空调水系统优化方案与离心式冷水机组节能技术

1 Marketing Guide Document No.: MKT-JJ-0515 主题：空调水系统优化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 与离心式冷水机组节能技术 摘 要: 节能和环保是空调行业发展的方向，我们不仅需要提高空调设备本身的效率，而且要优化空调水系 统设计，降低楼宇空调系统的整体能耗。本文介绍的大温差小流量系统方案和一次泵变流量系统方案在空调 水系统节能方面异曲同工。同时我们不满足冷水机组的单一制冷功能，本文介绍的具有热回收、冰蓄冷、免 费取冷功能的离心式冷水机组，成为空调行业节能和环保的新亮点。 关键词: 节能和环保 空调水系统 离心式冷水机组 热回收 冰蓄冷 免费取冷 0 前言 近年来中国许多大中城市电力短缺现象日趋严 重，夏季空调设备的耗电量在高峰时甚至消耗约 40% 的城市电力供应，因此节约用电迫在眉睫。 由于楼宇的空调电费取决于整个空调系统的能 耗，因此不仅需要提高空调设备本身的效率，而且 要优化空调系统设计，降低楼宇空调系统的整体能 耗。楼宇空调的冷水系统一般包括冷水机组、冷却 塔、冷冻水水泵及冷却水水泵等几个主要的耗能部 件。在过去的 30 年内，冷水机组的效率几乎提高了 一倍，冷水机组占整个系统能耗的比例已降低了 20%，而冷却塔和水泵的能耗比例提高了 10 %（图 1）。需要优化空调系统的设计方案，调整各部件所 占系统能耗的分配比例来降低整个系统的能耗。 1970's 78% 6% 16% 冷水机组 冷却塔 水泵 2000's 58% 16% 26% 1970's 78% 6% 16% 冷水机组 冷却塔 水泵 2000's 58% 16% 26% 图 1 过去 30 年内冷水系统能耗百分比的变化 本文介绍的大温差小流量系统和一次泵变流量 系统是主要通过减少水泵的能耗，达到降低空调系 统能耗的目的。 1 大温差小流量系统方案 多年来冷水机组的冷冻水供、回水设计温差通 常为 5℃。冷水机组提供的冷量与冷冻水的供、回水 温差和流量有关，计算公式如下： Q = M Cp ΔT （1） 式（1）中假定比热 Cp为常数，若所需的冷量 Q不 变，则既可采用增大流量 M 而减小温差ΔT 的方案 （即增加水泵耗功而减少机组耗功），又可采用减 少流量 M而增大温差ΔT 的方案（即减少水泵耗功而 增加机组耗功），这两种方案的系统总耗功可能并 不相等。 我们选择 4 种不同冷冻水/冷却水的流量/ 温差方案进行了计算。以 2.4/3.0 gpm/ton 为基 准方案(ARI 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 额定工况)逐步减少水流量。 - 200,000 400,000 600,000 800,000 1,000,000 1,200,000 1,400,000 2.4/3.0 2.0/3.0 1.3/3.0 1.3/2.0 水流量方案 总 能 耗 (k Wh /年 ) 冷却水水泵 冷水水泵 冷却塔 压缩机 图 2. 冷水系统的总能耗随工况的变化 这 4 种方案的能耗对比见图 2。可见，随着水流 量的减小，整个系统的总能耗是逐渐减小的，冷却 水水泵、冷冻水水泵及冷却塔的能耗也是逐渐降低 的，而压缩机的能耗则反而增多。这个变化趋势是 与水流量减小而水温差增大有关的。 上文 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了空调系统全负荷下的系统总能耗。 对于部分负荷，同样可以进行类似的计算分析，其 结果如图 3 所示，大温差小流量系统在部分负荷下 的节能趋势与常规的定流量系统的相似，但节能效 果更为显著。 