PDF《中央 空调冷冻 水 系统 设计的演变》

节能技术中央 空调冷冻水系统设计的演变 中国移动通信上海分公 司黄赘孙远摘要:通过 回顾

2 0世纪8(1年代 至今 近30年 间的 中央 空调 冷冻 水 系统设 计 的发展 轨迹,详细阐述 了一 次水泵 、 二 次水泵 定速及 变速 系统原 理,分析 各 个阶段设计 理念 的侧 重点 , 比较 各个时期 设计 方案的优 缺点 最终提 出 目前 可行 的节能 方案 .

关键词 :中央空调 ;

一 次水 泵;

二次 水泵 ;

压 差传感 器 ;

压 力无 关型控 制阀 Th e E v o l u t i o n o f Ch i l l e d W a t e r S y s t e m De s i g n By Hu a n g y u n Su n Yua n Ab s t r a c t :Du r i n g t h e l a s t

3 0 y e a r s ,t h e d e s i gn o f c h i l l e r p l a n t s h a v e s e e n d r a ma t i c c h a n g e s .T h e a r t i c l e c o v e r s t h e i m p r o v e me n t s o f i n c h i l l e r p l a n t s d e s i g n ,t h e r e a s o n wh y e a c h v a r i a t i o n wa s ma d e, t h e c h a l l e n g e s a n d o p p o r t u n i t i e s t h a t we r e pr e s e n t e d and t he r e sul t ar c hi v ed. Ke y wo r d :Ch i l l e r pl a n t ;

P r i ma r y p u mp;

Se c o n d a r y p u mp;

DP T;

PI CV 中央空调冷冻水系统设计从

2 0世纪

8 0年代 至21世纪初经历了数次革新和优化,然而任何革 新的设计并非对以往彻头彻尾的全盘否定 , 而是对 原有的设计作出合理 、 适当的改进, 使得系统运行 地更高效 、 更节能 , 这才是革新的主要任务. 本 文将对 自1988年以来各个阶段 的中央空 调冷冻水系统设计进行简要介绍.为了便于比较, 将1988年的 中央空调冷冻水系统 的安装及运行 费用作为参照基准.比如 : 一套

1 9

8 8年设计的系 统,中央空调机组为

2 4

0 冷1 ~ (

8 8

4 k W) , 安装费用 约为

9 8 l 2万元人 民币( 以2005年价格计算) .而对 相同的大楼制冷需求 ,

1 9

9 0设计的节能型中央空 调机组只需

1 9 2冷吨 (

6 7

5 k W) ,其 中冷机考虑

8 0 %负荷变化不 同时率,安装费用仅为

7 5 . 5万元 人 民币( 以2005年价格计算) . 那么

1 9

9 0年的设计 相对于参照基准 , 中央空调支出下降

2 4 %, 进而使 得总支出减少

1 0 %. 鉴于冷冻进回水温 差 T会 直接影 响水泵耗 能与水泵、 管道的设计参数( 注:Q= c x mx A T .式中Q为能耗 , C为水的比热 , m 为水的总质量 , T为 冷冻水进回水温差) . 为便于分析对比, 假设下面所 介绍的设计方案都能满足冷 冻进 回水温差 T为12℃

1 1

9 8 8年:冷冻水 系统 的一次/ - - 次定速水 泵系统 设计冷冻水系统的一次/ 二次定速水泵系统设计示 意 图见 图1.【作者 简介】黄赘,】977年 出生 ,

2 0

0 0 年 同济 大学 暖通专业 毕业,2007年 同济 大学动力x-程硕士毕 业.工作 单位:上海移动通 信公司,从事通信 配电以及 通信 楼宇空调 自控 X - 作.孙远 ,

1 9

8 3年 出生,

2 0

0 5年上海海事 大学 电气 自动化专业毕业 ,

2 0

0 7年北京大学经济管理 学士. Z - . 作单位:上海移动通 信公司, 从事通信 动力系统 数据 分析z-作.48一SANGHA![fE.Y维普资讯 http://www.cqvip.com 节能技术图1中, 三通控制阀以及限流开关可控制末端 盘管的流量 以满足制冷需要. 当末端制冷需求变小 时, 冷冻水由旁路进入 回水管. 对该系统评估如下 : o安装费用: 基准 系数

1 .

0 ( 参照

1 9

8 8年)o运行费用: 基准系数

1 .

