中央空调一机多水泵运行能效分析

张 艺，王寒栋，唐汝宁

中央空调一机多水泵运行能效分析

张 艺1.2，王寒栋2，唐汝宁1

（1. 深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055；2. 内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

针对中央空调系统运行管理中实际存在的启动时段内运行一台冷水机组、二台冷冻水泵和二台冷却水泵的现象（称为“一机多水泵运行”），根据现场测试获得的中央空调系统运行数据，从冷冻水流量、冷水机组能效、冷冻泵效率、冷冻水侧能效和冷冻站能效等多个角度对该运行管理方式进行了分析和评价，指出应改变现有的运行管理方式，使空调系统保持良好的运行性能模式．

中央空调系统；运行管理；能效；冷冻水泵

在中央空调运行管理中，不少运行管理人员在中央空调启动时段内采用运行一台主机（冷水机组）配二台冷冻水泵和二台冷却水泵的方法（称为一机多水泵运行）．其具体做法为：在冷水机组开启初期，即使是运行1台冷水机组，也投入多台并联水泵尤其是多台冷冻水泵配套运行．部分一线运行管理人员认为这样做可以在尽量短的时间内通过提供高速大流量的冷冻水，使冷冻水在系统中快速循环起来，加速冷负荷传递，从而快速去除建筑物的冷负荷，为建筑使用人员提供一个舒适凉爽的建筑环境．文献[1]指出这种运行管理方式是一种中央空调运行系统化管理的弊端[1]，但未对这一运行管理方式进行详细分析．因此，中央空调系统运行管理人员没有从根本上认识这一运行管理方法的不足，至今这种运行管理方法仍被广泛采用．

本文根据某中央空调系统的实际运行测试数据，从水泵运行工况、水泵能效、冷水机组能效、冷冻水侧能效和冷冻站能效等角度，针对其运行管理中出现的“一机多水泵”运行现象进行分析，为空调运行管理节能提供参考．

1 系统及设备运行概况

深圳市某办公楼的中央空调系统冷冻站流程如图1所示，冷水机组和水泵的额定参数见表1．该办公型建筑的中央空调一般每年的在5～11月下旬工作日8：00～17：30正常使用．在中央空调的运行过程中经常采用文中提到的“一机多水泵”的运行管理方法．

本研究对该系统进行了现场测试以获得实际运行数据，主要测试参数包括冷冻水和冷却水流量、冷水机组中冷冻水和冷却水的进出水温度、设备进出口的水流压力、冷水机组和泵的输入电功率等．主要的温度传感器、压力传感器和流量传感器的安装位置见图1．各温度传感器、压力传感器和流量传感器的相关参数如表2所示．所有数据由专门的数据采集系统每5min采集一次，24小时不间断采集．所采集的数据通过数据传输系统进入储存器，进行数据的进一步分析和处理．

图1 空调冷冻站系统示意图

表1 冷水机组、水泵等的额定参数

表2 传感器的相关参数

2 一机多水泵运行的能效分析

为分析“一机多水泵”运行方式的特点，同时为了便于比较，从该建筑中央空调系统运行数据中，选取了两天比较有代表性的数据进行分析：

1）2012年10月26号的冷水机组以及冷冻水泵的运行工况数据．这一天冷水机组和冷冻水泵的运行情况是：上午8:40分开机，全天只运行2#冷水机组，在8:40-9:25分同时运行1#冷冻水泵和2#冷冻水泵；在9:25分关闭2#冷冻水泵，其余时间只有1#冷冻水泵在运行．冷水机组和冷冻水泵在下午17:05分关闭．

2）2012年9月18号的冷水机组以及冷冻水泵的运行工况数据，这一天机组和冷冻水泵的运行情况是：上午8:25分开机，全天只运行2#冷水机组，全天只运行2#冷冻水泵，下午17:55分关机．

将上述2天的数据分成3组进行计算．第一组是10月26日8:40-9:25，该时间段内采用一机多泵；第二组是10月26日上午9:25-17:05，该时间段内冷水系统的运行恢复为一台冷水机组配套一台冷冻水泵；第三组为9月18日8:25-17：55，全天冷水机组的运行都是一台冷水机组配套一台冷冻水泵．

从冷水机组能效[2]、冷冻水侧能效、冷冻站能效以及工作的冷冻水泵的能效[2]这四个能效方面以及冷冻水流量和冷冻水温差对上述3组数据进行计算，分析“一机多水泵”运行管理方式是否合理（由于数据过多，故计算结果仅选取其每组的一部分进行呈现）．

