冷凍水輸送系數(shù)的實際測算與現(xiàn)狀分析

1、冷凍水輸送系數(shù)的實際測算與現(xiàn)狀分析清華大學建筑節(jié)能研究中心 肖賀，王鑫，魏慶芃摘要本文討論了冷凍水輸送系數(shù)的實測方法，并根據(jù)清華大學建筑節(jié)能研究中心近兩年 對北京、上海、深圳及香港近20座公共建筑的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，計算了空調(diào)系統(tǒng)實際運行的冷凍水輸送系數(shù)，同時與指標進行比較。作者還提出導(dǎo)致冷凍水輸送系數(shù)偏低的原因主 要有三：冷凍水供回水溫差較小、 冷凍水泵揚程過大和冷凍水泵效率過低，這也是位于冷凍水輸送系數(shù)下層的三個指標。關(guān)鍵詞輸送系數(shù)冷凍水現(xiàn)場實測分項計量背景隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)在人們的生活中正在扮演愈發(fā)重要的角色，而在中央空調(diào)系統(tǒng)中，水系統(tǒng)（包括冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)）是最

2、重要和最關(guān)鍵的 環(huán)節(jié)，其輸送能耗往往占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的較大份額。近年來，由于將冷凍水和冷卻水的輸送泵耗等價為水系統(tǒng)的輸送能耗，所以人們普遍認為水泵效率是判斷及評價水系統(tǒng)輸送效果的重要指標之一。然而，水泵效率并不能全面準確地評價水系統(tǒng)的輸送效果，比如， 在實測中我們發(fā)現(xiàn)，某些系統(tǒng)的水泵效率很高，但實際上是采用了關(guān)閉部分閥門調(diào)整水泵 工作點的方法，雖然提高了水泵效率， 但實際上很大能量浪費在了閥門處，水系統(tǒng)的輸送過程并不高效節(jié)能。因此，我們需要找到一個歸一化高、可比性大的指標來客觀全面地反 映水系統(tǒng)輸送效率，并以此作為討論不同建筑水系統(tǒng)輸送能耗的基礎(chǔ)平臺。GB/T17981-2000空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)

3、濟運行中首次提出了冷凍水輸送系數(shù)的概念， 這個指標也在之后的節(jié)能診斷工作中被認為是可以全面客觀評價冷凍水水系統(tǒng)輸送效能 的關(guān)鍵指標，其準確定義、測算方法和意義也受到了廣泛關(guān)注。清華大學建筑節(jié)能研究中心在20052007年期間對北京、上海、深圳及香港近20座公共建筑進行了現(xiàn)場測試，并且有針對性地測算了空調(diào)系統(tǒng)實際運行的冷凍水輸送系數(shù)。 本文依據(jù)實測結(jié)果提出冷凍水輸送系數(shù)的獲取方法并探討影響此指標的若干因素。2 定義及獲取方法冷凍水輸送系數(shù)（water transport factor of chilled water system， WTFchW 是指空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量與冷凍水泵（包括冷凍水系

4、統(tǒng)的一次泵、二次泵、加壓泵、二級 泵等）能耗之比，用來評價空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水系統(tǒng)地經(jīng)濟運行情況。在空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟運行評價指標體系中，冷凍水輸送系數(shù)與制冷系統(tǒng)能效比和空調(diào)末端能效比并列，成為影響整個空調(diào)系統(tǒng)能效比的重要指標之一。冷凍水輸送系數(shù)的計算公式為:WTFch =QNchp公式1式中:WTFch 冷凍水輸送系數(shù)；“怖 冷凍水泵總能耗，單位為千瓦時（kWh）；Q 空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量，單位為千瓦時（kWh）。要得到冷凍水泵總能耗和空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量需要得到水泵功率、運行時間、冷機冷凍側(cè)水流量和冷機冷凍側(cè)進出口溫度等直接參數(shù)。在現(xiàn)在的實際測試過程中， 這些參數(shù)往往可以通過兩個途徑獲得：單點測試和

5、建筑能耗分項計量系統(tǒng)，兩種方法得到的數(shù)據(jù)類型和誤差來源都不盡相同。比如水泵功率可而冷凍側(cè)進出口溫單點測試具有較大很難將瞬時值推廣到單點測試指在某個典型工況下某個特定時間對某物理參數(shù)進行測量。以通過電功率計測量得到，冷凍側(cè)水流量可以使用超聲波流量計測得,度則可以使用溫度自計儀測得。然而，受測量儀器和測試人員的影響, 的隨機誤差，得到的也只是瞬時值。 在沒有確切數(shù)學模型的條件下,全年累計工況。也就是說，如果想得到全年時段內(nèi)的總能耗以及空調(diào)系統(tǒng)的總冷量，單點 測試的方法往往難以實現(xiàn)。建筑能耗分項計量系統(tǒng)是通過一定的自動測量和通訊手段，將建筑物內(nèi)發(fā)生的各種類型能耗實時記錄并遠傳到數(shù)據(jù)處理中心的電耗計量

6、系統(tǒng)。在這近20棟公共建筑中，K、D、P等多數(shù)建筑都安裝有分項計量系統(tǒng)。系統(tǒng)可以得到全年逐時的水泵功率值、冷機冷凍側(cè)進出口溫度和冷凍側(cè)流量。通過這種方法，可以得到各物理量的瞬時值， 同時也可以得到 一段時間內(nèi)的平均值和累積值。測量誤差主要來源于儀器的測量精度、 準確度以及傳輸系統(tǒng)的可靠性。在此基礎(chǔ)上積分得到的制冷季內(nèi)水泵總能耗和空調(diào)系統(tǒng)制備總冷量就比較準 確可信了。由此可見，冷凍水輸送系數(shù)也有累積值與瞬時值之分,可分別用于評價全年累計工況和典型工況，應(yīng)根據(jù)實際需要選擇。3 實測結(jié)果圖1基于分項計量系統(tǒng)的冷凍水輸送系數(shù)在2007年分項計量系統(tǒng)正式投入使用之后，我們對OS等5座公共建筑進行了現(xiàn)場測

