空调冷水系统的演变与变流量一次泵系统设计

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〖摘要〗变流量一次泵系统是近年来正在掀起的一项创新节能技术。本文简要总结归纳了我国空调冷冻水系统的演变发展历程与主要问题；全面介绍了变流量一次泵系统的优点、难点和不适合采用的场合；根据国外的成功经验与设计运行指南，总结归纳了这种系统中的设计要点与顺序控制要求。最后提出了个人的4点看法。

〖关键词〗变流量一次泵水系统，定流量一次泵水系统，定流量一次泵/变流量二次泵水系统，空调水系统节能

1. 问题的提出

以科学发展观建设节约型社会，走可持续发展道路将是我国的长期建设方针。此方针落实到我们空调制冷行业、工程设计领域就是要不断地提高空调制冷设备及其系统的能效。

随着经济的高速发展与人民生活水平的不断提高，空调已成为保障工作条件与改善居住条件的必需品。但是空调的普及已显示出了给我国能源建设带来了巨大压力，已对我国的能源资源利用敲起了警钟。为了更好地普及空调，让大家用得起空调，要在我国的能源资源条件能世代长期承受得起，唯一的办法也是要不断地提高空调设备与其系统的能效。

提高能效不应成为“口号”，更不能成为一句“空话”，必需落实到我们工作与生活的每一环节，我们每人每个实际行动。本文就是想专门讨论一下如何提高空调冷冻水系统的输配能效问题。

同行们都知道，空调能耗主要消耗在三方面：⑴ 利用各种能源制取“冷量”与“热量”；⑵ 利用所得到“冷量”与“热量”处理“空气”，造成适合于工作与居住环境；⑶ 将这些“冷量”，“热量”与“空气”输配到所需要的指定地方。空调冷冻水系统就是专门履行“冷量”与“热量”输配的一种手段，它是中央空调输配能源消耗的主角。

国内通俗称呼的“中央空调系统”实际上是英文“Central air conditioning system”的一种简化译名，更准确的译名应该称“集中冷、热源的空调系统”。这种系统一般由三部分组成：以冷水机组与热水锅炉(或其它热源)作冷、热源；以水作传递与输送冷、热量的介质，以水泵为动力装置，管网为输配手段来输配冷、热量；以空气处理箱与风机盘管等末端设备来处理空气与分布空气。三者缺一不可。在分析与比较任何“中央空调系统”的能耗与能效时，我们不能只考虑其中之一或二，必须把这三部分能耗全面、综合考虑进去。

在大、中型“中央空调系统”中，空调设计者实际上是冷(热)源，管网与末端空气处理设备的“集成工程师”，冷(热)源设备与末端空气处理设备的性能规格参数虽取决于生产厂家的产品设计师，但作为中央空调系统设计者的责任必须对各种系列产品的性能有充分了解与全面掌握，再根据工程的负荷特点与系统特点来正确与合理选用。在大、中型“中央空调系统”中，其输配能耗的高低、大小主要取决于负责空调工程设计工程师的精心设计与计算，包括：如何根据建筑特点、负荷特点确定系统种类？如何根据系统划分、系统种类，采用相应的不同控制策略？如何准确计算系统的摩擦阻力、局部阻力与总阻力？如何精心选择空调水系统的循环水泵与控制调节阀？应该说这部分工作和冷(热)源设备与末端空气处理设备生产厂家毫无关系，主要是空调工程师的设计责任。

“中央空调系统”设计的核心问题是要在正确选用冷(热)源设备与末端空气处理设备的基础上，精心选用与设计它的空调水系统。其目的是要在满足与适应各种负荷变化的前提下要尽量使输配能耗最小化，并尽量降低初投资费用与维修工作量。因此，本文将对近40多年国内外的空调水系统的演变、发展历程作简要总结基础上，重点讨论一下变流量一次泵系统的设计问题。

2. 空调冷冻水系统的演变、发展与主要问题

回顾历史，我国中央空调的冷冻水系统已经历了40多年的风风雨雨。实事求是地讲，由于我国所处的特殊历史背景，和经济、技术条件的限制，我们在空调冷冻水系统上并没有什么创新，而是始终跟随着国外同行的足迹在前进。我国的中央空调始于上世纪60年代，源于当时工业发展的需要，首先发展了服务于纺织、印刷、精密仪器制造的工业性空调，依赖的是当时刚起步的氨压缩制冷工业。到了70年代，由于建设政治性公共建筑的需要，才研发了大型氟里昂冷水机组，开创了我国舒适性空调的历史。改革开放后来80年代旅游旅馆建设的需要，90年代建设高档办公楼与商场的建设高潮，开辟了我国舒适性中央空调大发展的新时期。