1）冷水机组能效

式中：COPj为冷水机组的能效值；

Nzin为冷水机组的输入功率（kW）；

Q0为工作的冷水机组制冷量（kW），由式（2）计算：

式中：ρ为水的密度（kg/m3）；

Cp为水的定压比热容(J/kg.)℃；

Qi为水的单位时间体积流量(m3/h)；

TEin为进入蒸发器的冷冻水的温度()℃；

TEout为离开蒸发器的冷冻水的温度()℃．

使用传感器得到冷冻水的瞬时流量、进入和离开蒸发器的冷冻水的温度等参数，利用公式（1）和公式（2）进行计算，即可得到各组数据的冷水机组能效值．

2）冷冻水侧能效：定义为整个冷冻水系统所输送的制冷量与冷水机组以及参与工作的冷冻水泵所消耗的电功率的比值．这个能效值是衡量冷冻水侧设备运行效率的参数．

式中：COPc为冷冻水侧能效；

Nzin为冷水机组的输入功率(kW)；

Ndin为工作的冷冻水泵的输入功率(kW)．

3）冷冻站能效：能效值是综合考虑参与中央空调制冷过程中位于冷冻站的设备的能效值．该能效值计算式是整个冷冻水系统所输送的制冷量与冷水机组以及参与工作的冷冻水泵和冷却水泵的电功率的比值．

式中：COPz为 冷冻站能效；

Nqin为工作的冷却水泵的输入功率；

利用不同时间段内的冷水机组能效、冷冻水侧能效、冷冻站能效值数据进行对比，可以得到图2～4所示的能效曲线图，通过曲线图的趋势可以直观对比体现出不同时间段的能效值优劣．可以看出，10月26日在采用“一机多水泵”运行的时间段内（8:40～9:25），刚开机的短时间内3项能效都保持在与其他时间段内相接近的水平，随后各项能效值都出现了较大幅度的下滑，机组能效值、冷冻水侧能效值、冷冻站能效值分别从5.1、3.8、3.1下降到2.4、1.7、1.4．

经对比发现，9月18日全天都是一台冷水机组搭配一台冷冻水泵运行，全天3项能效值都保持在较高、平稳的水平，没有出现类似于10月26日“一机多水泵”运行期间的各项能效值都大幅度下滑的情况．

4）冷冻水泵综合能效

式中：

Qi为水泵输送的冷冻水体积流量(kg/m3)；

ΔPi为工作的水泵前后压差(kPa)；

Ni,in为工作水泵的输入功率(kW)．

使用传感器得到压力值、冷冻水的瞬时流量以及工作水泵的输入功率，结合公式（5），可以计算得到不同时间段内的水泵能效值，并根据相应时间的水泵综合能效值得到水泵综合能效曲线图，如图5所示．

由图5可以清晰的看出，在“一机多水泵”运行期间，冷冻水泵的综合能效明显低于一台主机搭配一台冷冻水泵运行期间的水泵综合能效．除去水泵开机一瞬间的非正常点位外，冷冻水泵的综合能效值是维持在较高的水平，全天的综合能效值波动也是属于正常的波动．根据以上的各个能效值计算结果以及温度值、流量值等的运行监测数据，可以得到3组数据计算结果的平均值，计算结果见表3．

图2 10月26日与9月18日不同时间点的冷水机组能效对比

图3 10月26日与9月18日不同时间点冷冻水侧能效对比

图4 10月26日与9月18日不同时间点冷冻站效对比

图5 9月18日与10月26日水泵综合能效对比

表3 综合对比不同的水泵运行方式的运行效果

3 分析与讨论

3.1 对冷冻水流量的影响

理论上，多台泵并联后可在一定程度上增大水流量，而其实际增加量则要根据实际管路情况确定．以2台同型号水泵并联为例，当2台同样型号的冷冻水泵并联工作后，其联合运行特性曲线与单台冷冻水泵的工作点是不同的．根据并联泵工况分析时采用的“扬程相同、流量叠加”方法[3-4]，在水泵流量—扬程（Q-H）曲线图上，由单台水泵运行的工作曲线得到2台水泵并联运行的工作曲线，并由2台水泵工作曲线与管路特性曲线相交得到新的工作状态点M，图6中曲线1是单台水泵运行时的工作曲线，曲线3是管路的特性曲线，我们根据2台相同的水泵并联之后流量加倍、扬程不变的特性绘出曲线2，曲线2便是2台水泵并联后的工作曲线．其中，S点为单台水泵运行时的工作状态点，单台水泵运行时扬程为H1．而两台水泵并联之后，工作状态点变为M点，此时水泵的扬程为H2．可以看出并联的2台冷冻水泵每一台水泵的流量小于原来单台水泵单独工作时候的流量，并联每台水泵的扬程大于单独运行的一台水泵的扬程．因此我们得出这样的定性结论：2台水泵并联运行后，总的流量确实是增大的，但是增大的幅度并不是原来同样型号水泵单独运行时候的两倍．关于扬程，两台水泵并联之后由于工作点的变化，新的工作点的扬程是大于单台水泵运行时候的扬程．