7、試，圖1顯示了各自空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水輸送系數(shù)。這5棟建筑，冷源均為電制冷機；除建筑R為一次泵系統(tǒng)外，其余 4棟均采用二次泵系統(tǒng)；不同建筑的指標值差異較大。圖2基于單點測試的冷凍水輸送系數(shù)在2005、2006兩年中，由于尚未使用分項計量系統(tǒng)，所以冷凍水輸送系數(shù)是夏季典型工況下的單點測試值，因此也具有可比性， 如圖2所示。其中AD為2005年測試，EM為2006年測試，N為2007年測試（無分項計量系統(tǒng)）。除K、M和N為二次泵系統(tǒng)之外， 其余建筑均為一次泵系統(tǒng)。從冷源形式上講，建筑I使用溴化鋰吸收式冷機，建筑H使用直燃型冷機，其余建筑均使用電制冷機。不同建筑的指標值差別較大。新版空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟運行

8、標準規(guī)定：若WTFchLV用于全年累計工況的評價，該指標的限值為30；用于典型工況的評價，該指標的限值 WTFchLV為35。由此可見，在 評價全年累計工況的 5棟建筑中，2棟達到了標準要求；而在評價典型工況的14棟建筑 中，只有1棟達到了標準要求。實際測試的公共建筑中普遍存在冷凍水輸送系數(shù)偏低的現(xiàn)象。冷凍水供回水溫差較小、 冷凍水泵揚程過導(dǎo)致冷凍水輸送系數(shù)偏低的原因主要有三：大和冷凍水泵效率過低。這也是位于冷凍水輸送系數(shù)下層的三個重要指標。建筑P存在典型的冷凍水供回水溫差較小的現(xiàn)象，如圖3所示。根據(jù)運行記錄得到的2006年全年某冷凍機的供回水溫差數(shù)據(jù)可見，滿足設(shè)計標準II的工況非常少，冷凍水

9、供回水溫差集中分布在 3.8 C左右。冷凍水供回水溫差小實際是由冷凍水流量過大造成的， 這必然會加大冷凍水泵的功耗，使得冷凍水輸送系數(shù)偏低。 建筑P的冷凍水流量過大是由于一次冷凍泵選型過大，工作點右偏造成的。除此之外，一機對兩泵、冷機旁通等運行問 題也會導(dǎo)致流量過大，建筑A B C、H等多個建筑都存在這種情況。圖3 建筑P某冷凍機供回水溫差直方圖建筑M存在典型冷凍水泵揚程過大的問題，如圖4。從圖中可以看到，3#直燃機前后的閥門都未完全打開，消耗在閥上的壓差總計為10m水柱。冷凍泵的揚程為 32m水柱，近1/3的揚程消耗在閥上。 以建筑G為代表的某些建筑還存在關(guān)閉部分閥門調(diào)整水泵工作點 的現(xiàn)象，

10、雖然提高了水泵效率，但浪費了水泵揚程，增大了泵耗。除此之外，冷凍水泵揚 程過大還可能是管路中過濾器淤塞問題，如建筑C的冷凍泵揚程為 42.5m,而末端用戶側(cè)的阻力就有22.5m，嚴重超過了 610m的正常末端阻力，經(jīng)調(diào)查是由于管道長期沒有清 洗，管道的阻力增加的緣故。3#直燃機P顯示開j ILi 卜顯示開 P顯示開度2/3顯示開度1/2Htm)H3h3n冷凍泵效率偏低是建筑實測中發(fā)現(xiàn)的普遍問題，額定水泵的效率一般在70 %以上，但水泵的實測效率很多都在 50%以下。以建筑 O為例，一次冷凍泵的額定效率為 60%, 實測效率僅為33%;二次冷凍泵的額定效率為 60%，實測效率僅為30%，原因就是

11、水泵 的實際工作點偏離了設(shè)計工作點，水泵不能在高效范圍內(nèi)工作。實際運行中的水泵工作點偏離主要是由于設(shè)計選型偏大，具體可表現(xiàn)為工作點較設(shè)計點右偏和左偏兩種，原理見圖5。若不改變管路的阻力系數(shù)，保證水泵實際運行的揚程與 設(shè)計值相符，則會造成水泵的工作點右偏，實際流量大于設(shè)計流量， 不僅使水泵效率降低，同時會導(dǎo)致“大流量、小溫差”的現(xiàn)象，造成水泵能耗的浪費；若通過調(diào)節(jié)閥門增加管路 的阻力系數(shù)，使水泵在額定流量下運行，則會造成水泵的工作點左偏，實際揚程大于設(shè)計 揚程，導(dǎo)致水泵效率降低，電耗浪費嚴重。A, 實麻需求水泵T況點 水泵設(shè)計工況點 琳一衆(zhòng)it榻程恬況下的SifiTfl-點 虹一保證流；怙況卜的片輻工作點H|實廂需求U弄 偽一設(shè)刃流詁 論一設(shè)計揚程 見一水泵丁芥點右催時的澄II, 一水泵工件點左帕時的插程C,木泵工fb曲霞 缶一水亂敢半曲線dQ1 6 QfmVh)圖5水泵選型偏大的兩種工作點偏離原理圖4 討論實測20座公共建筑的冷凍水輸送系數(shù)