淺談中央空調(diào)系統(tǒng)中常見的水泵節(jié)能改造方案

淺談中央空調(diào)系統(tǒng)中常見的水泵節(jié)能改造方案摘要：在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，常常將水作為輸送冷熱源的介質(zhì)和冷水機(jī)組的冷卻劑，因此水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成成分，水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的效果以及能耗。而水泵改造則是中央空調(diào)水系統(tǒng)能耗優(yōu)化中比較常見和有效的節(jié)能改造方式。本文通過討論研究幾種常見的中央空調(diào)水泵節(jié)能改造方式，分析不同方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用條件，從而為水系統(tǒng)節(jié)能改造提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)系統(tǒng)；水系統(tǒng)；水泵節(jié)能改造

引言

中央空調(diào)系統(tǒng)是建筑內(nèi)不可缺少的配套設(shè)備系統(tǒng)之一。中央空調(diào)設(shè)備作為用電大戶，電能的消耗非常大，幾乎占了建筑內(nèi)用電量的50%，在能耗方面的開支費(fèi)用頗巨。

在設(shè)計(jì)時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按建筑所在地天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留有10-20%設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間系統(tǒng)的機(jī)組是不會在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的。這樣會造成對水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在對冷卻、冷凍水泵的選擇上，普遍存在設(shè)計(jì)預(yù)留偏大的問題而導(dǎo)致選取的水泵揚(yáng)程偏大。在此種情況下，機(jī)組運(yùn)行時(shí)除了會造成能量的極大浪費(fèi)外，選取的水泵揚(yáng)程過大，往往會令管道內(nèi)流量增加，使得水泵噪音加大，還使得水泵電機(jī)負(fù)荷加大，電流加大，發(fā)熱加大，可能會導(dǎo)致電機(jī)燒壞，惡化了中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。

如今節(jié)能降耗已成為時(shí)代的潮流，本文研究重點(diǎn)是對中央空調(diào)水系統(tǒng)中水泵能耗的分析，討論如何通過水泵節(jié)能改造來達(dá)到降耗的目的，以及幾種常見改造方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

一、空調(diào)水系統(tǒng)介紹

（一）空調(diào)水系統(tǒng)概述

中央空調(diào)水系統(tǒng)即為一小型的半集中式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，將室內(nèi)負(fù)荷全部由冷熱水機(jī)組來承擔(dān)。各房間風(fēng)機(jī)盤管通過管道與冷熱水機(jī)組相連，靠所提供的冷熱水來供冷和供熱。水系統(tǒng)布置靈活，獨(dú)立調(diào)節(jié)性好，舒適度非常高，能滿足復(fù)雜房型分散使用、各個(gè)房間獨(dú)立運(yùn)行的需要。典型中央空調(diào)水系統(tǒng)主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)三部分組成。

（二）空調(diào)水系統(tǒng)各部分工作原理

1、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

該部分由冷凍水泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)及冷凍水管道等組成。從冷凍主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍水泵加壓送入冷凍水管道（出水），進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機(jī)蒸發(fā)器（回水）。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。

2、冷卻水循環(huán)部分

該部分由冷卻水泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻水泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。

3、冷水機(jī)組

冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及節(jié)流裝置等組成，其工作循環(huán)過程如下：首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓進(jìn)入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，最終釋放到大氣中。隨后冷凝器中的高壓液態(tài)冷媒在流經(jīng)蒸發(fā)器前的節(jié)流降壓裝置時(shí)，因?yàn)閴毫Φ耐蛔兌鴼饣?，形成氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時(shí)會吸收冷凍水中的熱量使冷凍水達(dá)到較低溫度。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進(jìn)入壓縮機(jī)，如此循環(huán)往復(fù)。

二、水系統(tǒng)節(jié)能改造必要性分析

由于設(shè)計(jì)時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留10-20%的設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)系統(tǒng)是不會運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大。其中，冷水機(jī)組可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，但是冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費(fèi)。

水泵的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費(fèi)電能，而且還造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。

再因水泵采用的是Y-△起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的3～4倍，一臺90KW的電動(dòng)機(jī)其起動(dòng)電流將達(dá)到500A，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降，同時(shí)，起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)水錘現(xiàn)象，容易對機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用。