因为在部分负荷下，当制冷量减小时，冷水机 组的能耗随着降低，对于常规的定流量系统，冷却 水水泵、冷冻水水泵及冷却塔的能耗几乎不变，故 水系统总能耗的减小趋势不够显著；而对于大温差 小流量系统，当制冷量减小时，冷却水水泵、冷冻 2 水水泵及冷却塔的能耗也随着降低，因此水系统的 总能耗的减小趋势更为显著。 在以上的能耗分析中，我们假设系统设备不 变。实际上，大温差小流量系统还可以减小水泵的 尺寸、阀的大小、管道的直径及保温材料的用量等 等。某一实际项目中，冷冻水温差由 5.56 oC 增至 10 oC 时实际成本减小 25%左右。 由于水系统末端设备(空调箱、风机盘管等)通 常按照冷冻水供、回水 5℃温差进行设计和制造， 故在常规的空调混风工况、新风工况条件下，通过 电脑选型软件（如特灵公司的 TOPSS 软件）得出结 论：冷冻水供、回水温差小于 8℃时，水盘管排数无 需增加（混风工况除外）。 另外，可在水盘管内部加装扰流器强化换热， 如图 4 所示，以达到减少水盘管排数的目的。 图 4 水盘管扰流器（Turbulator） 采用与上文相同的方法，通过电脑选型软件得 出的所需水盘管排数列在 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 中。 表 1 扰流器对盘管排数的影响 盘管排数(有否扰流器) △T=8℃ △T=10℃ 进风工况 出风工况 有 否 有 否 DB WB DB WB 4 6 4 6 26.8 20.2 15 14.6 4 4 4 6 35 28.2 17.5 16.8 表 1 中看出：冷冻水供、回水温差越大，加装 扰流器减少水盘管排数的作用越明显。 故选择合适的水系统末端设备，采用大温差小 流量系统方案，就可以降低水系统能耗和初投资。 2 一次泵变流量系统方案 空调水系统是按照满载设计的，在部分负荷时， 冷水机组可以卸载而节能，可是常规冷水机组蒸发 器侧的流量是固定的，冷冻水泵一直满载运行，水 泵的运行能耗不能减少。 目前先进的冷水机组可在一定范围内变流量运 行，并保持出水温度稳定。因此负荷变化时，可保 持冷水机组的供回水温度不变，使冷水机组的蒸发 器侧流量随用户侧流量的变化而变化，从而节约蒸 发器侧变频水泵的能耗。上述一次泵变流量系统与 其他空调水系统方案相比，水泵能耗节约最多，见 表 2。 表 2 空调水系统方案比较 空调水系统方案 蒸发器侧 用户侧 一次泵定流量 不节能 不节能 二次泵变流量 不节能 节能 一次泵变流量 节能 节能 下面讨论一次泵变流量系统的关键问题，其原理 图见图 5 图 5 一次泵变流量系统原理图 2.1 实现一次泵变流量系统的条件 首先，冷水系统是个变水流量的系统，末端设 备的冷水流量由电动两通阀调节控制；其次，冷水 机组蒸发器侧要具备较宽的流量范围，比如额定流 量的 30%-130%，流量的下限以小于 50%额定流量为 妥；同时，压缩机对流量的变化反应足够快，能承 受每分钟 30-50%的流量变化。 2.2 旁通阀和流量传感器（或蒸发侧的压力传感 器） 由于目前的冷水机组变流量的范围不是从 0%- 100%，有的在 30%-130%，有的螺杆式机组又在 45%- 常规系统 0.0 25 50 75 100 制冷量 (%) 总 能 耗 大温差/小流量 (%) 图 3 部分负荷下的节能效果 3 120%。当用户侧的流量低于冷水机组变流范围时， 可以采用旁通调节控制，保证蒸发器内的水流量不 低于冷水机组的最低水流量。这时旁通阀开始动 作，系统的流量传感器（或蒸发器侧的压力传感 器）代替末端设备的压差传感器指挥旁通阀，使得 旁通阀的流量加上末端的流量等于冷水机组的设定 最小流量，同时水泵以最低频率定频运行。 2.3 水泵的运行 首先，如图 5 所示水泵和冷水机组不是一一对 应的。