中央空调冷冻水系统问题分析及研究现状

廖　滟　常文成　牛利敏　蔡祖明（.中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院　北京　0003；.北京电力经济技术研究院　北京　00055）



中央空调冷冻水系统问题分析及研究现状

廖滟1常文成1牛利敏1蔡祖明2
（1.中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院北京100013；2.北京电力经济技术研究院北京100055）

【摘要】系统的介绍了目前我国中央空调冷冻水系统存在的一系列问题，以及针对这些问题开展的冷冻水水力热力特性研究现状。这些研究说明造成这些问题的主要原因是水力调节问题。目前的理论水力调节方法过于复杂，造成工程中真正使用的项目很少，介绍了一种新的更加便捷的调节方法的可行性——空调冷冻水模拟和实测结合的调节方法。

【关键词】空调冷冻水系统；调节；水力平衡；模拟

作者（通讯作者）简介：廖滟（1986-），女，硕士，工程师，E-mail：liaoy@cabr-cecc.com

0　引言

图1　某饭店各设备耗能比例Fig.1 Equipment energy consumption ratio of a hotel

由于经济的飞速发展，许多规模庞大的中央空调系统作为必要的设施配备在大型公共建筑中。查看我国各项调查研究的统计数据[1-3]，大型公共建筑所消耗的各类能源中的30～80%都是由空调消耗的。某典型饭店常见的机电系统的能耗比例见图1，不难发现空调能耗占了全部机电系统43%的比例，可见空调能耗之巨大。其中，作为中央空调系统的主要耗能设备，制冷机房的能耗占到整个空调系统能耗的比例约40～70%[2,3]。

中央空调系统由制冷机房内的制冷机组，水泵、冷却塔等和空调机组、新风机组、风机盘管等多种规格的换热设备。冷冻水系统是一个庞大的输配系统，它用各类规格的水管将近端的制冷机组、水泵和远端的换热设备，即风机盘管、空调机组、新风机组等连接起来。冷冻水系统的职责是将近端生产的制冷量按需分配到远端的每个区域。冷冻水系统运行是否正常不仅关系着近端的制冷机房，而且关系着远端建筑的室内温湿度。而系统是否水力失调则会影响整个空调的运行。

1　冷冻水系统的常见问题

当末端每个用户获得的冷冻水流量与实际需求流量相同时，冷冻水系统即达到水力平衡。为达到水力平衡，设计师在设计管道时选择不同的直径。可是，目前的管道都是按规定的公称直径铸造的标准管，不能随意选择直径，因此，只用这一种方法来实现平衡是有限的。当水系统没有调节时就会发生以下这些现象：有利的末端（一般靠近制冷机房）的水量大于需求量，区域较冷；不利的末端（一般远离制冷机房）的水量小于需求量，区域较热。为满足不利末端的舒适度，只能增大水泵频率或者加开水泵，使得原本就有利的末端通过的流量增加量加剧，并消耗了更多的水泵电量。总的来说，水力失调产生的后果有以下几点。

1.1“大流量小温差”现象

“大流量小温差”是水力失调的一个典型并且直观的现象。它主要表现在，流过系统或者设备的流量比设计或者需求的流量大造成供、回水温差达不到设计要求的温差。这类问题造成的最直接的能源浪费是冷冻水泵消耗的电量。从冷冻水总流量是否变化将“大流量小温差”分为两类。

一类是系统的总流量基本不变。有两种末端控制系统是保持总流量基本不变的。一种是不调节进入末端换热盘管的冷冻水流量的系统；另一种是只能通断控制末端换热盘管的冷冻水流量的系统，这种系统一般是末端配备通断控制阀门的风机盘管系统。

不调节进入末端换热盘管的冷冻水流量的系统多存在于早期的一些建筑中，目前并不多见。当制冷站的设备和阀门控制不变时，分集水器的压力不变，这类系统由于末端不调节，则水量不变化。此时回水温度只和室内冷负荷有关。由于设计流量是按最大负荷下计算的，一般室内负荷都达不到设计的最大值，因此实际的水流量往往大于需求流量，回水温度也高于设计值，不可避免的产生了“大流量小温差”。

