某工程空调水系统节能检测与改造分析
重庆大学王曦卢军王亮
摘要本文通过对某工程08年空调系统运行记录进行分析，并对系统当前运行方式下相关参数进行现场检测，发现在部分负荷下单台水泵运行时存在过载现象，此时系统只能在增开水泵的方式下运行，同时压差旁通值设定过大以及末端空调机组回水管上事故旁通阀开启，致使系统出现大流量小温差现象；在冷却端由于水泵性能的改变以及冷却塔进水支路的水力不平衡，造成冷却端能耗的浪费。鉴于上述情况，本文提出对水泵及冷却塔进行变频控制，确保系统一机对一泵运行，同时为利用其冷却塔换热面积，可使系统在一机对多塔下运行；并通过对系统冷量计量以及动态跟踪机组能效曲线，实现机组最优负荷分配，使其在高效区运行，最终确保整个系统节能运行。
关键词大流量小温差能耗水系统
0 引言
随着科学技术的不断进步，空调系统各部件的能耗比例不断地变化，制冷机组的性能获得了极大的提高，在整个系统中的能耗比例下降，而水泵的能耗比例却有所增加。对整个系统而言，降低部分负荷下水泵输送能耗具有较大的节能潜力。因此减少系统水流量，增大供回水温差，减少水泵运行能耗，进而降低整个系统的能耗，在实际工程应用中具有重大的意义[3]~[5]。
1 工程概况
本工程是集教学、科研、办公、会议于一体的综合性大楼，总建筑面积约70032 m2，建筑总高度为99.1m，总空调面积约37042m2。在冷源系统设计选型时为了保证冷水机组在部分负荷下能高效运行，选用了三台制冷量为2637kW的离心式冷水机组以及一台制冷量为1044kW的螺杆式冷水机组，并在过渡季节或负荷较小时，开启螺杆式冷水机组，同时冷水机组均采用大温差型，进出水温度为13℃/6℃。
空调水系统为一次泵，末端变流量，机组侧定流量系统，用户侧采用二管制且竖向不分区；水系统分两路分别接至塔楼和裙楼空调区域；塔楼竖向及每层水平均为同程回路而裙房竖向与水平均采用异程式。对于末端设备，每台空调机组回水管上装有电动调节阀，末端风机盘管回水管装有电动二通双位阀。
2 检测参数及检测仪器
选取夏季典型季节7月24日进行测试，空调系统运行方式为一台制冷量2637kW的离心式冷水机组对应两台冷冻水泵运行，冷却端为两台冷却水泵与四台冷却塔运行，与原先设计的一机对一泵，一台冷却水泵对一台冷却塔的运行方式是截然不同的。测试参数有水系统的水泵流量、耗功率及水温，检测工具均选用已标定仪器，扬程取值从水泵进出口压力表上读数，具体检测参数与使用的检测仪器如表1所示。
表1检测参数及相关使用检测仪器表
3 水系统检测与分析
对08年夏季空调系统的运行记录进行统计，发现该系统存在大流量小温差现象。从图1中可以看出，冷冻水供回水温差在3～4℃的时间比例是最高的，大约占40%；温差在2～3℃以及温差在4～5℃分别占21%和23%；而温差超过7℃只占1%。全年机组大部分时间是运行在小温差工况下，显然并不能满足原先设计温差为7℃的要求。从图2中可知，冷却水供回水温差在0～5℃的时间占了整个机组开启时间的97%，冷却水系统大部分运行时间也都处在小温差的工况。因此针对于此种状况，我们把整个水系统作为此次检测的重点。
图1 冷冻水不同水温差所占时间比例图图2 冷却水不同水温差所占时间比例图
3.1 冷冻水系统检测
测试期间冷冻水系统运行方式为两台水泵并联运行，分别对水泵流量、耗功率以及扬程进行检测，检测结果如表2所示。
从表2测试数据可知，两台水泵并联运行时，2#、3#泵负载率高于电机负载率的高效区间75%~80%，电动机效率和功率因数将略有下降[1]；对于水泵运行效率来说，其值比额定工况下运行时的水泵效率分别低了7.6%和7.5%，水泵并不在其高效区运行。同时两台水泵并联运行下总流量为642m3/h，而离心式冷水机组蒸发器额定冷冻水量为324m3/h，当通过机组蒸发器的流量增大时，蒸发器内流速超过其最大允许值，会对铜管产生冲蚀作用，增加泄露事故，减少机组使用寿命，对于一般的离心式冷水机组而言，最大允许流量为机组额定水量的120%～130%左右[2]。鉴于此种情况，运行管理人员为了避免水流量过大对机组所造成的影响，将未运行机组的冷冻水阀门开启，使部分未经处理的冷冻水旁通。
