使其具有高的效率水平；另一方面，泵或風(fēng)機(jī)的工作效率與其工況點(diǎn)有關(guān)。泵或風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)由泵或風(fēng)機(jī)的性能與管網(wǎng)特性共同決定。因此應(yīng)通過泵或風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)系統(tǒng)的合理匹配與調(diào)節(jié)，使其工況點(diǎn)處于高效區(qū)。

2 冷熱輸配系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

2.1 泵與風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)技術(shù)

泵與風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)通常由安裝在電動(dòng)機(jī)的變頻器通過改變輸入電流的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。用降低轉(zhuǎn)速來調(diào)小流量，節(jié)能效果非常明顯；用增加轉(zhuǎn)速來增大流量，能耗也相應(yīng)增加顯著。在理論上為了提高流量可以用增加轉(zhuǎn)數(shù)的方法，但是轉(zhuǎn)數(shù)增加后，使葉輪圓周速度增大，噪聲和振動(dòng)可能增加，并且機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)超載問題可能會(huì)發(fā)生，因此一般不采用增速方法來調(diào)節(jié)工況。

2.2 一次泵變流量技術(shù)

一次泵變流量技術(shù)是水泵變速運(yùn)行的水系統(tǒng)技術(shù)，包括冷水機(jī)組在內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水實(shí)現(xiàn)了全部變流量，與傳統(tǒng)空調(diào)水系統(tǒng)相比，其節(jié)能潛力有了大幅度的提高。

一次泵變流量系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，主要由冷熱源、一次泵、旁通管、末端設(shè)備、自動(dòng)控制部分和調(diào)節(jié)閥組成。一次泵變流量系統(tǒng)比二次泵系統(tǒng)少了一組定速泵，但是多了一組用于測(cè)量冷熱源流量的檢測(cè)裝置。

圖1 一次泵變流量系統(tǒng)原理

一次泵變流量系統(tǒng)工作原理：在進(jìn)行正常供水的過程中，用戶數(shù)量處于一個(gè)不斷變動(dòng)的狀態(tài)，由此會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致負(fù)荷發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，用戶側(cè)的冷水流量、閥門開度以及供回水溫差等運(yùn)行參數(shù)也會(huì)發(fā)生一定的變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過對(duì)運(yùn)行參數(shù)的變化情況進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，并對(duì)水泵進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而能夠在確保用戶供水穩(wěn)定的情況下，保障流過冷熱源設(shè)備的流量始終大于最小流量。

一次泵變流量技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了冷熱源側(cè)的變流量運(yùn)行，可以減小冷熱源側(cè)的輸送能耗，還可以與二次泵變流量系統(tǒng)甚至動(dòng)力分散系統(tǒng)相結(jié)合，最大程度地實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能。

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

（3）節(jié)能潛力與水泵控制方式密切相關(guān)，水泵能耗與流量的三次冪呈正比關(guān)系不成立，需要合理設(shè)計(jì)水泵控制方式，最大限度發(fā)掘水泵的節(jié)能潛力。

2.3 變風(fēng)量技術(shù)

變風(fēng)量系技術(shù)（Variable air volume system，簡(jiǎn)稱VAV 系統(tǒng)）于20 世紀(jì)60 年代在美國誕生。其基本原理很簡(jiǎn)單：通過改變送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)變化的負(fù)荷。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，因此風(fēng)量的減小就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗的降低。

變風(fēng)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：隨著空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，其相應(yīng)的送風(fēng)量也會(huì)發(fā)生一定的變化，這就能夠針對(duì)負(fù)荷提供相應(yīng)的風(fēng)量，進(jìn)而降低不必要的能耗，提高能源的利用率。同時(shí)，變風(fēng)量系統(tǒng)還具有建設(shè)簡(jiǎn)單、靈活可靠以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣泛的應(yīng)用。此外，變風(fēng)量在本質(zhì)上是屬于一種全空氣系統(tǒng)，其具有后者的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效避免風(fēng)機(jī)管凝水的出現(xiàn)，確保系統(tǒng)安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

2.4“大溫差”輸配技術(shù)

所謂“大溫差”是指空調(diào)送風(fēng)或送水的溫差比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的溫差大。大溫差冷卻水系統(tǒng)，冷卻水溫差達(dá)到8℃左右；大溫差送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)溫差達(dá)到14℃～20℃；冷凍水大溫差系統(tǒng)，冷凍水溫差達(dá)到8℃～10℃；與冰蓄冷相結(jié)合的冷凍水大溫差和低溫送風(fēng)大溫差系統(tǒng)，冷凍水溫差達(dá)到10℃～15℃，送風(fēng)溫差達(dá)到17℃～23℃等。對(duì)這些攜帶冷熱量的介質(zhì)，采用較大的循環(huán)溫差后，循環(huán)流量將減小，可以節(jié)約一定的輸送能耗并降低輸送管網(wǎng)的初投資。