由此可見，對于中央空調(diào)系統(tǒng)來說，最常見的方式是通過對水系統(tǒng)中的水泵進(jìn)行改造來降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

三、空調(diào)水泵能耗情況分析

中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電占公共建筑及大型商業(yè)項(xiàng)目耗電的40～60%，而水泵耗電占到空調(diào)系統(tǒng)耗電的20～30%，水泵節(jié)電已經(jīng)引起專業(yè)內(nèi)外人員的廣泛關(guān)注。

空調(diào)水泵的主要性能參數(shù)為流量Q，揚(yáng)程H，轉(zhuǎn)速n，軸功率Pe，效率η。圖1是水泵的性能曲線圖，從圖上可以看出：每臺泵都可以在一個(gè)寬廣的流量和揚(yáng)程范圍內(nèi)安全運(yùn)行，但是都有一個(gè)運(yùn)行效率較高的經(jīng)濟(jì)使用流量區(qū)間。因?yàn)槌鼋?jīng)濟(jì)使用流量區(qū)間使用時(shí)，其運(yùn)行效率將顯著下降。圖2是水泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)工作區(qū)和工作點(diǎn)圖示，水泵運(yùn)行工作點(diǎn)是選定水泵的性能曲線與管道阻力特性曲線的交點(diǎn)。

空調(diào)水泵電耗（輸入功率）的計(jì)算公式：

P=Pe/η

P=ρ.g.Q.H/η

（1）

說明：P——電機(jī)輸入功率

ρ——輸送流體的比重，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

Q——流量，m3/s

H——揚(yáng)程，m

η——效率

式（1）中水泵輸送的介質(zhì)是空調(diào)冷凍水或冷卻水，溫度變化范圍不大，其中ρ，g可當(dāng)做是常量，可見空調(diào)水泵的電機(jī)輸入功率是由空調(diào)水的流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率確定的。而其實(shí)這三個(gè)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，是由水泵的性能曲線和管道阻力特性曲線確定的，而管道的阻力特性曲線是通過直角坐標(biāo)的一條拋物性。通常在一定的管路系統(tǒng)中輸送設(shè)計(jì)所需流量，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的總阻力：

Hw=KQ2

（2）

式中，K稱為管路特性系數(shù)，當(dāng)管道的長度、面積及配件阻力為已知時(shí)，K為定值，由此可見，對已經(jīng)設(shè)計(jì)安裝好的冷卻水管路系統(tǒng)，流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力只是與流經(jīng)的流量平方成正比。

因此，對于已經(jīng)設(shè)計(jì)安裝好的冷卻水管路系統(tǒng)，冷卻水泵的耗電只是取決于冷卻水的流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率。

根據(jù)泵和風(fēng)機(jī)的相似定律，同一臺水泵，輸送相同的介質(zhì)，在不同轉(zhuǎn)速N、Nm時(shí)的流量、揚(yáng)程和功率存在以下?lián)Q算關(guān)系：

流量：Q/Qm=N/Nm

（3）

揚(yáng)程：H/Hm=（N/Nm）2（4）

功率：P/Pm=（N/Nm）3（5）

四、空調(diào)水泵常見節(jié)能改造方式分析

空調(diào)水泵的耗電是由空調(diào)水的流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率確定的。而實(shí)際工作過程中空調(diào)水的流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率取決于水泵的實(shí)際工作點(diǎn)。實(shí)際工程中，往往由于設(shè)計(jì)裕量過大，施工驗(yàn)收粗放，使得空調(diào)水系統(tǒng)的人為阻力過大，導(dǎo)致水泵的實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)工作狀態(tài)點(diǎn)，更是偏離理想工作狀態(tài)點(diǎn)。

圖3水泵經(jīng)濟(jì)工作區(qū)和工作狀態(tài)點(diǎn)

