临桂新区创业大厦空调水系统节能应用探析

胡雪钦

湖南省第六工程公司设计分公司

临桂新区创业大厦空调水系统节能应用探析

胡雪钦

湖南省第六工程公司设计分公司

结合工程实例，阐述节能设计的理念、主导方向与重点；对所采用的节能措施进行应用理论和节能效果的定性分析与探讨。认为把全面水力平衡措施、冷水大温差技术、一次泵变频变流技术组合使用，在不增加初始投资条件下，能显著提高系统运行节能效果；而科学合理的自控方案和技术手段又是保证满足设计工况要求，系统正常运行，使整个空调系统节能产生最大化效果的重要保证措施。

节能理念方向重点节能效果分析探讨

1 工程概况

创业大厦位于广西桂林市临桂新区内，紧靠风景秀美的漓江。大厦由主楼、左辅楼、右辅楼、会议楼组成。总建筑面积180763m2，其中主楼建筑面积45582m2。地上19层，建筑高度76m，左、右辅楼均为地上9层，建筑面积分别为43842m2，44320m2。每栋楼均设地下室，作为车库和设备用房，地上以办公室、会议室、展厅房间为主；会议楼共4层，建筑高度14m，建筑面积47019m2，以会议大厅和会议室为主。该大厦是桂林市目前单体建筑面积最大的建筑物之一，也是桂林市实施节能环保，绿色建筑的标志性重点工程。

2 空调系统冷热源布置

2.1 冷源设备布置

本工程夏季主楼及左辅楼共用一套制冷系统，冷负荷为8408kW，采用3台离心制冷机组，每台制冷机组制冷量为2813kW，冷冻水的进出水温为5.5℃/ 13.5℃；每台离心机组对应两台400m3//h方形横流超低噪音冷却塔，冷却水进出水温为37℃/32℃。

右辅楼及会议楼共用一套制冷系统，冷负荷为5345kW，采用5台风冷热泵机组，每台制冷机组的制冷量为1266kW，冷冻水的进出水温为5.5℃/13.5℃。

2.2 热源设备布置

考虑到桂林地区冬季时间较短，气温相对较高，本工程冬季主楼、左辅楼、右辅楼及会议楼共用一套制热系统，热负荷为7155kW，采用6台热泵机组，每台热泵机组的制热量为1268kW，热水的进出水温为40℃/45℃。

离心制冷机组，冷冻水泵，冷却水泵，热水泵位于一层空调制冷机房；风冷热泵、冷却塔位于大厅会堂屋面。其布置见图1冷热源系统图。

图1 冷热源系统图

2.3 空调系统设计节能的基本理念与主导方向

在设计中注重改变以往重功能、轻节能，对节能的考虑仅限于满足设计规范，标准提出的限定性要求的思想，转变为保功能，重节能，导入节能目标，主动追求合理发挥系统的节能潜力的设计理念，从根本上提高暖通空调系统的节能水平。

据对多个通风空调系统能耗统计（平均值），空调主机能耗占通风空调系统总能耗的比例最大，为49.6%；其次为空调末端（空气处理机，新风处理机，风机盘管）能耗，约占25.5%，水泵能耗居第三位为14.4%，这三者能耗站占总能耗的89.5%[1]。因此，降低冷源系统，空调末端及水泵输送能耗是整个空调系统节能的主导方向和重点。

3 空调水系统节能技术措施及效果分析

3.1 一次泵变流量系统

一次泵变流量系统是根据负荷的变化，利用水泵变频调节水流量来达到节能的目的。一次泵变流量系统原理见图2。

一次泵变流量系统中，冷水机组的蒸发器流量许可变化范围和许可流量变化率是系统设计的首要问题，冷水机组控制器对稳定出水温度起关键作用。旁通阀和流量传感器、变频水泵运行、冷水机组的加减是冷水机组群控的主要问题。

在一次泵变流量系统中，冷水机组和水泵台数可不必一一对应，二者台数变化和启停可分别独立控制。通过加大冷水机组蒸发器的流量，充分利用冷水机组的超额冷量，而不必开启另一台冷水机组和相应的冷却水泵，可减少冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。据文献[2]的研究，单从水泵的能耗比较，它比一次泵定流量系统能耗节约了75%，比二次泵变流量系统节约了60%，水泵变频后耗电量将降低23.6%～30%左右，节约了系统的运行费用；若再与二次泵变流量系统相比，还节省了系统初投资和机房面积。