水泵的运行是由设定的末端设备的压差控制 的，冷水机组的加减机则是由投入机组的运行电流 来控制的。 假设有三台冷水机组，相应配置三台一次侧变 流量冷水泵。当系统启动时，一台冷水泵先以最低 频率启动，如果不能满足末端设备的压差设定值， 则第二台、第三台冷水泵以最低频率加入。如果此 时压差仍然未到设定值，三台水泵同频上升来加大 流量，直到末端设备的压差设定值得以保证为止。 当末端设备的负荷减少，则流量过剩，也就是末端 设备的压差高于设定值时，三台泵同步减频来维持 压差设定值。当冷水泵处在最低频率时（因为三台 冷水泵同频动作，所以同时处在最低频率），如果 还有减少流量的需求，则关闭其中一台水泵。 2.4 冷水机组的加减机 冷水机组启动后，当经过蒸发器的水流量达到 最低流量时，水流开关闭合（或压差开关闭合）， 冷水机组投入运行。 随着末端设备负荷的增加，冷水机组的荷载增 加。当冷水机组运行电流达到满载电流时，则再投 入一台冷水机组，直到机组全部投入运行。反之， 当机组的电流到达少开一台冷水机组而剩余的冷水 机组仍然能提供相应的冷量时，就可以关闭一台冷 水机组。随着负荷继续减少，当运行的两台机组的 电流达到少开一台冷水机组时，就停运其中一台机 组。 2.5 一次泵变流量系统的优点 一次泵变流量系统不但节省冷冻水泵能耗，还 节省初投资和机房面积，因为与二次泵变流量系统 相比，减少了一次泵及配套的电机、管线。但是它 增加了系统控制的复杂性，对设计者和操作人员提 出更高的专业要求。 3 热回收离心式冷水机组 水冷冷水机组在提供 7OC 左右冷冻水时，又 产生了 37OC 左右的冷却水，通过冷却塔散热，把空 调系统中的热量传递到大气中去，造成热量散失。 若回收此散失的热量，用于空调水或风的预热、工 业用水加热等，既可节约能源，又可减少设备投资 和噪声（冷却塔容量减少和运行时间减少），而且 热回收可减少新增的热源（锅炉等）。此热回收技 术非常适用于同时需要冷量和热量的项目或建筑。 3．1热回收离心冷水机组的原理 热回收冷水机组使用二个冷凝器，利用从压缩机排 出的高温气态制冷剂必然去低温处的原理。提高标 准冷凝器的水温，促使高温气态制制冷剂流向热回 收冷凝器，将热量散给热回收冷凝器的水流中。通 过控制标准冷凝器的冷却水温度或冷却塔供回水流 量，可以调节热回收量的大小。值得注意的是热水 的出水温度越高，冷水机组的效率就越低，制冷量 也会相应的衰减。图 6 为某品牌热回收离心式冷水 机组的图示，二个冷凝器可以保证热回收水管路与 冷却水管路彼此独立，避免热回收侧增加热交换 器，隔离受冷却塔“污染”的冷却水。 图 6 热回收离心冷水机组 3．2 热回收离心冷水机组的关注问题 3．2．1．最大热回收量 热回收冷水机组的热回收量在理论上是制冷量和 压缩机做功量之和，某些机组最大热回收量可达总 冷量的 100%。在部分负荷下运行时，其热回收量随 冷水机组的制冷量减少而减少。 3．2．2．热水温度 由于热回收冷水机组的主要任务是制冷，通过热 回收方式供热仅是制冷过程的副产品。热水温度过 高会影响冷水机组制冷效率，甚至造成机组运行不 稳定。一般可通过辅助热源进一步提高热水温度。 3．2．3．热水温度/热量的控制 控制热水回水温度方案的优点是：机组在部分 负荷下运行时，热回收量减少，热水的回水温度不 变而出水温度降低，使热水（冷却水）的平均温度 降低，减少冷凝器与蒸发器压差，冷水机组制效率 相对较高。若采用控制热水供水温度的方案，则效 果相反，可能导致冷水机组运行不稳定。 冷却塔 供回水 热回收 冷凝器 标准 冷凝器 4 4 “免费制冷”离心式冷水机组 “免费制冷”是巧妙利用外界环境温度，在 不启动压缩机的情况下进行供冷的一种方式，机组 的能耗接近 0 KW/ton，制冷效率 COP 接近无穷大。 