中央空调变频定压变水量系统是不节能的

1 常规的定压变流量系统 常规的定压变流量系统是中央空调系统中最常 用的( 流程图如图 1 ) 。以集分水器为界限， 在集分水器 右侧的空调水系统为定压变流量系统， 在集分水器左 侧的冷机水系统为定压定流量系统。在集分水器之 间， 设计有一个旁通管， 旁通管上安装有电动双通阀 Ve1 。随着大楼负荷的变化，调节旁通管中流量的大 小， 跟踪控制集分水器之间压差 P恒定。而保持集 分水器之间压差 P恒定的目的是为了保证各个末 端负荷变化调节控制阀开度时不互相干扰， 这和市电 保持 2 2 0 V基本恒定， 一个用电器的开或关， 而不影响 另一个用电器使用情况的道理相同。 图 1 常规定压变流量系统流程图 在这种空调水系统中， 所有末端的靠某种温度控 制的电动双通阀或电动双通调节阀， 它们的总合作 图 2 当量定压变流量系统示意图 用， 相当于一个设置在总水管道上大的电动双通调节 阀 V e ( 如图 2 所示) 。当大楼负荷变化时， 调节电动双 通调节阀 V e 的开度， 改变管道系统阻力， 从而改变系 统水流量， 跟踪大楼负荷的变化， 使输入到空调末端 中的水流量， 和大楼负荷的变化相适应， 这表现为各 个末端的回水温度基本恒定。大楼总负荷由大楼 水侧的能量方程( 1 ) 描绘： ( 1 ) 式中： 大楼总负荷， k W； Ls大楼空调水系统流量， k G / s ； Cp水的定压比热， k J / k G； t s w 1系统供水温度， ； t s w 2系统回水温度， 。 K大楼围护结构传热系数， W/ m 2； F 大楼围护结构总面积， m 2 ； 中央空调变频定压变水量系统是不节能的 曹琦 ( 西安交通大学， 陕西西安7 1 0 0 4 9 ) 摘要： 变频定压变流量节能系统是中央空调系统中应用最广的节能系统。然而它是不节能的， 业界对此没有清楚的认识， 只是错误地 认为变频水泵或风机在定压变流量系统运行时的能耗也和转速的三次方成正比。从理论上证明了定压变流量节能系统为什么 不节能。要根本改变变频节能的现状， 必须改变治水的理念。 关键词： 变水量； 相似原理； 节能； 治水理念 中图分类号： T U 8 3 1文献标志码： A文章编号： 1 6 7 3 - 7 2 3 7 ( 2 0 0 7 ) 0 1 - 0 0 4 3 - 0 5 T h eC o n s t a n t P r e s s u r eV WVS y s t e m o f C e n t r a l A i r C o n d i t i o n i n gi s N o t S a v i n gE n e r g y C A OQ i ( X i a n J i a o - t o n g U n i v e r s i t y , X i a n 7 1 0 0 4 9 , C h i n a ) A b s t r a c t : E n e r g y - s a v i n gs y s t e mo f t h e c o n s t a n t p r e s s u r e V WVi nc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n gi s t h em o s t e x t e n s i v ea p p l i c a t i o ns y s t e mo f s a v i n ge n e r g y . B u t i t i sn o t s a v i n ge n e r g y . T h ep e o p l eo fA Cd o m a i nh a v e n t b e e nw e l l - k n o w nf o rt h a t , j u s t c o n s i d e rt h a t t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no