图2 一次泵变流量系统原理图

3.2 一次泵变流量系统设计之建议

1）机组选择：①选择蒸发器流量许可变化范围大，最小流量尽可能低的冷水机组，如离心机30%～120%，螺杆机45%～120%，最小流量宜小于50%；②选择蒸发器许可流量变化率大的冷水机组，每分钟许可流量变化率宜大于30%；③选择蒸发器压降相当的不同冷量的冷水机组；④冷水机组控制器能快速稳定出水温度。

2）旁通管：①选择精度高、调节性能好的控制阀门；②旁通管的设计流量为冷量最大机组许可的最小流量；③尽可能减少控制延迟时间。

3）机组群控（加减机）：①在加机前先对原运转机组卸载；②机组的隔离阀动作缓慢，确保机组稳定运行；③合理的群控方案，避免频繁加减机。

4）空调水系统配置：①水泵与机组的运行相互独立，有利于机组提供“超额冷量”；②选择精度高的流量计，重视测量方法；③重视对流量瞬间变化的控制。

5）空气侧设备控制：多台设备的启停时间宜错开。

3.3 冷水供回水大温差措施及应用分析

本工程设计冷水进出水温为5.5℃/13.5℃，文献[3]第6.4.1条指出：空调冷水供回水温差宜采用5～10℃，一般为5℃，并说明如果采用6～9℃的大温差设计可以减少水泵耗电量和管网管径，但制冷机出水温度的降低也使其效率有所下降，所以应综合考虑确定。同时在文献[4]第5.3.18条第7款中指出：某些采用8℃大温差的实际工程在运行中取得了较好的节能效果，但强调是否采用大温差应进行经济技术比较后确定。

在设计过程中，笔者为考证采用8℃大温差的可行性，请某合资品牌与某国产品牌生产商根据各自程序进行了计算，其结果为：空调箱供回水（5.5℃/13.5℃）8℃温差相比（7℃/12℃）5℃温差的制冷能力下降约4%～5%，风机盘管制冷能力下降约4%～7%，但空调箱采用为盘管增加扰流措施，调整肋片间距或增加盘管排数等方法可满足制冷要求。在设计选型中风机盘管一般有余量，对个别不能满足的可加大一号或采用三排盘管。总之，由于末端选型变化甚微，其造价也不会明显增加，反而会因为末端盘管在8℃温差时的流量和阻力分别只是5℃温差时的62%和38%而更有利于节省运行费用。据此可以认为：就末端来说，采用8℃温差（5.5℃/13.5℃）从技术经济上是可行的，但大温差对冷源和输送系统的影响需要作进一步的分析论证。

3.4 大温差对设备及输送系统的影响

近年来有许多研究表明（如文献[5]），加大供回水温差可造成系统各环节的运行参数发生变化。主要是由于要保证末端设备的平均水温不变，势必造成冷水机组出水温度降低，效率下降;而水流量的减少又影响末端设备，盘管的换热，有可能导致增大盘管或设备型号。针对常用的三种末端形式，文献[5]利用计算机选型软件，在冷水供回水温分别为7.2℃/12.8℃、5.6℃/13.6℃、5.6℃/15.6℃三种不同温差情况下进行研究分析，计算机选型得出的所需盘管的排数见表1。

表1 冷水供回水温差对盘管排数的影响

从表3看出：冷水供回水温差为8℃时，所需的水盘管排数（除混风工况外）无需增加。若对盘管增加扰流措施，增加其换热效果，则混风工况下的空调箱的盘管数可不需要变化。

3.5 冷水泵输送能耗的节约途径及分析

文献[6]指出：在过去的30年内，冷水机组的效率提高了近一倍，使冷水机组的能耗在冷水系统能耗中的比例已由78%下降到了58%，而水泵和冷却塔的运行能耗却由22%上升到了42%。显然，节约水泵和冷却塔的能耗是当务之急。