一些工业应用场合、超市或者一些大建筑物 的内区，即使在冬天仍然需要机组提供制冷。当室 外侧冷却水的温度低于冷水的温度时，就可以启用 “免费供冷”来提供冷水。根据制冷剂会流向系统 最冷部分的原理，液态制冷剂因重力从贮液器中流 向蒸发器，并充满管束。因为蒸发器中制冷剂温度 和压力都比冷凝器高（因为此时冷水的温度比冷却 水更高），制冷剂就在蒸发器中蒸发后流回冷凝 器。经由冷却塔出来的冷却水冷却制冷剂，使其凝 结为液体后，液态制冷剂再次流向蒸发器。只要冷 凝器和蒸发器中的水温存在“温度差”，该制冷剂 循环模式就会一直进行。原理示意图见图 7。 图 7“免费制冷” 离心冷水机组原理示意图 “免费制冷”离心式冷水机组可提供高达 45%的 名义制冷量而无需启动压缩机，既节约电费，又可 免去相应的换热器投资。如果室外湿球温度超过 10 OC 时,则返回到常规制冷模式。 自由冷却不能与热回收同时使用，因为提供热 回收热量的冷水机组同时正在机械制冷，而自由冷 却时压缩机不运转。 自由冷却可避免户外冷却水结冰，不仅提高 冷却水水温，而且保持冷却水流动。但建议采用一 些防冻 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ：如户外冷却水水管保温、冷却塔底部 增加电加热器、低温时段开水泵等。 5 冰蓄冷离心式冷水机组 冰蓄冷系统利用峰谷电价差别，通过“夜间 制冰，白天融冰”方式，把不能储存的电能转化为 冷量储存起来，满足空调制冷需求，同时实现电力 需求削峰填谷的目的。在商业销售的领域内，传统 冷水机组中只有螺杆机机组可以实现冰蓄冷功能。 但是受制于螺杆机组自身的特点，它存在着制冷量 小，效率低的缺点，无法满足冷量需求较大客户的 要求。 三级压缩离心式冷水机组是电机直接驱动压 缩机，压缩机转速约 2950 转/分，通过加大叶轮直 径和改变进气导流叶片角度，可实现白天制冷、晚 上制冰。通过监控蒸发器进液温度, 可顺利实现双 工况的自动转换。离心式冷水机组具有冷量大，效 率高的优点，投资回收期较短。如 1300 冷吨的双工 况三级压缩离心机在空调工况下 COP 为 5.72, 在制 冰工况下 COP 为 4.68，其 COP 比常规双工况螺杆机 高 20%以上。 由于冰蓄冷时冷冻水（含乙二醇）的出水温度 低于-5.5OC,比常规空调系统的冷冻水出水温度 （7OC）低 12.5OC 左右,因此冰蓄冷离心机制冷剂的 蒸发压力比常规空调系统的离心机制冷剂的蒸发压 力低很多,需要压缩机提供更多的压头克服制冷剂的 冷却压力与蒸发压力之间的压差。故在商业销售的 领域内常规的离心式冷水机组较难实现双工况的自 动转换。 6 结论 优化空调水系统设计，采用大温差小流量系统 方案或一次泵变流量系统方案可以降低空调水系统 能耗和初投资，二者巧妙结合可以进一步降低空调 水系统能耗。而离心机具有冷量大、效率高的特 点，结合热回收技术、冰蓄冷技术、免费取冷技术 的应用,在空调行业节能和环保方面发挥更大作用。 参考文献 [1] Peter Xia Building Energy Saving from Chilled- Water system Optimization,，特灵空调资料 [2] 施敏琪 蒸发器侧冷水系统定流量和变流量的设计 探讨，特灵空调资料 [3] Mick Schwedler, “High Performance Chilled Water Systems,” Trane Engineering Presentation, 2003. [4] 吴 刚 大温差冷冻水系统设计探讨,特灵空调资料 [5] 贾 晶 大温差小流量的空调水系统方案，特灵空 调资料 如有疑问，请联系 贾 晶 Tel: 021-53599566-541 ,E-mail: jjjia@trane.com 中国区 市场部 2005-8