f i n v e r t i n gp u m po r f a ni s d i r e c t r a t i ot ot h r i c ep o w e r o f r o t a t es p e e do f p u m po r f a ni ne r r o r . T h er e a s o nt h a tt h ec o n s t a n t p r e s s u r e V WVs y s t e mi s n o t s a v i n g e n e r g y h a s b e e n p r o v e d i n t h e o r y . I n o r d e r t o c h a n g e r a d i c a l l y t h e a c t u a l i t y o f i n v e r t i n g s a v i n g e n e r g y , t h e c o n c e p t o f c o n t r o l l i n g w a t e r m u s t b e c h a n g e d . K e ywo r d s : V WV ; s i m i l a r t h e o r y ; e n e r g y - s a v i n g ; c o n c e p t o f c o n t r o l l i n g w a t e r 收稿日期： 2 0 0 6 - 1 1 - 2 7 空 调 节 能 A I R - C O N D I T I O N I N GE N E R G Y - S A V I N G 建 筑 节 能 2 0 0 7年第1期(总第3 5卷第1 9 1期) N o . 1i n2 0 0 7( T o t a lN o . 1 9 1,V o l . 3 5 ) 4 3 t o A室外空气温度， ； t i A室内空气温度， 。 由公式( 1 ) 可以看出， 对于定压变流量系统， 因为 供回水温度差( t s w 2- ts w 1) 基本恒定， 靠的是改变各个空 调末端调节阀的开度控制系统的水流量 Ls来跟踪大 楼总负荷的变化。下面分析空调系统运行时在调 节阀上消耗的水泵输送动力。 在定压变流量的水系统中， 根据电动双通调节阀 的选择原理， 要得到比较好地调节效果， 调节阀的阀 权系数应当在 SV e= 0 . 7 0 . 3 ， 如果选择 SV e= 0 . 5 ， 则在设 计负荷即系统的最大负荷工况时， 调节阀上的压降是 供回水总管之间的压差 P的 5 0 %， 也就是说， 在设 计工况约有 5 0 %的水泵输送动力消耗在调节阀上。 如果系统在时均负荷率( 负荷率为 5 9 %) 时， 计 算调节阀上的压降是供回水总管之间的压差 P 的 8 2 . 6 % ， 末端和管道上的压降为 1 7 . 4 %， 也就是 说在时均工况竟有 8 2 . 6 %的水泵输送动力消耗在调 节阀上。 以上分析计算是在空调系统的容量、 水泵的容量 选取恰好等于大楼的最大负荷情况下进行的。 目前业 界选取水泵的方法有三重保险， 理论和实践都证明水 泵容量比实际需要的容量至少大 3 0 %。 如果考虑到现 实的这种情况， 在大楼时均负荷率 5 9 %时， 调节阀上 的实际压降至少是 P的 8 9 . 7 %， 末端和管道上的压 降仅为 1 0 . 3 %，也就是说在实际的时均负荷工况， 要 有 8 9 . 7 %的水泵输送动力消耗在调节阀上。这说明空 调系统在运行中水泵的输送动力， 绝大部分是消耗在 调节阀上的。分析现在空调水系统设计， 采用的是堵 塞治水的理念，而不是大禹治水采用疏导的理念， 因 此， 得到的节能效果很差。 在常规的定压变流量空调水系统中， 系统水泵是 处在定压定流量状态下工作的。