0 ( 参照

1 9

8 8年)O系统优点: 设计简单 , 易于控制 , 运行安全 .系统缺点: 由于所有水泵、 制冷机组 、 管路的 设计参考均为峰值 , 故大楼内的制冷负荷变动时会 存在潜在混合点而使 T偏小( 注:在一次水泵定 速的前提下 , 由于制冷量输 出不变 , 当负载端需求 变J J ~ D ?, 多余的制冷量与回路水流会在潜在混合点 发生混合作用从而使 T偏小.) ;

一方面使得冷机 运行效率下降 , 另一方面制冷需求下降时而不能有 效减少系统运行能耗.

2 1

9 9 0年 :冷 冻水 系统 的一次定速 、 二次 变速 水泵 系 统设 计 冷冻水系统 的一次定 速、 二次变速水泵系统设计 示意 图见 图2.如图 2所示 ,在该设 计中, 末端盘管设置有两通 阀和 限流开 关,二次水 泵设计为可根据末端制 冷需求 而调节转速.对于 变化的 制冷需求, 水泵变速运行显 然更 为高效.理论上 , 水泵 若以50%流 量50%转 速运 行,则消耗 的能量仅为全速 运行的(

3 0而在实 际运 I - 用中, 该设计的节能效果并 不十分显著.原因在于一 套选型合理 的制冷 系统每 年大约需要全负荷运行

5 0 小时,部分负荷工况下 ,制冷系统只需运行

1 5

0 0 小时( 大约 2个月) 即可.从上述设计思路来看 , 节 能潜力有限. 而该设计主要节能思路是通过选用较低设计 容量 的设备 以降低能耗.在1988年的设计 中, 制 冷机组制冷量满足 各节点峰值累加 , 但该设计忽 略了负载的不同时率. 太阳的位置变化会影响一幢 楼宇的热负载变化 : 早晨 , 楼宇东侧会 受到太阳负 载的影响;

而南侧和西侧会在下午受到影响.这就 好比在楼宇内部 , 各个 负载对制冷需求不在 同一时 刻.通常 , 负荷变化不同时率 为80%, 这意味着楼 宇实际峰值低于

8 0 %各节点峰值累加值 ,甚至更 低. 大型楼宇通常配备大型集会场所, 如礼堂 , 体育 场馆 , 这会使得 负载变化不同时率降至

7 0 %. 对该系统的评估如下 : 安装费用: 基准系数

0 .

9 ( 参照

1 9

8 8年)图1冷冻水系统 的 一次/ -次定速水泵系统 设计(1988年 ) 图2冷冻水 系统 的一 次定速、二次 变速水泵系统 设计 (

1 9

9 0年)GHA . I E N E R G Y i

9 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 节能技术O运行费用: 基准系数

0 .

9 5 ( 参照

1 9

8 8年)O投入回报周期 : 半年 O 系统优点 : 节能运行、 设计选型中考虑选择 较小的设备设计容量 O 系统缺点 : 控制较为复杂 , 低 T将带来高 流量问题 , 从而影响节能效果.

3 1

9 9 3年:去除流量 限制的设计 作为1990年设计的优化 ,去除流量限制控制 虽然不算是很大的改动, 但收效甚大. 系统中冷冻水 机组经重新调整可满足新系统的运行 ,但冷冻水流 量需扩大

1 0 %.通常, 限流开关的作用是平衡系统 内流量 , 并在一定程度上替代流量控制阀. 当流量控 制阀故障开启,限流开关可隔离该故障对系统的;

中击.而去除限流开关, 只要流量控制阀正常运行 , 那 么可 使水泵在扬程降低

2 .

1 3 m 同时 获得 额外21.8m3 / h 水流量. 对该系统的评估如下 : O安装费用: 基准系数

0 .

8 9 ( 参照

1 9

8 8年)O运行费用: 基准系数

0 .

9 4

3 ( 参照

1 9

8 8年)O投入回报周期: 半年 O系统优点 : 降低水泵 能耗 , 降低运行费用 O系统缺点 : 增加系统 风险 , 流量 控制 阀变 为关键 节点41996年 :一次 泵变速 系统设计 一 次泵变速系统设计 示意 图见 图3.一次泵变速设计是大 势所趋.原本的定速设计, 是为了提供恒定流量 以保 证制冷机组运行安全.而n_0璃.uM.8新型制冷机在流量控制方面已大为革新 , 毋需恒定 流量 , 只需提供最小运行流量 即可安全运行. 该设计新增了隔离 阀、流量计一 流量控制 阀. 流量计用于监控流量 , 并反馈至流量控制阀.流量 控制阀可根据制冷机数量设置最小运行流量 , 以保 证制冷机的安全运行. 将原先定速水泵设计进行改 进,使用隔离 阀、 流量控制和变速水泵 , 可解决低 T问题 , 这使得系统整体节能效果凸显. 对该系统的评估如下: O安装费用: 基准系数

0 .

