空调水系统备用泵的优化设计探讨

一  概述
     空调系统中水泵是一个重要的铺助设备，它直接关系到整个系统能否正常运行。虽然水泵在初投资中所占比例很小，但水泵的能耗较大，文献[1]指出:“大型公共建筑供暖空调电力消耗中,60 %～70 %由输送和分配冷量热量的风机水泵所消耗。……,而这部分电耗有可能降低60 %～70 %”。常规设计中，水泵及相关空调设备的选型都按最不利工况进行，但由于空调系统冷热负荷随室外气象条件、使用特点的变化而变化的，因此空调系统在大部分时间内工作于部分负荷状态。一般来说，空调冷水机组随着冷负荷的变化可以进行调节，达到节能的目的，而对于空调水泵的设计选配，目前工程实例中多以能耗为代价采用节流方法调节流量，造成电能的浪费。
二  给定管路的流量与阻力分析
     对于给定的管路，在流量变化时其阻力与流量的平方成正比，如下式：
     h1/h2=q12/q22 (1)
     在空调工程设计中，空调水泵的流量按最大负荷所需的流量确定，扬程h一般按下式选取：
     h=ha+hb+hc+hd (2)
     其中：ha表示冷水机组的阻力;
     hb表示制冷站内分支管路的阻力;
     hc表示制冷站以外管网的阻力;
     hd表示空调末端设备的阻力;
     下面我们分析当运行流量为设计流量的一半时所需的水泵扬程h’。为保证制冷主机的流量并正常运行，制冷主机与水泵通常为一对一设置，因而可近似认为制冷站内分支管路的阻力和主机的阻力不变，而外管网和末端设备的阻力按流量的平方关系变化，因此可得下式：
     h’=ha+hb+1/4(hc+hd) (3)
     根据以上分析，实际工程中当运行流量为设计流量的一半时，所要求的水泵扬程将大大小于设计选定的水泵扬程。
三  目前工程中降低水泵运行能耗的几种方式
3.1 对水泵实行变频运行
     采用变频技术对水泵进行无级调速是一种行之有效的节能措施。在水泵变速运行中，水泵转速n、流量q、扬程h和功率n满足以下关系：
     h/h1=(n/n1)2, n/n1=(n/n1)3,q/q1=n/n1
     故：n/n1=(q/q1)3
     上式可看出，转速下降1/2，功率可下降为原来的1/8，从理论上说水泵变速运行稳定且节电效果好。但在实际工程中，由于转速下降的同时，水泵流量相应下降，水泵扬程则按平方关系下降，而空调水系统的管网特性限制了扬程的变化范围，且冷水机组对流量也有一定的要求，这些都限制了水泵转速的调节范围，再加上变频装置费用较高，所以在目前实际工程中运用有一定的局限性，且变频调速装置对其他设备也有一定的干扰。
3.2 采用二级泵系统
     二级泵系统主要在负荷侧和冷源侧分别设置水泵，其一级泵环路(即冷源侧)为定流量运行，保证了冷水机组蒸发器流量恒定，在二级泵环路(即负荷侧)采用变流量运行，一般采用台数控制或变频控制。可见，一级泵环路并不节能，但二级泵水系统节能效果显著。由于本系统增加了空调水系统的复杂性及初投资，更适用于阻力较高且各环路负荷特性和阻力相差悬殊的大型空调系统。
四  大小泵匹配系统探讨
     由于目前国内大量中小型工程仍采用定流量水系统，按常规水泵选配设计思路，一般是多台相同的水泵并联，其中一台备用。本文拟从备用泵入手，探讨当制冷主机采用两台时，如何设置备用泵，使系统运行更加节能。提出了以下三个方案，其中方案1为常规方案，方案2、3为大小泵匹配运行方案。
     方案一:选用3台型号相同的水泵，2用1备。按照一台冷水机组的流量和两台水泵同时运行的管网阻力选型。
     方案二:选用2台大泵和一台小泵，大泵按照一台冷水机组的流量和两台水泵同时运行的管网阻力选型，小泵按一台冷水机组运行时的流量及相应的管网阻力选型。负荷较大时开启2台大泵;当负荷较小时开启一台小泵。
     方案三:选用2台大泵和一台小泵，其中一台大泵作为备用，大泵按照两台冷水机组同时运行的流量及相应的管网阻力选型，小泵按照一台冷水机组运行时的流量及相应的管网阻力选型。
4.1 三种方案运行模式及优缺点比较
4.1.1 方案一(常规方案)