水泵总功耗 Wp t表达 式如公式( 2 ) ： ( 2 ) 式中： Wp t水泵总的输入功率， k W； Wp e水泵的有效功， k W； p水泵的轴效率， %； m水泵电机效率， %。 由如公式( 2 ) 可以看出， 对于定压变流量系统， 水 泵的总功耗 Wp t和( L/ p m) 成正比。而绝对不是 和转速的三次方成正比。 图 3 是水泵实际工况点分析 图， 从图上可以看出， 如果实际选择的水泵工况点是 A0， 对应的管路阻力特性曲线是 R0， 流量是 L0。可实 际需要的流量是 L1， 正确的水力平衡调节方法必须是 用水泵出口隔离阀把管路阻力特性曲线调整到 R1， 水 图 3 水泵实际工况点分析图 泵的工况点在 A1， 但系统的恒定的压力应该是 P 1 s， 那么水泵出口隔离阀上的压力降( P 1 0- P1 s) ， 就白 白地消耗了水泵的输送动力。 这时由于水泵的实际工 况点 A1偏离了水泵设计工况点 A0，水泵的效率和电 机的效率均比设计的工况点低。从公式( 2 ) 可以看出， 水泵在实际额定水量运行时，本身就处在低效率、 高 能耗状态。这种分析， 也适用于多台并联的水泵的定 压变流量水系统。在实际变工况运行时， 维持系统压 力 P 1 s恒定是靠调节旁通水量大小的方法达到的。 当负荷减小时， 在冷机侧水系统表现在冷机进出口温 度差减小， 水泵处在大流量、 小温差、 低效率状态下运 行。更有甚者， 温度差只有 1 3 1 。这点可以从冷 机侧水系统能量方程( 3 ) 可以很清楚地看出： ( 3 ) 式中： L c h冷机水系统流量， k G / s ； t c h w1冷机进水温度， ； t c h w2冷机出水温度， 。 其他符号同公式( 1 ) 。 由公式( 3 ) 可以看出， 在冷机水系统， 由于冷机水 系统流量 L c h是恒定的，靠的是改变旁通调节阀的开 度控制旁通水量改变冷机回水温度 t c h w1即改变冷机 冷水的进出口温度差( t c h w1- tc h w2) 来跟踪大楼总负荷 的变化， 冷机也根据设定的出水温度变化， 自动调 整出力， 以与大楼的负荷相适应。 冷机侧水系统为定压定流量系统， 是因为老型号 的冷机， 厂家为了冷机运行的安全， 规定不允许蒸发 器的流量变化所致。 由于常规的定压变流量系统绝大部分水泵输送 动力消耗在调节阀上， 因此， 是不节能的。 且随着电力 电子技术的飞速发展， 变频器的价位已经下降到普通 用户可以接受的程度， 于是很自然地就推出了变频定 压变流量系统， 幻想达到节能的效果。 2 变频定压变流量系统 变频定压变流量系统是变频节能空调系统中应 用最为广泛的( 流程图如图 4 所示) 。 从图 4 可以看出， 集分水器之间的旁通管给去掉 了， 代之以变频调速的水泵 P 1， 同时随着冷机技术的 进步，已经允许蒸发器流量可以在额定流量的 6 0 % 4 4 1 0 0 %范围内变化 2 ， 因此， 冷机水系统也变成了变频 定压变流量系统， 这时变频水泵跟踪控制的是集分 水器之间压差 P 恒定。 水系统中的其他部分的结构 仍旧和常规的定压变流量系统相同， 而且变频定压变 流量节能系统治水的理念也没有改变， 这和常规的定 压变流量系统节能状况相同，并没有本质的变化， 也 是不节能的。这点可以从下节的计算结果来证明。 图 4 常用变频定压变流量系统流程图 现在的文献和手册中有一种说法，不论什么类型 变频变流量水系统， 一用上变频器， 水泵的功耗就和转 速的三次方成正比， 这只是想象。 这种说法在理论上是 站不住脚的， 在实践上也不可能有案例来证明。 因为对 于压力恒定的定压变流量系统中是无论如何也得不出 水泵的扬程和转速的二次方成正比的结果，而水泵的 总功耗的计算如公式( 7 ) 所示， 是先有扬程和转速的二 次方成正比，才可以推导出功率和三次方成正比的关 系， 而这只有在全相似的工况才能成立。 