图2所测的是只能通断控制末端换热盘管的冷冻水流量的系统，从测试结果可知，系统和上一种系统一样，流量也无明显变化。不同于上一种系统，这种系统连接末端盘管的阀门会随着负荷的增大而开启也会随着负荷的减小而关闭。而从测试结果可看出，总流量却没有受到末端阀门的启闭而有明显变化。对此，朱伟峰[4]的研究解释了此类现象产生的原因。虽然系统末端阀门启闭有变化，但是制冷机房内的设备启停和管路阀门的控制策略并没有改变，造成阀门开启的盘管流经的水流量高于需求量，缓冲了部门阀门关闭对系统总水量的影响。如室内负荷达不到设计值，则出现“大流量小温差”，系统绝大部分时间都处于这种运行工况。这类情况在国内不是个例，要解决这类问题需要针对系统的实际运行情况改变制冷站的控制策略，并重新进行水力平衡调试。

图2　测试日一天内的冷冻水流量变化Fig.2 Chilled water flow variation in one day

除了总流量基本不变的这类现象，“大流量小温差”还有另一类现象，即末端阀门的调控引起了冷冻水的总流量的改变，但是供、回水温差并没有达到设计要求。图3[5]是两栋香港的建筑的冷冻水相对流量与相对冷量的关系。相对值是指测试结果和设计要求之间的比值。如测试结果与设计要求相等，则测试点将和对角线重合。如测试的流量大于设计值，实际供冷量小于设计冷量，则测试点位于对角线的下方。从图中两栋建筑可知，系统的流量大多数情况大于设计值，而实际供冷量小于设计值，说明供、回水温差也小于设计值。通过调查发现，系统末端的阀门有随着负荷变化而改变开度，但是制冷站的控制却没有改变，因此，造成了“大流量小温差”。

图3　冷冻水相对流量与相对冷量关系图Fig.3 Relational diagram between relative flow andcooling capacity of Chilled water

不过，值得注意的是，并不能一味的追求大温差，应对温差有所限制，文献[6]的研究表明：空调冷冻水系统大温差不宜超过9℃。

1.2水泵能耗高

一般的中央空调系统中，制冷机组虽然数量少但是额定功率却是其他设备的十几倍，因此是最耗能的设备；空调末端的单台机组额定功率不大，但是数量最多，因此能耗的总和也非常大。水泵的额定功率远不如制冷机组，数量也远少于空调末端，可能耗和前两类设备相比却也不容小觑，占整个空调系统的能耗也很高。国内外均对空调系统各部分的能耗比重进行了研究。图4（a）是学者Eppelheimer[7]在美国的一个典型制冷机房的监测结果，从图可知水泵能耗占了制冷机房总的能耗的30%，说明水泵能耗高在美国也是普遍现象。图4 （b）为学者对北京某典型酒店的制冷机房的全年能耗监测，该酒店的水泵能耗也占了制冷机房的28%。图5是北京十一栋商业建筑的全年冷冻泵能耗与制冷机组的能耗的占比[9]。结果显示，这些建筑的比值都在25%～55%。从国内外的测试结果可知，水泵的能耗高是空调系统中的普遍现象。

目前国内外常用“水输送系数”来判断空调系统中水泵的能耗高低，它是系统承载的冷量和水泵的耗电量之间的比值。水输送系数越高，说明相同冷量下水泵的能耗越低。开式和闭式系统的判断标准不同，开式约为20，闭式约为35。多个制冷机房的测试结果表明，大部分建筑都达不到此标准，冷冻泵的耗电量较高。冷冻泵的耗电量高的一个主要因素是系统的水力平衡失调，只能增大系统供冷量来满足不利用户的舒适度，使系统在“大流量小温差”下运行。可知研究冷冻水系统的调节方法对节约空调能源有重要意义。

图4　制冷机房设备通常的电耗比例Fig.4 Equipment energy consumption average ratio in chiller stations

图5若干商业建筑冷冻泵与冷机的全年电耗之比Fig.5 Annual power consumption ratio between chilled pumps and chillers of some commercial buildings

1.3制冷机房设备选型过大及搭配问题

设备的选型过大是目前空调系统中常见的现象，这主要是由于设计时过多的担心安全。设备选型过大往往增加了投资成本，并且造成制冷机长期在低负荷状态下工作，设备和系统的COP偏低。因为无法准确计算系统经过水力平衡调节后增加的阻力，因此设计时选择的水泵型号容易过大，特别是扬程容易偏大。如果在设计时能够准确计算水力调节后的冷冻水系统的压降，则可以选择更适合系统的冷冻水泵。