圖3中，假設(shè)A點(diǎn)是符合管路特性曲線和冷水機(jī)組工作條件的理想工作狀態(tài)點(diǎn)，因設(shè)計(jì)裕量過大，水泵采購配置時(shí)再進(jìn)一步放大，施工過程粗放，操作調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)?，往往使?shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)工作狀態(tài)點(diǎn)和理想工作狀態(tài)點(diǎn)。圖中B點(diǎn)是設(shè)計(jì)工作狀態(tài)點(diǎn)，而C點(diǎn)是實(shí)際工作點(diǎn)。從圖中曲線可以看出：實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)C甚至超出了水泵的經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，致使水泵運(yùn)行效率很低，且流量和揚(yáng)程都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過理想工作點(diǎn)。根據(jù)我們實(shí)施的工程實(shí)踐，寬調(diào)水泵系統(tǒng)往往存在20～70%的節(jié)能空間。由此可見，進(jìn)行空調(diào)水泵的節(jié)能改造，就必須進(jìn)行現(xiàn)場測試，找到水泵的實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)與理想工作狀態(tài)點(diǎn)之間的差異，確認(rèn)最終的節(jié)能改造措施，以保證改造后的實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)盡可能接近理想工作狀態(tài)點(diǎn)。

（一）空調(diào)水泵的節(jié)能改造方式---節(jié)流

空調(diào)水泵的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，歸根結(jié)底，是因?yàn)楣艿老到y(tǒng)的實(shí)際阻力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)估算阻力，水泵揚(yáng)程的裕量過大，致使水泵運(yùn)行工作狀態(tài)點(diǎn)從B點(diǎn)往右偏移至C點(diǎn)。如果關(guān)小冷卻水管道系統(tǒng)的閥門（如水泵出口閥門、冷水機(jī)組進(jìn)出水閥門等）以增大管道系統(tǒng)的阻力，使管路阻力特性曲線變陡，從而可以使水泵的實(shí)際工作點(diǎn)C點(diǎn)沿著水泵的性能曲線向左（流量減小的方向）移動(dòng)，直到冷水機(jī)組的額定流量（水泵理想工作狀態(tài)點(diǎn)的流量）A’點(diǎn)，水泵的耗電降低，如圖4所示。這種方法是以增大管道系統(tǒng)的阻力為代價(jià)，有效功率減小有限，因而節(jié)能效果并不明顯。

在普遍的水泵和風(fēng)機(jī)調(diào)試的實(shí)踐工程中，有時(shí)因?yàn)樵O(shè)計(jì)裕量過大，如果管道系統(tǒng)的閥門全開，我們會發(fā)現(xiàn)電機(jī)溫升過高，電機(jī)過載，甚至燒毀電機(jī)，這時(shí)，通過適當(dāng)?shù)仃P(guān)小管路閥門人為增加管道系統(tǒng)的阻力，水泵和風(fēng)機(jī)就能安全運(yùn)行了。但這只是一種比較粗放的調(diào)試驗(yàn)收過程，沒有去認(rèn)真思考問題所在，沒有去定量地、準(zhǔn)確地調(diào)試系統(tǒng)，不是從系統(tǒng)的角度去貫徹節(jié)能，這樣的做法并不符合長遠(yuǎn)的發(fā)展。

（二）空調(diào)水泵的節(jié)能改造方式---變頻調(diào)速

降低水泵電機(jī)的供電頻率可以降低水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)上面闡述的水泵的相似定律可知：降低水泵的轉(zhuǎn)速，可同時(shí)減小水泵的流量和揚(yáng)程，從而使泵的工作點(diǎn)C沿著管道阻力特性曲線向流量減小的方向移動(dòng)，直至到達(dá)冷水機(jī)組的額定流量（水泵理想工作狀態(tài)點(diǎn)的流量）A’點(diǎn)，降低水泵的耗電，如圖5所示。這種方法盡管也能消除過剩流量，但由于離心泵是按照水力特性最佳的條件設(shè)計(jì)的，這些條件就包括泵的轉(zhuǎn)速和幾何尺寸，泵只有在轉(zhuǎn)速和幾何尺寸都按同一比例改變（相似改變）時(shí)，才能保持其最高效率（銘牌效率）不變；否則，效率必定降低。變頻調(diào)速只是降低了水泵的轉(zhuǎn)速，卻不可能按與轉(zhuǎn)速相同的比例減小泵的幾何尺寸，這種不相似改變必然導(dǎo)至水泵效率降低。特別是當(dāng)設(shè)計(jì)裕量過大，需要大輻度降低轉(zhuǎn)速才能達(dá)到理想流量時(shí)，變頻降速會使水泵內(nèi)部損耗急劇增大，實(shí)際的節(jié)能效果大打折扣。只是當(dāng)水泵的裕量不是很大（通常不超過20%時(shí)），而且原有水泵本身很新時(shí)，才建議采用變頻調(diào)速的方法來節(jié)能改造空調(diào)水泵系統(tǒng)。