针对旁通现象，在测试过程中对分集水器上冷冻水的供回水温度进行了检测。在测试阶段，供水平均温度为9.9℃，回水平均温度为12.7℃，温差仅为2.8℃。小温差说明末端供给的水流量偏大，实际上开启一台水泵就能满足末端负荷需求。同时，供水温度升高将使局部要求冷负荷较大的场合室内舒适度达不到设计要求。
对末端设备检测发现所有空调机组回水管上的事故旁通阀始终处于开启状态，这就进一步减少了供冷房间的冷水输入量，抱怨用户将增多。而此时运行管理人员往往只是采取增加水泵运行台数与增开冷水机组的做法来满足末端房间的负荷需求，这都将增加系统的能耗。同时在检测中还发现，主供回水管上的压差控制阀设定的压差值偏高使得整个空调水系统并不是在机组定流量下运行，当末端实际需求负荷减少的时候，水系统的水流量依然偏大，势必造成空调水系统存在“大流量小温差”的现象。
鉴于上述两台水泵对一机的运行方式将大大增加系统的能耗，并且测试阶段建筑所需负荷较小。为此对一机一泵的运行方式进行检测分析，检测结果如表3所示。
表3 单台冷冻水泵运行下其参数检测结果
从表3测试数据可知，单台泵运行时其负载率达到100.2%，水泵存在超载现象，长时间超过电机负载值将大大影响电机的寿命，甚至有烧坏电机的可能。对于水泵运行效率来说，其值比额定工况下运行时水泵效率分别低了5.9%和5.7%，同样偏离水泵高效区间。从上述对水泵耗功率的分析可知，单台泵运行存在过载现象，因此在实际运行工况下，空调运行管理员为了保证水泵的正常运行，往往是采用开启两台水泵对应一台机组的运行方式。
综上所述，冷冻水系统在单台水泵运行下能提高供回水温差，但其水泵的耗功率将增大，电机处于过载状态。基于保护水泵的正常运行，运行管理人员将不得不增加水泵开启台数，水泵台数的增加使得流量也增加，同时为消除对冷水机组的不利影响，将未运行冷水机组冷冻水管路阀门开启，使部分未经换热的冷冻水流入，此时未经换热与经过换热的冷冻水混合使得供水温度升高，导致末端除湿能力降低。当末端所需负荷增大时，只能进一步采取多开水泵及冷水机组的运行方式来满足负荷需求，这都将使得能耗大大增加。
3.2 冷却水系统检测
3.2.1 管路流量及水泵性能测试
测试期间开启两台冷却水泵，对水泵流量、耗功率及扬程进行检测。测试结果如表4所示。
表4 两台冷却水泵并联运行下其参数检测结果
从表4测试数据可知，水泵并联运行时2#泵耗功率为67.54kW，4#泵耗功率为68.5kW，其负载率分别为90%与91.3%，负载率高于其运行高效区间；而水泵运行效率值比额定工况运行下的水泵效率分别低了37.4%和37.9%，同时总的水流量小于单台水泵额定工况运行下的流量，并且水泵的扬程没发生变化，从以上分析来看，水泵性能发生了变化，并不能满足实际运行要求。
为进一步测试冷却水泵当前的性能状况，在测试过程中保证管路阻抗不发生变化，将水泵运行台数改为单台运行，对其流量、耗功率及扬程进行测试，测试结果如表5所示。
表5 单台冷却水泵运行下其参数检测结果
从表5测试结果可知，水泵单台运行时，2#、4#水泵流量分别为520m3/h和505m3/h，远小于额定工况下水泵700m3/h的出水流量，但此时水泵的耗功率却比额定功率高出了将近12%，水泵处于过载运行，同时水泵运行效率值比额定工况运行下的水泵效率分别低了28.4%和28.9%。根据水泵性能曲线分析可知，随着水泵耗功率的增加，水泵出水流量也将增加，水泵扬程也将减小。但是实测的结果与分析刚好相反，水泵耗功率的增加，水泵出水流量并没增加，同时扬程并没有什么变化。因此从上述分析可知，水泵性能发生了变化，并存在内漏的现象。
