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(diào)能耗，而空調(diào)冷凍水泵全年能耗約占空調(diào)制冷站全年能耗15%～20%之間，可見冷凍水泵是空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分，而空調(diào)水泵實際過大幾乎是冷凍水系統(tǒng)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(huán)路的壓力降。空調(diào)水系統(tǒng)能耗的1/3左右被各種調(diào)節(jié)閥門所消耗，但這樣大的代價不保證換來好的調(diào)節(jié)效果，反而導致系統(tǒng)中許多問題發(fā)生。

1 空調(diào)水系統(tǒng)概述分析

1.1 傳統(tǒng)集中動力冷凍水系統(tǒng)

空調(diào)水管路由主管、干管和支管組成，各支管與各空調(diào)末端裝置相接，構(gòu)成一個個并聯(lián)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(lián)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(diào)水系統(tǒng)的形式分為同程式和異程式。異程系統(tǒng)指系統(tǒng)水流經(jīng)每一用戶回路的管路長度不等，由于用戶位置的分布無規(guī)律和距離，此系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥門來達到各回路阻力平衡。同程系統(tǒng)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(tǒng)多耗管材，造價高，而且管路的管徑不易計算，并在系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)設計。異程各并聯(lián)回路的阻力差應控制在小于15%。

1.2 冷凍水系統(tǒng)常規(guī)節(jié)能方法

空調(diào)冷凍水輸送系統(tǒng)的節(jié)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(diào)房間溫濕度狀態(tài)的穩(wěn)定性，一般不宜超過8℃。一次泵或二次泵變頻是根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)實際制冷負荷需求來調(diào)節(jié)水流量，用水泵變頻來實現(xiàn)節(jié)能，二次泵能夠相應改變流量是實現(xiàn)節(jié)能的保證。

1.3 現(xiàn)有冷凍水系統(tǒng)的缺陷

水系統(tǒng)即使做了二次泵變頻，可以根據(jù)流量調(diào)節(jié)到需要的壓力，但因是集中供水，聯(lián)合水泵的揚程需要滿足水系統(tǒng)管路中的最不利回路的壓力需要。常規(guī)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(tǒng)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(diào)節(jié)閥來降壓調(diào)節(jié)水量，這就造成輸送能源浪費。

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

在水系統(tǒng)非滿負荷運行時，運行流量小于設計流量，而循環(huán)泵揚程不變，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥消耗掉的壓頭更多。

2 動力分散式空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

2.1 動力分散式空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)動力集中水系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的作用是增加阻力，消耗多余壓頭，實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的作用，調(diào)節(jié)閥所消耗的壓力占總壓力損失比例越大，調(diào)節(jié)性能越好，這樣，要獲得調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)裝置，是通過減少向系統(tǒng)投入的能量來減少能量，這樣就有可能通過合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計來達到好的能量調(diào)節(jié)品質(zhì)，而不是增加能耗，同時獲得節(jié)能和調(diào)節(jié)性能好的效果。

以二次泵變頻空調(diào)水系統(tǒng)舉例，定頻定流量的一次泵來保證經(jīng)過冷水機組的水流量，二次泵調(diào)節(jié)所有用戶的水流總量。動力分散式空調(diào)水系統(tǒng)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(jù)相應用戶的制冷需求調(diào)節(jié)水流量，壓力也根據(jù)水流量自動調(diào)節(jié)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(jié)省輸送能耗。

用系統(tǒng)的示意圖來進行比較，見圖1、圖2。

圖1 常規(guī)二次泵變頻空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)

圖2 分散水泵式空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)

從圖1、圖2可以比較出兩者的區(qū)別，在各自的設計工況下，分別可節(jié)省輸送能耗30.29%、33.75%、28.7%。且得知，系統(tǒng)越大，這個比例越高?？梢姡瑒恿Ψ稚⑹剿到y(tǒng)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(jù)負荷集中程度進行分區(qū)處理，根據(jù)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(qū)分散配置的變頻水泵，應用領(lǐng)域如：①區(qū)域供冷，如一個產(chǎn)業(yè)園；②大規(guī)模公共建筑，如會展中心、火車站等；③具有明確分區(qū)的商業(yè)建筑和工業(yè)建筑。

對于動力分散系統(tǒng)，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(tǒng)，獨立回路的個數(shù)小于水泵的個數(shù)。

2.2 動力分散式空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析

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

除了節(jié)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(guī)格均縮小。主要節(jié)約成本在于節(jié)約運行成本。

（2）配電容量減少。

（3）從初投資考慮，水系統(tǒng)的控制分為兩大部分：①通訊網(wǎng)絡和中央控制器；②當?shù)乜刂圃O備，動力分散式水系統(tǒng)和傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)都需要通訊網(wǎng)絡和中央控制器，這一點上兩者的投資相同。對于當?shù)乜刂圃O備，動力分散式水系統(tǒng)減少了電動調(diào)節(jié)閥，目前市場上好的品牌的電動調(diào)節(jié)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(jīng)濟分析不難看出，動力分散式水系統(tǒng)的應用不會增加初投資而運行成本大大節(jié)約，非常具有經(jīng)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(guān)于其缺點分析，若用如圖2的動力分散式空調(diào)水系統(tǒng)，需要在空調(diào)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(yǎng)和管理帶來不便。

3 結(jié)語

通過中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)節(jié)能運行的理論分析，已知采用變頻調(diào)速方法、變流量控制的節(jié)能方法效果明顯，但在此基礎上，再分析冷凍水系統(tǒng)管路和負荷分布特點，再進一步考慮系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的特點，才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)節(jié)能效益的最大化。用分散式水泵代替集中水泵加調(diào)節(jié)閥，不僅可以獲得較大的節(jié)能效果，又可以改善控制調(diào)節(jié)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。