還有需要引起重視的一點(diǎn)是：大功率變頻器本身也需要消耗其額定功率的3～5%的耗電，而且大功率變頻器是電網(wǎng)的最大污染源，它們在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波會嚴(yán)重干擾所處電網(wǎng)的通訊系統(tǒng)，并影響其它用電設(shè)備的供電質(zhì)量和電能轉(zhuǎn)換效率。因此變頻節(jié)能技術(shù)需在采取了相應(yīng)的抗干擾措施之后方可慎用，尤其是在指揮中心、電信部門、醫(yī)院等通訊中心，有精密設(shè)備的場所更是如此。通常情況下，安裝變頻器的供電回路不宜與對供電高要求的精密設(shè)備的供電回路共用變壓器。

（三）空調(diào)冷卻水泵的節(jié)能改造方式---更新水泵

空調(diào)系統(tǒng)的冷卻水管道系統(tǒng)相對固定，而且空調(diào)冷卻水溫和空調(diào)冷卻水流量共同決定冷水機(jī)組的冷凝溫度，即影響冷水機(jī)組運(yùn)行能效。而冷卻塔的出水溫度由周圍環(huán)境的濕球溫度和流過的冷卻水流量共同決定。冷卻塔冷卻水的能力是考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，以冷水機(jī)組的額定流量為依據(jù)合理配置的，因此冷卻水泵按照冷水機(jī)組的額定流量配置即可保證足夠低的冷卻水溫，也保證足夠大的冷卻水流量，即保證冷水機(jī)組盡可能得到充分的冷卻效果，保證冷水機(jī)組運(yùn)行能效。實(shí)際工程的誤區(qū)之一是以為冷卻水流量愈大，冷卻效果愈好。實(shí)際上是冷卻水流量過大，冷卻塔的能力有限，這時(shí)冷卻塔的出水溫度，即冷水機(jī)組的進(jìn)水溫度會偏高，而冷水機(jī)組基本上都是下進(jìn)上出的，也就是冷水機(jī)組的進(jìn)水溫度與冷凝溫度，與冷水機(jī)組的能效密切相關(guān)。實(shí)際工程的誤區(qū)之二是盲目加大冷卻塔或者多開冷卻塔，實(shí)際上冷卻塔的出水溫度與周圍環(huán)境的濕球溫度密切相關(guān)。因此，冷卻水泵配置的要點(diǎn)是：以冷水機(jī)組的額定流量為依據(jù)合理配置。

冷卻水泵系統(tǒng)最合理的節(jié)能改造策略是：按照水泵的理想工作狀態(tài)點(diǎn)A的流量和揚(yáng)程選定新的冷卻水泵，如圖6所示，相當(dāng)于冷卻水泵的工作狀態(tài)點(diǎn)從C點(diǎn)沿管道阻力特性曲線移動(dòng)至A點(diǎn)。這樣新的冷卻水泵盡最大可能的削減了原有冷卻水泵的剩余流量和揚(yáng)程，并且保證水泵運(yùn)行在效率盡可能高的工作狀態(tài)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。

五、結(jié)論

空調(diào)水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)中十分重要的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其性能的好壞、能耗的效果不單影響到空調(diào)正常的運(yùn)行，更重要的是影響到建筑內(nèi)設(shè)備的安全及建筑運(yùn)營的成本。本文針對目前中央空調(diào)水系統(tǒng)中水泵的節(jié)能問題進(jìn)行了研究，分析了影響冷卻、冷凍水泵能耗的因素，并提出了相應(yīng)的解決方法。

本文所完成的工作如下：

1、分析了中央空調(diào)水系統(tǒng)基本情況；

2、簡析空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能改造的必要性；

3、空調(diào)水泵運(yùn)行耗電影響因素分析；

4、空調(diào)水泵的節(jié)能改造策略的比較。

不同的水泵改造方式都各有不同優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場合、不同情況下的水系統(tǒng)改造工程。對水系統(tǒng)的節(jié)能改造必須結(jié)合好現(xiàn)場實(shí)際，綜合考慮，從