第３３卷第２期 ２０１３年２月 煤气与热力 ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１３ 一次泵变流量系统在空调水系统的应用 张振国 ， 郑 洁 ， 冯薪谕 ， 张颜梅 （１．重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆４０００４５；２．重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆４０００４５） 摘要： 介绍一次泵变流量系统的工作原理和节能特点，分析流量变化对制冷机制冷性能系 数和安全性的影响，一次泵变流量系统是节能的、可行的。结合某酒店节能改造工程，探讨了一次 泵变流量系统在空调改造中的应用。 关键词： 一次泵变流量系统； 一次泵定流量系统； 节能改造； 制冷性能系数 中图分类号：ＴＵ９９５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—４４１６（２０１３）０２—０Ａ２５—０３ １概述 在我国，空调的能耗已占建筑物总能耗的 ６０％左右。因此，空调系统的节能问题已经受 到我国各部门的高度重视。总的来说，空调能耗主 要消耗在３方面：冷量与热量的制取、利用获得的冷 量与热量处理空气、冷量与热量的输配。在集中空 调系统的夏季用电负荷中，大约２５％的用电负荷消 耗于冷水泵与冷却水泵上，大约１５％的用电负荷消 耗于各种风机上…。由此可见，降低空调水系统的 中的旁通管的作用是保证冷水机组不低于最小流量 运行，而一次泵定流量系统中的旁通管的作用是保 证冷热源侧的流量恒定。因此，一次泵定流量系统 只能在用户侧实现变流量运行，在冷热源侧是定流 量运行 。 与二次泵变流量系统相比，一次泵变流量系统 少了一组定速泵，但是多了一组测量冷热源流量的 检测装置。对于一次泵变流量系统，当用户侧负荷 发生变化时，用户侧的冷水流量、供回水温差、阀门 开度和供回水管道之间的作用压差都会随之改变。 输配电耗，对于提高集中空调系统的全年运行能效 具有十分重要的意义。目前，降低空调水系统的能 耗主要有两条路线：突破以往冷水系统中５℃设计 自动控制系统根据某个参数的变化控制水泵变速运 行，提供系统所需要的扬程和流量。当用户侧所需 温差的传统，采用大温差设计；突破冷水机组蒸 发器必须固定水流量的，取消二次泵环节，直接 利用一次泵变频变流量调节来适应一定范围内的冷 负荷变化…。 本文针对第２条路线，通过对比定转速定流量 一流量小于冷热源设备允许流过的最小流量时，旁通 管旁通一部分流量，使冷热源设备流过的流量始终 不低于最小流量 。 综上所述，只有一次泵变流量系统同时实现了 负荷侧和冷源侧的变流量。 ２．２一次泵变流量系统的可行性分析 次泵水系统和定流量一次泵／变频控制的变流量 二次泵系统，介绍了一次泵变频变流量水系统的工 作原理，并结合某酒店节能改造案例，对其节能性和 可行性进行分析，探讨其应用前景。 ①变流量对制冷机运行的影响 虽然一次泵变流量系统可以实现冷源侧变流 量，具有很大的节能潜力，但是水侧流量变化会导致 ２理论基础 ２．１ 一次泵变流量系统的节能性分析 与一次泵定流量系统相比，一次泵变流量系统 蒸发器（或冷凝器）的换热效率降低，并产生结冻危 险。基于变流量对制冷机安全运行的影响，一次泵 变流量系统的应用受到了一定制约。 基金项目：国家十二五科技攻关项目（夏热冬冷地区建筑节能关键技术研究与示范）（２０１１ＢＡＪ０３Ｂ１３） ・Ａ ２５・ 第３３卷第２期 煤气与热力 孟彬彬等人通过分析可变流量制冷机产品的调 研结果，得出结论：由于制冷机控制技术的发展，制 冷机蒸发器和冷凝器内的流量已经允许在一定范围 降幅度并不大。只要水泵的节能效益充分发挥出 来，完全可以抵消由于冷水机组效率降低增加的能 耗。 内变化，一般为设计流量的３０％～１３０％Ｅ３］。此外， 文献［４］得出冷水机组蒸发器水侧传热系数Ｋ与水 ２．３ 一次泵变流量系统的优化控制 ２００４年，ＹＡＯ Ｙｅ 引入ＳＣＯＰ值来分析冷水机 组的控制策略，这个方法是基于变流量系统提出的。 流速 的０．８次幂成正比，部分负荷时蒸发器的传 热量大于所需热量，因此冷水机组的冷水系统进行 变流量运行不会对冷水机组的运行安全产生影响。 综上所述，一次泵变流量系统不会对制冷机的 安全运行产生较大影响，并且随着控制技术的发展， 制冷机允许流量在一定范围内变化。因此，一次泵 变流量系统是可行的。 ②变流量对制冷机ＣＯＰ的影响 在变流量系统中冷水机组的控制需要考虑更多的控 制变量，这些变量分为可控变量和不可控变量。不 可控变量包括冷却水出水温度和冷水回水温度，其 分别和周围环境的湿球温度及建筑物的冷负荷有 关。可控变量又分为离散变量和连续变量，离散变 量是指所运行的冷水机组和水泵的数量，连续变量 是指冷水供水温度、冷却水流量和冷水流量。 