1.4系统水量分配不均

系统水量分配不均是水力失调的直观现象，表现在同一个系统同一个工况下一些末端流量超过了需求量，而一些末端流量达不到需求量。造成这类现象的一个重要原因是在系统正式投入使用前，试运行时的水力调节比较粗糙，并没有将末端调节到设计流量。系统在投入使用后，流量不够的区域容易过热。为了降低这些区域的温度，只能通过降低制冷机组的供水设定温度，而这一措施使得制冷机的COP下降，增加了整个空调系统的能耗。

2　冷冻水系统特性研究现状

对冷冻水系统的研究主要分为三类：设备性能研究、系统设计研究和系统运行研究。

2.1设备性能研究

最初，学者主要研究的是制冷机房内的相关设备和末端换热设备的性能。例如，国内的陆亚俊、殷平、潘云钢和马树连、马最良，国外的Hewett，Chuah Y K等对制冷机、水泵、空调机组、风机盘管的设备性能进行了深入的研究。这些研究对冷冻水系统、甚至整个中央空调系统的整体研究的基础，具有重要的意义。

2.2系统设计研究

在设备性能研究的基础上，随着中央空调的技术发展，冷冻水系统的设计研究也逐渐引起了关注。

平衡阀的设置是最先引起关注的。在以往的设计中冷冻水系统为定流量系统，系统中经常使用平衡阀来保证环路的平衡。但是随着系统的发展，目前的冷冻水大部分都变成了变流量系统，因此平衡阀的使用也引起了业界的积极讨论。最终达成共识的一点是对于末端采用两通调节阀的变流量系统倾向于不再安装平衡阀。

水泵的变频技术的发展以及变频器价格的降低带动了另一种冷冻水系统的形式的产生－即分布式变频泵系统。分布式变频泵系统是在水系统末端用小的变频泵代替阀门进行调节，变频泵代替了调节阀，通过调节频率来实现系统的流量调节，减少了阀门消耗的压降，减小了运行能耗。但是由于这类系统的设计较为复杂，目前还没有得到大力推广。

制冷机组可变流量运行也给冷冻水变流量系统的设计带来了新的革新。以往的变流量系统都是通过二次泵系统来实现了，一次泵并不是实现变频，这是为了保证制冷机组的冷冻水流量恒定。但是，当制冷机组可以实现变流量后，则不需要使用两级泵，只需要一级泵就能实现变流量。这也是目前冷冻水系统设计的一个趋势。

2.3系统运行研究

当冷冻水系统的形式变得多样化后，对系统的实际运行研究也显得尤为必要。因为，通过以往的测试，人们纷纷发现，系统的运行并不如设计的那么理想，并且许多运行问题造成了能源的巨大浪费，例如，“大流量小温差”。

针对这类问题，冷冻水系统的综合特性，即水力特性和热力特性，引起了学者的广泛关注，如朱伟峰[4]、张晓亮[8]、蔡宏武[5]等。

图6　制冷机房模拟计算模型Fig.6 Simulation model of chiller station

朱伟峰主要研究了通断控制的风机盘管冷冻水水系统的运行，并结合了制冷机房的运行特性进行分析，认为这类系统虽然末端存在调节，但是制冷机房的运行策略不变造成了在整个运行过程当中冷冻水的总流量基本不变。张晓亮则补充了另外两种末端控制方式冷冻水系统特性，即采用回风温度控制水阀开度的定风量系统和串级调节系统及变风量系统的水力及热力特性。在研究这两类系统时，他建立了冷冻水系统的热力和水利模型，用来模拟系统的全年运行情况，见图6。由于他的研究重点在于制冷机房内的耗能设备的运行而不是具体每个末端设备的流量分布，因此，他的模型是“细致”的制冷机房设备模型和“简化”的末端设备模型。简化的末端设备模型作为一个整体主要用来给制冷机房模型提供边界条件。这样就可以通过模型分析制冷机房在全年不同的控制策略下的能耗。

前面两位学者主要以系统节能为目标研究制冷机房内的设备的特性，因此对末端用户侧的流量分布进行简化。不过，末端用户侧的水力平衡不光会影响用户的舒适度，也会影响整个系统的能耗。

因此，蔡宏武专门对末端设备的特性进行了分析。他通过模拟分析结合大量的现场实测，以末端设备的角度分析了冷冻水系统产生“大流量小温差”的原因，并将这些原因分为“天灾”和“人祸”。“天灾”是指，在系统设计施工完成后，无法再改变的原因，即末端换热器的阻力和管道的管径及布置造成的；“人祸”是指，后期运行出现的一些原则上可以解决，但是实际运行中常常出现的问题，譬如盘管风侧的问题影响了水侧的换热、阀门没有根据负荷及时调节等，这些运行问题加剧了这类现象的产生。

