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。關鍵詞 輸送系數(shù) 冷凍水 現(xiàn)場實測 分項計量1 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

2、統(tǒng)）是最重要和最關鍵的環(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)輸送能耗的基礎平臺。GB/T17981-2000空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟

3、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)輸送效能的關鍵指標，其準確定義、測算方法和意義也受到了廣泛關注。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（包括冷凍水系統(tǒng)的一次泵

4、、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： 公式1式中：冷凍水輸送系數(shù)；冷凍水泵總能耗，單位為千瓦時（kWh）；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、冷機冷凍側水流量和冷機冷凍側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

5、盡相同。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。比如水泵功率可以通過電功率計測量得到，冷凍側水流量可以使用超聲波流量計測得，而冷凍側進出口溫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，單點測試具有較大的隨機誤差，得到的也只是瞬時值。在沒有確切數(shù)學模型的條件下，很難將瞬時值推廣到全年累計工況。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

6、量系統(tǒng)。系統(tǒng)可以得到全年逐時的水泵功率值、冷機冷凍側進出口溫度和冷凍側流量。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，應根據(jù)實際需要選擇。3 實測結果圖 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O、S等5座公共建筑進行了現(xiàn)場測試，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

7、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)濟運行標準規(guī)定：若用于全年累計工況的評價，該指標的限值為30；用于典

8、型工況的評價，該指標的限值為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。導致冷凍水輸送系數(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，滿足設計標準的工況非常少，冷凍水供回水溫差集中分布在3.8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

9、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閉部分閥門調(diào)整水泵工作點的現(xiàn)象，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

10、泵揚程為42.5m,而末端用戶側的阻力就有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。圖 4 建筑M冷凍水路壓力圖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，原因就是水泵的實際工作點偏離了設計工作點，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計選型偏大，具體可表現(xiàn)為工作點較設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計值相符，則會造成水泵的工作點右偏，實際流量大于設計流量，不僅使水泵效率降低，同時會導致“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，實際揚程大于設計揚程，導致水泵效率降低，電耗浪費嚴重。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)值在8.538.0之