至于有的案例 用了变频器的变频定压变水量系统有显著节能的效 果，仔细分析只是掩饰了水泵容量选择过大这一设计 毛病的结果， 节能治水的理念并没有根本地改变， 节能 效果只是稍有显现， 不可能有根本的转变。 图 5 变频掩饰水泵过大分析图 图 5 是变频掩饰水泵选择过大分析图。 在设计中选择 的水泵工况点是 A0， 它的压力 P0和流量 L0都比空 调系统实际需求的压力 P1 s、 流量 L1 0都大， 因此， 将变频器的频率由 n0下降到 n1 0， 变频水泵的实际设 计运行工况点为 A1 0， 变频水泵在设计流量工况点 A1 0 节省的功率可以由公式( 4 ) 计算： ( 4 ) 流量的关系由公式( 5 ) 计算 ( 5 ) 由公式( 4 ) 、 ( 5 ) 可以看出， 选择的水泵裕度越大， 变 频“ 遮丑” 节能的作用越强， 但“ 遮丑” 并不能改变水泵 不节能运行的实质，水泵仍旧处在大马拉小车的低效 能运行状况， 虽然比传统的定压变流量系统节能一些。 在变工况， 水系统的流量随大楼负荷的变化靠控 制调节阀的开度变化而变化。 在图 5 上这个过程就是 调节阀把水系统的阻力由 R0调整到 R1来控制水量， 变频水泵由转速 n1 0变化到转速 n1 1， 工况点由 A1 0变 化到 A1 1以维持系统的压力 P 1 s不变， 系统的流量变 化到 L 1 1。 以上分析， 适用于并联运行的水泵都是变频的水 系统结构情况。 对于常用的“ 一变多定” 水系统构成方案， 变频水 泵没有“ 遮丑” 节能的效果。 因为， 根据水泵并联原理， 并联水泵的扬程必须是相同的， 额定流量比实际设计 流量小的定频水泵和在额定频率的变频水泵， 在正确 的水系统水力平衡调节时， 首先是调节并联的每台水 泵出口隔离阀的开度， 使通过每台水泵的流量， 等于 设计流量， 也就是如图 3 上， 把每台水泵的工况点由 A0调节到 A1，每台水泵出口隔离阀的压降( P 1 0 - P 1 s) 是每台水泵必须克服的阻力。一台变频水泵跟 踪控制的水系统的压差 P 1 s恒定，而变频水泵的工 况点是沿着公式( 6 ) 描述的、 如图 6上 Wp曲线运行 的： ( 6 ) 式中： Pi n p变频水泵变工况的扬程， P a ； P1 s水系统维持恒定的压差， P a ； SV水力平衡调整好后的变频水泵出口隔离 阀综合阻力系数； Li n p变频水泵变工况的流量， m 3 / s 。 图 6 一变多定变频水泵工况分析图 变工况时( 如图 6 所示) ， 随负荷的变化， 电动阀开 度变化使一台变频水泵系统阻力特性曲线由 R1变化 到 R2， 变频水泵流量变化到 L1 1， 变频水泵的工况点 在 A1 1， 扬程是 P1 1， 转速是 n1 1， 变频水泵出口隔离 阀上的压降为( P1 1- P 1 s) 。 由于 A1 1点不和 A1 0点相 似， 在水泵的特性曲线图 7 上可以看出， 由于随着流 量的减小， 水泵的效率也下降， 轴功率也下降， 并且流 量减小的越多， 水泵的效率越低， 功率越小， 同时电机 4 5 的效率越低， 所以对于一变多定的定压变流量空调水 系统， 随着负荷的减小， 变频水泵效率的降低、 水泵绝 大部分动力消耗在调节阀上以及水泵出口隔离阀上 附加消耗动力， 都造成了一变多定的定压变流量空调 水系统低效能地运行， 因此， 系统是不节能的。 3 变频定压变流量系统变工况能耗计算分析 图 7 格兰富N B5 0 - 1 2 5 n0= 2 9 0 0 r p m 水泵性能 图 7 是空调水系统中最常用的丹麦格兰富公司 N B5 0 - 1 2 5 型， n0= 2 9 0 0 r p m的水泵性能曲线。如果设 计的水泵和管道阻力特性相匹配， 则水泵的设计工况 点为： 扬程： P= 2 1 . 8 m H2O ； 流量： L=8 4 m 3 / h ；效率： p 0=7 6 . 7 %； 轴功率： Ws= 6 . 6 k W。 水泵在额定转速各个工况点的性能如表 1 所示。 表 1 水泵性能图表 对于定压变流量系统，如果压力定在 P= 2 1 . 