8 6

7 ( 参照

1 9

8 8年)O运行费用: 基准系数

0 .

9 3

7 ( 参照

1 9

8 8年)O投入 回报 周期 : 半年 O系统优点: 降低初投资支出、 降低运行费用、 突破低 T瓶颈 系统缺点 : 控制复杂 图8一次泵变速 系统 设计 (

1 9

9 6年)图4一次泵变速系统 的优 化设 计(1997年 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com 节能技术51997年 : 一 次泵 变速 系统 的优化 一 次泵变速系统 的优化设计示意图见图

4 . 对1996年设计的优化措施 为: 为提高流量监 控的精确度 , 将流量计改为压差传感器( D P T ) , 侦测 制冷机两端压差. 对该系统的评估如下: o安装费用: 基准系数

0 .

8 6

4 ( 参照

1 9

8 8年)o运行费用 : 基准系数

0 .

9 3

7 ( 参照

1 9

8 8年)O投入回报周期: 半年 .系统优点: 系统运行可靠性提高 .系统缺点: 无61999年 : 一 次泵 变速 系统 的再 次优化 一次泵变速 系统 的 二次优化 设计 示意 图见 图5.在制冷 系统运行过程 中, 负载激增对系统稳定 性影响很大.在正常运行时, 一个大型负载的启动 会瞬时增大制冷需求.这时, 若流量控制阀控制不 良、 延迟或水泵加速延迟 , 会造成制冷机组瞬时流 量不足 , 导致冷机宕机. 最初解决方案为缓慢开启和 关闭大型负载 的 流量控制阀, 避免负载瞬时剧变. 在 日后实践中, 引入石油工业中使 用 的压 力无 关型 流量控制阀(PICV).该 阀安装在制冷机组进水 口, 能根据压 力 变化立即调节开启度 ,保证制冷机组流量恒定 , 使 得系统稳定性提高. 对该系统 的评估如下 : o安装费用 : 基准系数

0 .

8 6

5 ( 参照

1 9

8 8年,比起

1 9

9 7年的优化略有上升 ) o运行费用 : 基准系数

0 ,

9 3

7 ( 参照

1 9

8 8年)o投入 回报周期 : 投入 无回报 , 但是极大提高 系统稳定性. 图5一次泵变速 系统二次优化设计 (

1 9

9 9年)图6一次泵变速 系统 第三次优化设计 (

2 0

0 2年)o系统优点 : 可靠性 进一步提高 .系统缺点 : 安装费 用略有上升

7 2

0 0

1 ~

2 0

0 2年 :一 次泵变速系统 的第三次优化一次泵 变速 系统 的第三次优化设 计示意 图见图6.此次优化 , 首先将压 差传感器( DP T ) 并联在末 端设备控制阀上. DP T位 置的调整使得 变速控制 更加精确 , 进而使得水泵 运行更加节能. 其次 , 将末端设备的 控制 阀更新 为压 力无关 型控制阀 ( P I C V ) .P I C V 的引入, 能更加精确地控 … … GHAI ENERGY 维普资讯 http://www.cqvip.com 节能技术图7专用热 回收冷 水机组的引入(2003年 l 制末端设备的流量,使得系统 T接近设计值 , 运 行更加高效. 唯一不足是 , P I C V的价格比起传统控 制阀至少贵

5 0 %,但 日后的节能效果将表现出它 应有的价值. 对该系统的评估如下: o安装费用: 基准系数

0 .

8 7

2 ( 参照

1 9

8 8年)o运行费用: 基准系数

0 .

9 ( 参照

1 9

8 8年)O投入回报周期 : 6年 O系统优点: 精确控制 , 更加节能 , 更加可靠 O系统缺点: 安装费用有所上升

8 2

0 0 3年:专用热回收冷水机组的引入引入专用热回收冷水机组的设计示意图见图

7 . 热回收机组的引入 , 并非要替代原先在用的制 冷系统 , 而是出于环境保 护方面的考虑 , 用于控制 湿度 、 减少温室气体排放以及能量回收运用.如图 所示 , 制冷机旁路前是最理想的热回收点, 因此热 回收机组安装在这点上. 尽管该装置称为 冷水机组 , 但它在夏季主要 用于制热, 制冷则是其副产 品;

而冬季则相反. 一般 空调系统通过换向阀来实现夏季制冷而冬季制热. 热回收机组则通过控制参数来实........