鉴于我国原来经济落后，工业基础薄弱，在上世纪70年代末开始的改革开放年代里，引资招商，在一些大型民用空调工程中同时引进了技术，其具体表现不但主要设备进口的，而且空调系统方案也是由外国公司设计的。因此，在近30多年我国所建设的民用舒适性空调工程中，其所采用的技术方案与国外的技术进步，特别是在中央空调水系统领域，主要与美国的技术发展紧密相关。

在空调水系统供冷技术方面，为了适应空调负荷的变化，为了节省输配能耗，为了确保冷水机组运行的稳定与安全，为了节省机房占地面积，我国跟随着美国也大致经历着相同的演变发展过程。上世纪60年代我国采用了开放式定转速一次泵系统，在70年末到80年代初采用了负荷侧采用三通阀的定流量一次泵系统，在80年代中经历着负荷侧采用二通阀的定转速变流量一次泵系统，在80年代末至90年代中经历了定流量一次泵/台数控制的变流量二次泵系统，在90年代末至本世纪初在大、中型空调水系统中，较广泛采用了定流量一次泵/变频控制的变流量二次泵系统。目前，我国学术界和一些冷水机组生产厂商正在为推广变流量一次泵水系统做技术交流与示范工程。

为了尽量压缩文章的篇幅，现将推动上述6种空调冷冻水系统演变的主要问题简要总结归纳在表1中，(详细情况可见参考文献[1]) 这些问题的不断解决，也是空调水系统不断发展的过程。

表1  各种空调冷冻水系统的流行年代，优点与主要问题

年代

系统种类

优点

主要问题

60年代

开放式定转速一次泵系统

水系统简单

水泵的高差静压损失大，冷冻水易受污染，蒸发器外表面易结垢。占地面积大。

70年代末至80年代初

负荷侧采用三通阀的定流量一次泵系统

水系统简单

三通阀价贵、易堵。 部分负荷时水泵不节能，输配电耗高。

80年代中期

负荷侧采用二通阀的定转速变流量一次泵系统

水系统简单

部分负荷时水泵不节能，输配电耗高。

80年代末至90年代初

定流量一次泵/台数控制的变流量二次泵系统

旨在解决部分负荷时二次泵节能

流过蒸发器的一次泵流量为定流量，在部分负荷时仍不节能。二次泵的台数控制实际上均告失败。水系统较复杂，机房内要备有二组水泵，占地面积较大。

90年代末至本世纪初

定流量一次泵/变频控制的变流量二次泵系统

旨在解决部分负荷时二次泵节能

流过蒸发器的一次泵流量为定流量，在部分负荷时仍不节能。水系统较复杂，机房内要备有二组水泵，占地面积较大。

目前

变流量一次泵系统

取消了二次泵环节，水系统简单，节能较多

控制复杂，要求测量控制均需准确、迅速响应

3. 变流量一次泵系统的优点、难点与不适用场合

变流量一次泵系统从系统组成来说是比较简单的，如图1所示。

目前在论及变流量一次泵水系统的优缺点时，一般均是与传统的定流量一次泵/变流量二次泵系统相比较。其公认的优点有：

· 降低了空调供冷水系统的初投资费用。这因为取消了二次水泵与相应零配件，减振器，电力输配线，控制等。但这种节省中有相当一部分要被一次泵水系统变频调速驱动器的较高价钱和旁通阀与附带控制的费用所抵消。

· 降低了系统对冷冻机房的空间要求。这是由于取消了二次水泵组而节省了机房的建筑面积。但其究竟能节省多少面积还要视原来定流量一次泵/变流量二次泵水系统的平面布置方案与机房的一些制约条件而论。

· 降低了系统中水泵组电机的电力需求。原因有二：⑴ 取消了二次水泵消耗在附加零配件与装置(截止阀，除污器，吸口扩散器，止回阀，集水缸等)上的阻力损失；⑵ 因为一次/二次泵水系统中的一次泵通常是大流量低压头，其固有的效率比较低，而变流量一次泵水系统中的一次水泵均是大流量高扬程的水泵，其固有的效率一般均高于同等流量低扬程的水泵。

· 降低了系统中水泵组的全年能耗费用。其部分原因是由于变流量一次泵水系统中水泵组的满负荷电力需求低于定流量一次泵/变流量二次泵系统的电力需求；但主要原因还是因为在采用一次/二次泵系统时，在一次环路中的水泵电耗对于每一冷水机组分级都是恒定不变的，同时一次泵必须像冷水机组那样分级投入运行。图2对于装有三台冷水机组，三台水泵机房，提供了这两种空调水系统方案在不同流量下泵送电功率的比较曲线。[8]

图2  在装有三台冷水机组机房内变流量一次泵系统与一次/二次泵系统的水泵电功率比较

尽管变流量一次泵水系统的优点很多、优势很大，但其旁通控制与冷水机组分级启停控制的复杂性和可能出现的故障乃是其目前公认的两个难点：