3　冷冻水系统的静态调节方法

目前冷冻水系统的静态调节方法主要有比例调节法、补偿法、回水温度调节法等，系统正式运行前一般使用比例调节法和补偿调节法，正式运行具有一定负荷后使用回水温度调节法。除此之外，笔者也在研究将模拟和实测结合进行工程调节的简便方法。

3.1比例调节法

比例调节法的调节原理是依据两个用户之间的流量比仅取决于上游用户（按供水流动方向）之后管段的阻抗，而不受上游用户和制冷机房之间的阻抗影响。这就说明，无论上游用户还是制冷机房的控制如何改变，下游用户之间的流量比都不变。那么，当总流量在一定范围内变化时，各支路之间的流量比保持不用。调节前需要先测试各调节支路的流量，计算各支路的水力失调度，并按从大到小进行排序，此排序即为调节时的顺序。首先保持排序最小的支路的阀门不变，按调节顺序依次将别的支路的流量比调节到该支路的流量比的95%，支路调节完后再调节这些支路所在的干管的阀门使即可。

比例调节阀需要两组人使用流量计和步话机来同步完成，如果有耦合性较强的支路时，还需要反复调节。当系统没有安装平衡阀或者调节前总流量达不到设计流量时，这种方法则不适用。

3.2补偿调节法

补偿调节法同比例调节法，也是根据一致性等比失调原理，上游用户的调节造成下游用户之间发生一致性等比失调。首先选择任意待调的支线。确定待调支线的末端用户平衡阀在设计流量下的压降，即基准阀压降值。根据平衡阀样本计算阀门开度。然后使用平衡阀调节仪表将调节支线的分支平衡阀（即合作阀）使得基准阀的压降达到计算值，然后调节该支线的其他用户，该支线调节完毕后使用相同方法调节其他支线。支线之间的调节方法也和支线内的调节方法相同。这种通过合作阀再调节来保持基准用户水力失调度一直维持在某一数值的调节方法称为补偿法。

这种调节方法也要求系统各调节管路安装平衡阀，并要有多组人同时进行测试。

3.3回水温度调节法

当管网的末端用户没有安装平衡阀；或当入口安装有普通调节阀但没有调节阀两端的压力表；或管网入口有普通阀门时，可以采用回水温度调节法来进行调节。它的调节原理是，当建筑达到设计负荷时，当实际流量大于设计流量时，供回水温差减小，回水温度低于设计值；当实际流量小于设计流量时，供回水温差增大，回水温度高于设计值。因此，只需要将各用户的回水温度调节到相等，就可以达到调节目的。由于系统运行时不一定与设计工况相同，因此实际调节时的回水温度还需要针对不同的工况来确定。

这种调节方法不光与冷冻水系统的水力特性有关，还和热力特性有关，由于每调节一个阀门都需要等末端换热完全后才能进行下一步，因此花费的时间非常长。

3.4模拟和实测结合的调节方法

由于以上三种理论调节方法需要大量的人力、仪器和时间来完成，非常繁琐，在实际的空调冷冻水调节时很少有人使用。目前，现场调节的工作人员都是通过以往的项目经验调节水系统，并且只调节分集水器的各个供回水干路，将干路的水量调节到干路的所有末端的设计流量之和。这种调节方法在系统耦合性不强时，可以通过简单的几次调节粗略的达到设计水量，但是在耦合性较强的情况下，想要通过一两次的调节很难调到设计水量，如果不知道系统的耦合特性的话甚至反复调节也无法将某些管路调节出来，特别是冷冻水系统的干管调节。由于干管的流量较大，距离又较近，因此耦合性都很强，粗略的调节很难实现各个干管的水力平衡，干管达不到水力平衡，则相对应的支管也无法平衡。

为简化调节方法，笔者尝试研究一种新的更加便捷的静态调节方法－使用空调冷冻水模拟和实测结合的调节方法[10]。基于流体力学基本方程，建立冷冻水系统的水力模型并模拟计算系统的各项水力参数，根据计算结果指导冷冻水系统的静态调节。这种调节方法在调节前就先计算出需要调节的流量，在进行调节时按计算流量调节即可，不需要反复调节相比起原有的工程调节方法具有简便和精确的优点。主要方法如下：