3.2.2 冷却塔进出水温度及水流量测试
通过上述对冷却水泵的测试分析可知，单独开启一台泵并不能满足系统要求的冷却水流量，因此运行工作人员将运行两台冷却水泵，同时部分冷却水旁通进入一台未开启冷水机组。测试时冷却塔的开启方式为四台冷却塔对应两台冷却水泵，并对进入四台冷却塔的冷却水流量与每台冷却塔进出水温度进行检测，测试参数如表6所示，且在测试时间段内室外环境平均干球温度为35.6℃,平均相对湿度为39.7%。
现场各台冷却塔接管示意图见图3，冷却塔分支进水管均与供水主管相连，具体的连接方式为4#冷却塔先与主管段连接，然后主管段依次与1#，2#，3#冷却塔相连，进入各台冷却塔前的支管上均先后装有闸阀、水力控制阀与电动控制阀，供回水管路采用异程式布置。从表6对流量的测试可知，各台冷却塔的进水流量并不平衡，4#小冷却塔进水流量最大，1#大冷却塔进水流量最小，并出现4#冷却塔溢水，1#、2#冷却塔补水，3#冷却塔无补水与溢水现象。
表6 冷却塔进出水温度及流量测试结果
图3 冷却塔接管示意图
从冷却水温度测试数据可知，冷却水旁通使冷却塔进水温度降低，同时由于四台冷却塔同时开启致使出水温度偏低。出水温度的降低会使机组的运行效率升高，因此管理人员误认为这是一种较好的运行方式，但这实际上是以增加冷却塔的能耗为代价。
综上所述，对于整个冷却水系统而言，单台水泵对应一台机组运行时，供水流量偏小，水泵电机处于过载状态，此时水泵性能发生了改变，不得不开启两台水泵来满足要求；而冷却塔进水流量的不平衡，致使需开启四台冷却塔来满足进水要求，四台冷却塔开启使得冷却水进水温度下降，并在一定程度上提高了机组效率，但却使得系统能耗增加。
4 结论
整个水系统某个单一问题将牵涉整个空调系统，是一个连锁的反应，并反映出系统最初设计与现场运行管理方面的问题。对于实际的改造是从局部到全局的过程，必须环环相接，这样才能实现系统的优化运行。通过对该工程水系统的检测，发现其存在的问题，提出以下几点改造措施：1)在部分负荷下，水泵采用变频控制，使其在高效区间运行，避免水泵过载，以确保系统一机对一泵运行。2）重新设定压差旁通值，确保水系统流量不偏大；同时关闭空调机组回水管上事故旁通阀，避免冷量的浪费。3）对冷却水泵进行维修，并清理冷却塔渣滓，以防对水泵叶轮的磨损。4）重新调节冷却塔进水管路阀门，并考虑采用供回水管路同程式布置，确保四台冷却塔能等比例承担相应负荷。5）对冷却塔进行变频控制，运行中可采用一机对多塔的方式，尽量利用冷却塔换热面积。6）对各楼层进行分楼层冷量计量，并可通过测得的总冷量值与冷水机最佳能效曲线进行智能判断，通过优化程序对机组运行台数进行节能控制，使机组在高效区间运行。
参考文献
[1] 江亿，薛志峰.既有建筑节能诊断与改造[M].北京：中国建筑工业出版社，2007
[2] 关羡波.空调系统某些常见的问题分析[J].制冷，2003，22（4）：75-77
[3] 冯圣红，等.空调水系统节能改造及分析[J].节能，2004，(12)：16-19
[4] 刘宪英.中央空调能耗现状与节能途径探讨[J].中国建设信息供热供冷，2005，（06）：21-26
[5] 何雪冰，刘宪英.中央空调节能有关问题的探讨[J].重庆建筑大学学报，1999，21（4）：40-44
王曦，男，1983年12月生，硕士研究生，地址：重庆市沙坪坝区北街83号重庆大学B区城市建设与环境工程学院，邮政编码：400045，电话：023—65123777，E-mail:19831212wangxi@https://www.doczj.com/doc/ae344408.html,