综上所述，所有可变因素的合理将会改变 整个空调系统的节能效率。例如，通过增加冷水机 组蒸发器和冷凝器的水流量可以改善冷水机组的运 对于一次泵定流量系统，冷水泵的流量及转速 始终保持不变。对于二次泵系统，在用户侧，二级水 泵变流量运行，在冷热源侧，一级水泵定速运行，冷 热源侧的流量并没有改变。综上所述，只有一次泵 变流量系统的冷热源侧实现了变流量，因此该系统 行状态，水流量的增加可以提高冷水机组的换热效 率，继而提高机组的ＣＯＰ值，但是水流量的增加也 会带来水泵能耗的增加。水泵运行消耗的能量约占 能够降低冷热源侧的水输送能耗。 然而，当蒸发器水侧流量变化时，其总换热热阻 只和冷水流量有关，且成线性关系 ｊ。并且由热力 整个空调系统总能耗量的３０％，因此ＳＣＯＰ值更适 合对一次泵变流量系统运行特点进行评价。即冷水 机组和水泵的最佳运行问题可以转化为最大化 学知识可知，部分负荷下流量的减少会影响制冷机 的效率。 ＳＣＯＰ值问题，一般可采用迭代法、遗传算法等处 理。 综上所述，总换热热阻的增加以及ＣＯＰ值的减 少都将导致制冷机的能耗增大，结果可能会抵消水 泵所节省的能量，使整个系统节能效果不突出，甚至 不节能。 ３应用案例 ３．１工程概况 研究对象为某星级酒店，酒店共４５层，拥有 孟彬彬等人从热力学角度分析了一次泵变流量 运行对冷水机组ＣＯＰ值的影响，得知流量变为设计 流量的６０％，蒸发温度下降不到１℃，ＣＯＰ值降低 的幅度不超过１０％＿３ Ｊ。张谋雄计算模拟了５种不 同运行状态下，冷水机组部分负荷时的耗电量及效 ４７２间客房，空调使用面积超过４×１０ ｎｌ 。其 空调系统投用已逾１０ ａ。制冷部分使用４台离心水 冷式机组、４台定速冷却水泵、４台定速一次冷水泵 及４座冷却塔。高区采用３台二次冷水泵，与一次 水系统通过板式换热器进行热交换。虽然安装了自 率指标，指出冷水变流量对机组效率的影响非常小， 甚至没有影响 Ｊ。李志生等人研究了定流量／变温 差和变流量／定温差条件下冷水流量变化对机组性 能的影响，结果表明，在一定范围内冷水机组制冷量 与冷水流量呈线性关系变化，此时冷水机组的ＣＯＰ 值基本保持稳定 。在冷水机组允许的负荷条件 下，定流量／变温差和变流量／定温差两种控制方式 的平均ＣＯＰ相对误差小于５．１％ 。 动运行所需的电动阀门、传感器和部分电气设施 （楼宇自动化施工未完成），但目前完全人工运行。 供冷期为４月下旬至１０月上旬，通常运行１～ ２台冷水机组，最多为３台。制冷部分年耗电约１５０ ×１０ ｋＷ・ｈ（采用固定电价０．８３ 算，合１２４ ｘ １０ 元）。 ３．２改造方案设计 （ｋＷ・ｈ）汁 改造方案以监测到的冷水供回水温度、冷水流 量作为计算空调系统实时冷负荷的基础，以实时采 综上所述，冷水机组变流量运行时，机组效率下 ・Ａ ２６・ 张振国，等：一次泵变流量系统在空调水系统的应用 第３３卷第２期 集的室内外热环境参数以及各主要用能设备的耗电 量作为空调系统的评价指标，通过建立主要空 调设备如水泵、冷水机组、冷却塔的物理模型，以空 调系统ＳＣＯＰ值最大为目标，实时调节冷水机 组的出力、运行台数及水泵的转速等，实现冷水机组 及水泵等主要空调设备的最优化控制。 ３．３改造方案分析 参考文献： ［１］ 汪训昌．空调冷水系统的沿革与变流量一次泵水系统 的实践［Ｊ］．暖通空调，２００６，３６（７）：３２—４０． ［２］ 董宝春，刘传聚，刘东，等．一次泵／二次泵变流量系统 能耗分析［Ｊ］．暖通空调，２００５，３５（７）：８２—８５． ［３］孟彬彬，朱颖心，林波荣．部分负荷下一次泵水系统变 流量性能研究［Ｊ］．暖通空调，１９９６，２６（３）：２１—２５． ［４］ 孙一坚．空调水系统变流量节能控制［Ｊ］．暖通空调， ２００１，３１（６）：５—７． 有研究者发现，一次泵变流量系统在运行中比 二次泵变流量系统更高效，因为二次泵变流量系统 旁通管的平衡作用会使制冷机使用效率降低 Ｊ。 因此，一次泵变流量系统可以应用于空调水系统的 改造中。本节能改造方案所取得的主要效果如下： ［５］ＧＯＲＤＯＮ Ｊ Ｍ，ＮＧ Ｋ Ｃ，ＣＨＵＡ Ｈ Ｔ，ｅｔ １．Ｈｏｗ ａｖａｒｙｉｎｇ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｃｏｏｌａｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ａｆｆｅｃｔｓ ｃｈｉｌｌｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ： ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，２０（１３）：１１４９ —①通过最大化ＳＣＯＰ值来优化控制空调系统 １１５９． ［６］ 张谋雄．