文献[7]对国内大量公共建筑进行了能耗调查或实测，总结出在冷源及输送系统中，制冷机能耗约为总运行能耗的59%～66%，水泵加冷却塔运行能耗占比约为41%～34%，尽管水泵及冷却塔的装机容量占比小些，但其实际运行能耗所占比例大，与自身具备相对完善的能量调节能力的制冷机相比，优化输送系统的设计方案，降低水泵加冷却塔的装机容量及其所占比例，是降低整个空调水系统运行能耗的有效途径。为此，本工程根据总的空调面积，水泵杨程，水系统输送距离，末端负荷变化的需求情况采用一次泵变流量输送系统。由于一次泵变流量输送系统的冷水机组和水泵台数不必一一对应，它们的台数变化和启停可分别独立控制，并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；还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超额冷量，减少冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。

由本文分析可知在冷水泵输送系统中采用大温差设计，能显著减少冷水泵输送功率，节约装机容量。但由于水泵的输送功率与冷水流量和管道阻力损失成正比，而在实际工程中，空调系统冷水管道的设计是采用假正比摩阻法，当管道系统冷水流量减少时，冷水管道尺寸也将减少。

水泵的功率N应按下式计算：

式中：p为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；G为水流量，m3/h；H为水泵杨程，m；η为水泵效率。

采用大温差时，由于流量的减少，所选系统管径随之减小，因管道比摩阻仍取经济比摩阻，由此选用管道后，冷水管道的压力损失与5℃温差的系统大致相当，于是冷水泵功率仅与流量成正比。采用8℃温差时水泵功率N的关系为N1=5/8N0=62.5%N0，减少的水泵功率为：100%-62.5%=37.5%。说明冷水系统采用大温差设计，在运行时间相同的情况下，水泵运行能耗可显著减少。

3.6 全面水力平衡措施

本工程水系统采用全面水力平衡措施（动态压差平衡阀+电动调节阀+静态平衡阀）组合使用，与冷水大温差技术、冷水泵变频技术等相结合，这样不仅可有效解决冷水过量输配带来的能源浪费问题，还可以优化冷水和冷却水管网的设计，降低冷水和冷却水系统输送能耗。根据工程具体情况，综合考虑后，空调水系统均为一次变流量。本变流量系统中，全部为变频泵，根据环路中最不利的压差变化调节变频泵组的数量以及水泵转速，达到调节系统的作用。

3.7 对本工程冷源和输送系统节能措施的定性分析

本工程通过对冷源和输送系统采取冷水、冷却水一次泵变频变流量技术、全面水力平衡措施、冷水大温差设计，三项合计折合到整个空调系统总装机容量节省率可达23%。特别值得提出的是采用冷水大温差设计措施，经计算比较，本工程可减少总装机容量195kW，为总装机容量的14%。而且制冷机装机容量所占比例由66.5提高到74%；水泵加冷却塔的装机容量所占比例由33.5%降低到26%。因此可定性推断，本工程水系统采用8℃温差（5.5℃/13.5℃）将比5℃温差（7℃/12℃）的运行能耗显著降低。再有加大温差、减少流量会带来水泵、管道、阀门等尺寸变小和保温材料的减少，设备、材料及施工费用降低，无疑可以节约工程的初投资。

4 空调水系统自控与节能技术方案

4.1 水系统自控与节能技术方案

本工程夏季采用3台制冷机组，冬夏季采用6台冷热泵提供热负荷与冷负荷。BAS对冷水机组、冷水泵、冷却塔进出水管电动阀及其风机的启停顺序实施程序控制与均时控制，以保证冷水机组正常启停。为使其自控方案紧密结合工程实际，体现实用合理，控制良好，节能效果理想，运行、维护、管理成本及初投资低廉，为此，对其技术方案进行了研究与论证，并满足如下要求：

1）由于本空调系统全年大多数时间在设计负荷的60%～70%范围内工作，因此，在变频调速水泵选型时，应使所选水泵在70%设计流量时的工况点落在特性曲线的最高点上；或者说，当水泵只有额定转速的特性曲线时，水泵的工作点必须落在设计工况最高效率点的右侧，以有效减少变流量水泵在空调期内的总运行能耗。