（1）建立冷冻水系统水力分布模型。根据系统的设备、管网和阀门等阻力部件参数在水力仿真软件HACNet平台建立需要调节的空调冷冻水系统模型。通过现场实测获得各项参数，使得建立的模型符合系统实际运行情况。然后通过模拟计算得知系统调节前的水量分布及压力分布。

（2）通过模拟计算分析和流体力学基本方程，计算出各调节支路在目前的工况下为达到设计流量需要改变的阻力特性系数，然后使用模型验证当调节支路按照计算结果改变阻力特性系数后，各支路的流量是否达到设计流量。通过笔者的研究证明了此结果正确。

（3）使用模拟结果指导系统的水力调节，有两种方法，适用于不同情况。第一种方法是直接调阀法，这种方法要求阀门调节精度高，并且有阀门的调节性能参数，这样就可以根据模型计算出的每个调节支路需要增加的阻力特性系数计算出每个调节阀门的开度，在调节时无需测量流量和压力，只需要将每个阀门调节到计算出的开度即可，这种调节方法在安装高精度阀门，特别是平衡阀时操作简单。当没有安装这类阀门时，可以使用第二种方法。第二种方法是监测流量调阀法，这种方法不需要知道阀门的调节性能参数，而是通过监测流量的方法来调节阀门。具体步骤是在模型上模拟计算每根管路的阻力特性系数变化后这根管路的流量，注意，这个流量并不是设计流量，而是只调节这根管路而别的管路不调节或已调节完时的过渡流量。例如，有A、B、C三根管路要调节，首先模拟调节A而B、C不调节时A的流量，A调节完后，模拟调节B而C不调节时的流量，最后A、B调节完后调节C的流量。实际调节时也按此顺序，一边监测所调管路的流量一边调节阀门即可。这种方法相比起以往的调节方法只需要监测一根管路即可，简单快捷。

4　冷冻水系统的动态调节方法

动态平衡调节是以静态平衡为前提的。动态水力平衡即在系统运行过程中，各个末端设备的流量均能达到随瞬时负荷改变的瞬时要求流量；而且各个末端设备的流量只随设备负荷的变化而变化，而不受系统压力波动的影响。动态水力平衡调节主要使用动态平衡阀进行调节。动态平衡阀主要有自动流量平衡阀、自动流量平衡阀、自力式压差平衡阀和多功能平衡阀。平衡阀在使用前必须进行设定，才能在系统运行时满足使用要求。

5　结论

本文主要介绍了目前冷冻水系统运行存在的问题、冷冻水系统的研究现状以及冷冻水系统的水力调节。笔者认为水力失调是冷冻水系统存在问题的一个重要原因，因此水力平衡调节非常重要。为解决目前水力平衡调节繁琐复杂的问题，笔者提出了一种新的模拟和实测结合的空调冷冻水调节方法的可行性。这种调节方法结合数值模拟计算和实际工程应用，可将空调冷冻水系统末端调节到需要的水流量，相比起原有的工程调节方法具有简便和精确的优点。

参考文献：

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[3]王远,魏庆芃,薛志峰,江亿.大型公共建筑能耗调查分析[J].建设科技,2007,(2):17-19.

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[5]蔡宏武.实际空调水系统整体特性研究[D].北京:清华大学,2009.

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[8]张晓亮.空调制冷机房及冷冻水系统模拟计算方法的研究[D].北京:清华大学,2009.

[9]朱伟峰,王福林,燕达,等.北京宝辰饭店空调系统能耗分析报告[R].北京:清华大学建筑技术科学系,2000.

[10]廖滟.中央空调冷冻水系统的调节方法研究[D].北京:清华大学,2011.

Analysis and Review of Research on the Issue of Chilled Water System of Central Air Conditioning

Liao Yan1Chang Wencheng1Niu Limin1Cai Zuming2
( 1.Institute of Building Environment and Energy Efficiency, China Academy of Building Research, Beijing, 100013;
2.Beijing Electric Power Economic Research Institute, Beijing, 100055 )

【Abstract】This paper describes a series of issue of Chilled Water System of Central Air Conditioning in China, and research outcome of chilled water system hydraulic and thermodynamic characteristics on these issue. These research explain that hydraulic regulation problem is the main reason. Theoretical hydraulic regulation method is so complicated that few projects use at present. This paper introduces a new regulate method -- combine simulation and measurement --which is more convenient.

【Keywords】Chilled water system; Regulation; Hydraulic balance; Simulation

中图分类号TU831.3+1

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-036-06

基金项目：中国建筑科学研究院青年科研基金课题（编号：20130109331030062）

收稿日期：2015-01-27