冷水机组变流量的性能［Ｊ］．暖通空调， ２０００，３０（６）：５６—５８． 各用能设备的运行状态，能够实现整个空调系统的 最优化。 ［７］ 李志生，张国强，刘建龙，等．基于冷水量变化的冷水 ②通过采集空调系统各用能设备的能耗可评 机组性能测试与故障诊断［Ｊ］．暖通空调，２００６，３６ （８）：１０８—１１２． 价系统的节能效果，进一步优化控制策略。 ③通过采集空调系统各用能设备的运行状态 ［８］ＹＡＯ Ｙｅ，ＬＩＡＮ Ｚｈｉｗｅｉ，ＨＯＵ Ｚｈｉｊｉａｎ，ｅｔ １．Ｏｐｔａｉｍａｌ ｏｐ— ｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ 参数可及时掌握设备运行状况，使空调设备在安全 运行的前提下实现节能最大化。 ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｍａｌｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，２４ （１６）：２３０３—２３２１． ④所增设的硬件设施主要为各种传感器和执 ［９］ＴＨＯＭＡＳ Ｂ Ｈ．Ｄｅｓｉｇｎ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｈｉｌｌｅｄ—ｗａｔｅｒ ｌｆｏｗ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈｉｌｌｅｒｓ［Ｊ］．ＡＳＨＲＡＥ Ｔｒａｎｓ，１９９６（１０２）：６７９ —行器，因此基本不影响空调用能设备的正常使用，施 工方便。 本节能改造方案的主要费用包括：硬件费用 ３９．１×１０ 元、软件费用２３．６×１０ 元和安装费用 ６８３． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｆｌｏｗ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｇｕｏ，ＺＨＥＮＧ Ｊｉｅ，ＦＥＮＧ Ｘｉｎｙｕ， ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｍｅｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ— １１．２×１０ 元。硬件费用主要包括：站通信设 备、ＤＤＣ设备、传感器及执行器、系统接口的费用。 软件费用主要为根据空调设备型号特点建立物理模 型，并安装调试的费用。安装费用主要为安装线缆 及设备的劳务费用。 ４结论 ｓａｖｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｆｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｏｗ ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｏｉｌ Ｃ０Ｐ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｃｈｉｌｌｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍ ｉｆｓ ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｆｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ— ｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ａ ①通过调节一次泵的转速变流量运行实现系 统节能，具有施工简单、收益高的优点，如果综合考 虑冷水机组等其他用能设备的，可进一步提高 改造效果，因为冷水机组变流量运行时，机组效率下 降幅度并不大。只要水泵的节能效益充分发挥出 ｈｏｔｅｌ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｆｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎ— ｓｔａｎｔ ｐｒｉｍａｒｙ ｆｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ— ｔｉｏｎ；ｃｏｏｌｉｎｇ ＣＯＰ 来，完全可以抵消冷水机组效率降低增加的能耗。 ② 目前，一次泵变流量系统已广泛应用于空 调水系统的改造中，控制技术的发展会不断促进一 次泵变流量系统的发展应用。 作者简介：张振国 ￣１９８６一 ），男，河＝ＩＥ赤城人，硕士生，研 一 究方向为建筑能耗监测与控翩技术。 收稿习期：２０１１—１２一ｌｌ５；修隧日期：２０１２—０２—０５ ・Ａ ２７・
