一些对公共建筑集中空调系统的能耗调查测试表明,集中空调系统的用电量大约25-30%消耗于冷冻水泵和冷却水泵的输配上。空调水系统的合理配置对冷水机组的正常、高效运行有较大影响,因此合理地设计空调水系统是保证集中空调系统节能运行的关键。
常规的空调系统设计,大都是按照设计工况来配置冷水机组、管网及循环水泵等。实际上,绝大部分时间空调系统是在40%-80%负荷范围内运行的,为了适应这种情况,冷源侧的冷水机组一般需要通过卸载降低能耗,负荷侧需要采用变冷水温差或变冷水流量调节来适应空调末端负荷变化的需求。
目前在负荷侧变流量的前提下,冷水系统可归纳为以下三种方式。
1
一次泵定流量系统
冷源侧定流量,负荷侧变流量,无变频泵
一次泵定流量系统
特点:是通过蒸发器的冷水流量不变,因此蒸发器不存在发生结冰的危险。当系统中负荷侧冷负荷减少时,通过减小冷水的供、回水温差来适应负荷的变化,所以在绝大部分运行时间内,空调水系统处于大流量、小温差的状态,不利于节约水泵的能耗。
一次泵定流量系统中一台冷水机组配置一台水泵,水泵和机组联动控制,末端冷却盘管的回水管路上,安装有两通调节阀,在末端负荷变化时进行变流量调节。旁通管则起到平衡一次水和二次水系统水量的作用。旁通管上装有压差旁通阀,可根据最不利环路压差变化来调节压差旁通阀开度,从而调节旁通水量,旁通水仅有一个流动方向,即从供水总管流向回水总管。
2
二次泵变流量系统
冷源侧定流量,负荷侧变流量,负荷侧采用变频泵
二次泵变流量系统
3
一次泵变流量系统
冷源侧变流量,负荷侧变流量,冷源侧与负荷侧采用同一个变频泵
一次泵变流量系统
特点:冷水机组和水泵台数不必一一对应,台数变化和启停可分别独立控制;与二次泵变流量系统相比,一次泵变流量系统省去了一次泵(定速水泵),节省初投资,节省了机房面积;能根据末端负荷的变化,调节负荷侧和冷水机组蒸发器侧的流量,从而最大限度地降低变频水泵的能耗;可以消除一次泵定流量系统和二次泵变流量系统的“低温差综合症”,使冷水机组高效运行;能充分利用冷水机组的超额冷量,减少并联的冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。
冷水机组是按照设计工况选择的,当冷却水进水温度低于设计工况时,冷水机组满负荷运行的制冷量通常大于其设计冷量(额定冷量)。由于一次泵变流量系统的冷水机组和水泵台数不是一一对应,因此通过加大冷水机组蒸发器的流量,可充分利用冷水机组的超额冷量,不必开启另一台冷水机组和相应的冷却水泵,从而减少并联的冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。
了解了在负荷侧变流量的前提下,冷水系统的三种方式,其中主流的两种方式分别是二次泵变流量系统和一次泵变流量系统。下面通过一张表格更加理解两种系统的特点以及区别。
项目 | 一次泵变流量系统 | |
一次泵 | 水泵与机组运行相对应,联动控制;根据一次侧水系统压力降,选择水泵扬程,水泵扬程相对较小;一次泵定流量运行,不节能 | 水泵与机组的运行相互独立; 根据全程压力降选择水泵扬程;最不利末端压差控制; 一次泵变流量运行,系统全程节能 |
二次泵 | 根据二次侧压力降选择水泵扬程;最不利末端压差控制;二次泵变流量运行,系统部分节能 | 无 |
冷水机组 | 蒸发器流量恒定 | 蒸发器流量可变 |
变频装置 | 仅二次泵配备,功率较小 | 一次泵配备,功率较大 |
平衡管/旁通管 | 最大单台冷水机组的设计流量无控制阀 | 最小单台冷水机组的最小流量有控制阀 |
流量测量 | 旁通流量 负荷侧回水干管流量 | 蒸发器压差换算 冷水机组回水干管流量 |
加减机装置 | 二次侧供水温度或空调负荷计算 | 二次侧供水温度或机组运行电流 |
初投资 | 大 | 小,节省一次泵及配套的电机、管线 |
机房面积 | 大,需两套水泵 | 小,一套水泵 |
运行费用 | 大 | 小,比二次泵省6%-12% 比一次泵定流量省20%-30% |
一次泵变流量系统避免了一次泵定流量和二次泵变流量系统不可不免的“低温差综合症”等控制失调的不利影响,制冷机和水泵可以不一对一设计,控制互不干涉,虽都设有旁通管,一次泵定流量和二次泵变流量系统的旁通管是旁通制冷机处理的多余水量,而一次泵变流量系统的旁通管是用来保证制冷剂的流量不低于其最小值,省去了定速泵和主机处理多余的旁通水量的能耗,其优势更为明显。
“低温差综合症”
“低温差综合症”是二次泵变流量系统和一次泵定流量水系统中最常见,也是最容易引起控制失调的问题。主要症状有:系统的供回水温差小,负荷侧流量高于设计值;冷水机组加、减机失调,机组运行效率低;系统供水和回水混合,导致供水温度升高、空调末端去湿能力降低,房间的温湿度偏高。
01 形成原因
末端装置中换热器的换热能力不足,可能是系统设计不合理,或者是系统长期运行后换热器传热效果降低,如空气冷却器盘管内部结垢,空气过滤器积尘过多。
控制阀关闭不严,阀座漏水,控制失调;
温度传感器、控制阀等选型不当,如末端设备的电动控制阀门选择偏大。
02 克服途径
确保空气冷却器盘管具有足够的换热能力,使空气冷却器盘管的水温差最大,避免采用大流量小温差的方法获得换热能力;
系统设计合理,系统负荷计算准确、选择合理的末端设备电动控制阀门;
在一次泵定流量系统中增大一次泵的容量;当冷冻机的进出水温差小于设定值时,会造成系统供冷不足,系统可能需要加机,但此时冷水机组并没有达到其最大制冷量,因此加大一次泵的装机容量,使经过蒸发器的流量增大,以满足末端的冷负荷要求。
在二次泵变流量系统的一次泵上安装变频器或在平衡管上增加止回阀。