2）在通过冷水机组的流量大于该机组的允许最低流量、流量变化率小于该机组允许最大流量变化率的前提下，冷水机组可以正常运行，空调水系统及其自动控制系统均应满足要求。

3）通过对压差传感器所测得的实际压差值与设定压差值进行比较，调节一次泵的运转频率，以维持实际压差稳定在设定值。

4）通过空调冷水系统温度、流量的数据采集及计算，根据系统负荷和流量情况，综合判断后增加或减少冷水机组的运行台数。

5）冷水机组所配置的电动开关阀的行程时间应与机组的允许最大流量变化率相配合，以期满足达到稳定运行的时间要求。

6）当一次泵已单台运行，仍需要调节至低于允许最低频率时；或当冷水机组已单台运行，仍需调节至低于允许最低流量时，维持在该频率定频运行，并通过调节旁通调节阀以维持实际压差值稳定在设定值。

4.2 自控主体设备及方式

为较好地达到设计要求的预期效果，经反复研究后，决定本工程采用一台控制器，控制器内设一个有记忆功能的微处理器。控制器的显示屏可显示各控制区域的设定值、过程变量、水泵运行情况，水泵运行次序、PID调节范围，水泵或变频器失灵情况、故障诊断、手动或自动转换情况、备用电池的储电量、报警情况等。

在控制方式中，特别值得一提的是：压差传感器的测点设在系统最不利环路的AHU冷（热）水盘管的进出水支管上，从计算结果看，与大多数采用在机房内供回水总管之间设压差传感器的控制方法相比，水泵调速范围增加了一倍多；水泵在零到设计流量的范围内运行时，前者的计算轴功率仅为后者的37.3%～86.8%；同时，运行中控制器的适当效率程序还将随时根据系统流量传感器的流量信号和所预载的水泵特性曲线，综合水泵实际运行轴功率、水泵效率及变频器功耗，适时确定增减水泵运行台数；从而使系统获得最佳节能效果。

系统经过二年多时间的运行，其运行、自控、节能效果情况良好，达到了设计的预期设想。

5 结论

结合工程实际，水系统设计通过采用一次泵变流量，全面水力平衡措施、8℃（5.5%/13.5℃）大温差技术的节能设计，利用增加扰流措施，使其相比常规的5℃温差（7℃/12℃）末端选型基本无改变，总装机容量减少14%～15%，约200kW，节能效果显著，系统的总体初投资和运行能耗明显降低。

[1]宋应乾,曾艺,龙惟定.建筑能耗模拟在能源审计中的应用[J].暖通空调,2011,41(3):137-142[2]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2009[M].北京:中国建筑工业出版社,2009

[3]建设部、国家质监总局.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[4]中国建筑科学院研究院,中国建筑业协会建筑节能专业委员会.公共建筑节能设计标准(GB50189-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[5]贾晶,胡海军.大温差小流量的空调水系统方案[A].见:全国暖通空调制冷2006年学术论文集[C].2006

[6]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第2版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[7]江亿.公共建筑节能[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

Ana lys is of Air Conditioning Wa te r Sys te m Ene rgy-s a ving Applic a tions in Lingui Ne w Are a Ve nture Building

HU Xue-qin
Design Branch of Hunan No.6 Construction Engineering Company

This paper,by combining engineering examples,elaborates the establishment and application of energy-saving design concept.The energy-efficient air conditioning water system has been exemplified to make a qualitative analysis and exploration of the adopted application theory and energy-saving effect of the energy-saving measures.The author suggests that comprehensive hydraulic balancing measures,large temperature difference in cold water and cold water pump inverter technology used in combination can optimize the running energy-saving efficiency of the water system to improve the energy-saving effect.This paper points out that the scientific and rational self-control programs and technical means to meet the requirements of the design conditions.

energy-saving concept,cold water system,automatic control,energy-saving effect,analysis and exploration

1003-0344（2014）04-096-5

2013-5-21

胡雪钦（1980～），女，本科，工程师；湖南省长沙市青园路168号湖南省第六工程公司设计分公司（410004）；E-mail:hxm1950813@126.com