图6 同型号的两台水泵并联

从实测数据看，在一台冷水机组配套双冷冻水泵运行期间，系统的冷冻水流量相比一台冷水机组配套单台冷冻水泵运行期间的冷冻水流量有了大幅度提升．

可见，这种“一机多水泵”的运行管理方法确实达到了增大冷冻水流量的效果．但是，在中央空调系统的运行管理中，单纯的增大冷冻水流量肯定不是目的，真正关心的应该是在满足空调舒适性要求的同时具有较高的能效．因此，必须结合能效才能对这一运行方式进行正确的评价．

3.2 对机组冷冻水供回水温差的影响

冷水机组制冷的基本原理就是利用低温的制冷剂在蒸发器内与从用户末端回来的冷冻水换热，吸收冷冻水的热量使冷冻水降温，再将冷冻水输送至用户末端，利用低温冷冻水吸收室内的热量．机组的制冷量不只取决于冷冻水的流量，与机组内蒸发器前后的温度也是有很大的关系，这也是能从冷水机组制冷量的计算式（2）中直接可以体现出来的．因此，在蒸发器内冷冻水的温差是衡量冷水机组工作效果的一项直观、重要的指标．

在10月26日的一机双水泵时间段内，冷冻水进出蒸发器的温差平均值为3.1℃，在10月26日其他仅启用一台冷冻水泵的时间段内冷冻水进出蒸发器的温差平均值为2.7℃．9月18日进出蒸发器的冷冻水平均温差为3.5℃

由此可见，在温差方面初期一机多水泵的运行方式没有带来明显的效果．虽然3.1℃的温差的确是大于同一天其他时间2.7℃的，但是这更多是由于开机初期冷冻水的温度较高、冷水机组工作在高负荷状态．对比全天单水泵运行的9月18日，该天的冷冻水在蒸发器前后的温差为3.5℃，大于10月26日一机双冷冻水泵运行时期3.1℃的温差，也验证了这一推测．因此，在增大冷冻水温差方面，初期一机双水泵的运行方式也没有起到作用．

“一机多水泵”的运行管理方式虽然提供了较大的冷冻水流量，但是在冷水机组的蒸发器前后温差并没有相较于其他时间段内有提升，单纯的提高冷冻水的流量并不会提高冷水机组的工作效果，而且容易出现“大流量，小温差”的现象．

3.3 对能效的影响

通过对比3组数据的计算结果发现，在10月26日初期一机双冷冻水泵的时间段内机组能效、冷冻水侧能效平均值基本保持不变；而相比同一天其余时间段，冷冻站能效平均值则下降了13%．更何况，冷水机组在启动初期冷负荷就相比较于其他时期较大，而机组在高负荷区运行时一般都具有较高的能效．综合这两方面的考虑，就能推断出在一机单冷冻水泵时期机组能效、冷冻水侧能效、冷冻站能效是高于一机双冷冻水泵运行时期的．提出“一机多水泵”运行管理方法的运行管理人员的根本目的是想通过大流量的冷冻水迅速的去除建筑物的冷负荷，但是通过机组能效、冷冻水侧能效和冷冻水侧能效方面的数值对比可以发现，“迅速去除建筑物冷负荷”的效果根本没有达到．而且这样“一机多水泵”的运行管理方法不是无偿的，图5中的对比可以发现，“一机多水泵”的运行管理方法使水泵的综合能效降低．在10月26日这一天的“一机多水泵”运行期间，多开一台冷冻水泵相比于一台冷水机组搭配一台冷冻水泵运行要多付出63%的冷冻水泵耗电量，同时水泵的使用寿命也会受到一定的影响．

[1] 周四俚．我国中央空调系统运行管理人员的技术素质亟待提高[J]．制冷，2003（3）：35-37．

[2] 彦启森，石文星，田长青．空气调节用制冷技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．

[3] 王寒栋，李敏．泵与风机[M]．北京：机械工业出版社，2009．

[4] 付祥钊．流体输配管网[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．

Energy Efficiency of Central Air-Conditioning System Operated Under the Condition of One Chiller with Several Chilled-Water Pumps

ZHANG Yi1，2, WANG Handong1, TANG Runing2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China；2. Department of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China）

In central air-conditioning operating systems, there is an informal operation method called one chiller with several chilled water pumps (OCCWP) in which operate one water chiller is operated with several chilled water pumps running at the same time, especially in activating stage. In order to examine the disadvantages of OCCWP method, an experimental study was made and the on-field data were collected. Based on the experimental data, the chilled water flow rate, efficiencies of chiller, chilled water pumps, chilled water side equipments, and cooling plant system are analyzed. The results indicate that the OCCWP method hinders the system performance and causes more energy consumption. Therefore, it should be abandoned to improve the energy efficiency of air-conditioning systems.

central air-conditioning system; operation and maintenance; energy efficiency; chilled water pump

TB657.2

A

1672-0318（2014）03-0048-07

2013-08-04

张艺（1988-），男，河北邢台人．研究方向：中央空调的能效诊断及其改进措施．

＊通讯作者：王寒栋（1969-），湖南岳阳人，男，硕士，副教授，主要研究方向为制冷空调工程中流体传热和流动技术、新能源利用和节能技术等．