     方案一(如图1所示)是目前普遍采用的设计方法，即冷冻水泵选3台同型号的水泵，2用1备。在设计工况下，两台水泵同时工作，水泵工作点在点0;当负荷较小时(需冷量小于50%设计冷量时)，只需运行一台冷机及相应的水泵，此时整个管网的特性曲线由设计工况下的gz变成gz1，单台水泵的实际工作点为点1，此时系统水流量q1大于单台泵设计流量q，水泵处在超流量状态，水泵耗电量也将大于设计点电耗。由于实际要求的水泵工作点为点3(流量为q，阻力为h2)，为防止水泵电动机过载或出于节能考虑，往往在停开一台泵后，通过对水泵节流使其在点3’工作。很明显从3’节流到3额外增加了水力损失，导致轴功率增加，长期运行会浪费大量能量。故本方案两台同型号水泵并联系统，当其中一台水泵工作时，水泵运行的能量利用率低，运行费用高。
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4.1.2 方案二
     设计工况时运行模式同方案一(特性曲线见图1)，即2台大泵并联运行，水泵工作点在点0。部分负荷时，只有一台冷水机组及相应的水泵运行，从前文分析可知，所要求的水泵工作点为点3，因此，选用一台特性曲线为ⅲ的小泵，流量为q，扬程为h2，与单台大泵运行比较，可以减少从点3’节流至点3的损失。此方案的缺点在于设计工况下大泵无备用，由于空调系统只有极少数时间在满负荷状态运行，如果此时一台大泵因故障无法开启，则可考虑另一台大泵和小泵联合运行，仍可为系统提供一定的冷量。
4.1.3 方案三
     即选择一台大泵，为了比较的方便，假设其性能曲线恰为图1中曲线ⅰ,设计工况时仅运行此泵，工作点为点0。部分负荷时，运行特性曲线为ⅲ的小泵。
4.2 三种方案水泵能耗比较
     下面以某实际工程为例进行计算，比较三种方案下水泵的能耗。该工程位于北京，总建筑面积2.1万平米，主要为旅馆、综合服务楼等。根据计算，设计日峰值冷负荷为2100kw，主机选用两台制冷量为1103 kw的制冷机组并联运行。冷冻水、冷却水系统均采用定流量运行。本文在考虑流量变化满足部分负荷要求时，只对冷冻水泵的能耗进行计算，而冷却水侧的分析不做研究。
     空调水系统阻力分布如下：两台冷水机组同时运行时，冷水机组阻力为8mh2o，机房内管道阀门总阻力为4 mh2o，外管网阻力8 mh2o，空调末端阻力5 mh2o，系统总阻力为25 mh2o。根据公式(3)，单台冷水机组运行时，系统阻力约15 mh2o。各方案水泵选型下表。
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北京地区部分旅馆建筑的冷负荷时间频数表如表2所示，其全年空调总小时数为3000h。
表2 北京地区部分旅馆全年空调冷负荷时间频数表
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不同的负荷百分数下，三种方案的水泵耗电量比较见图2。图中可看出，方案二、方案三在不同负荷百分数下的水泵耗电量均低于方案一，说明大小泵匹配的方式，能避免常规方案中水泵负荷调节性差的弊端。当运行负荷大于50%设计负荷时，方案二的耗电量明显低于方案三，故综合比较方案二最省电。
     将不同负荷百分数下的水泵耗电量累加，得到三种方案水泵总耗电量，见表3。可以看出，相比常规方案，方案二每年仅夏季运行就可节电23%，而且还可减少系统初投资和机房占地面积，是切实可行且经济实用的。
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4.3 单位水泵电力消耗所输送的冷量比较
     将水循环所输送的显热交换量(kw)与所选配的水泵电机的额定功率(kw)相比，即系统单位水泵电力消耗所输送的冷量，它是检验系统水泵选择是否经济合理的指标。三种方案比较(图3)可看出，方案二合理设置了备用泵，采用大小泵匹配的运行模式，在不同的负荷百分率下，该指标均高于其他方案，故其系统运行经济性最好。
五  结论
     5.1 大小泵匹配的方案是节约能源切实可行的方法，简单、效果显著，对于中小型空调冷源系统十分适用。在设计时应计算分析管网特性和负荷特性，正确选用水泵的流量和扬程。
     5.2 空调水系统采用大小泵匹配运行，对于不同的方案节电幅度也不尽相同，它往往受到设备选型局限性的影响，并与空调负荷时间频率有关。
     5.3 暖通空调工程的节能是目前十分突出的问题，这就要求设计师在对空调系统进行设计时，既要满足最不利点工况需求，又要充分考虑工程各方面的特点及运行方式，使空调系统工作效率最大化。
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