8 m H2O 。 水泵的总输入功率由公式( 7 ) 计算： ( 7 ) 式中： Wp t水泵总的输入功率， k W； Wp e 0额定转速水泵的有效功， k W； p水泵的轴效率， %； m水泵电机效率， %； i n水泵电机变频器的效率， %。 从公式( 7 ) 可以看出， 变频水泵节能系统， 是一个 能量传递链， 它是通过变频器、 电动机和水泵把电能 转换为水压力能的， 最终把水携带的冷( 热) 量输送到 各个末端。 水泵的有效功 We 0由公式( 8 ) 计算： ( 8 ) 式中： We 0水泵的有效功， k W； P 水泵的扬程， m H2O ； L水泵的流量， m 3 / h 。 在定压变流量系统变工况时水泵的性能， 用相似 理论计算结果如表 2 所示。从计算结果可以看出， 定 压变流量系统中水泵的工况和水泵设计点的工况是 不相似的， 这主要表现在， 在不同的恒压工况点的效 率是不同的。从相似理论知道， 水泵的轴效率也是一 个无因次相似准则数， 相似工况点水泵的轴效率是相 等的。如果水泵设计工况在高效工作区， 那在变工况 就可能走出高效工作区， 偏离设计工况点越大， 水泵 效率越低， 就越不节能。 表 2 定压变流量系统的变工况时水泵的性能表 综上所述， 现在常用的定压变频变水量系统存在 3 个问题： ( 1 ) 定压变频变流量系统水泵的输送动力绝大部 分消耗在调节阀上， 在时均负荷， 调节阀上要消耗水 泵输送动力的 8 2 . 6 %， 这是用“ 堵塞” 而不是用“ 疏导” 的理念治水的结果； ( 2 ) 定压变频变流量系统的变工况， 水泵不在相似 P k P a 2 8 0 2 4 0 2 0 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 0 P m 3 0 2 8 2 6 2 4 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 01 0 2 0 3 0 4 05 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 L m 3/ h 6 5 4 3 2 1 0 N P S H m N B5 0 - 1 2 5 n = 2 9 0 0 m i n - 1 I S O9 9 0 6 A n n e x A / 1 4 4 / 1 3 5 / 1 2 5 / 1 1 5 N P S H 7 1 . 0 % 7 3 . 0 % 7 5 . 0 % 7 6 . 7 % 7 5 . 0 % 7 3 . 0 % 7 1 . 0 % 7 6 . 3 % 7 5 . 2 % 7 2 . 6 % 024681 01 21 41 6 v m / s 8 7 6 5 4 3 2 1 0 P2 k W 01 0 2 0 3 0 4 05 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 Q m 3/ h 051 01 52 02 53 0L 1 / s / 1 4 4 / 1 3 5 / 1 2 5 / 1 1 5 4 6 w w w .n -h v a c-a .co m 低收入家庭节能计划 为了保障低收入家庭的福利， 节约能源， 美国发 起了低收入家庭住宅节能计划， 帮助低收入家庭进行 节能改造。政府为低收入家庭免费进行节能改造， 每 个家庭有一定的限额，主要的计划包括美国能源部 ( D O E ) 的保暖协助计划、 健康部低收入家庭能源协助 计划等。 低收入家庭节能计划的经济效益十分显著。 美国 能源部的保暖协助计划 2 0 0 1 年帮助 5 . 1 万个低收入 家庭进行了节能改造，平均每个低收入 家庭的节能 改造费用为 2 5 6 8 美元，但节约了低收入家庭 1 3 % 3 4 %的能源开支， 投资收益率达到了 1 3 0 %。 除了经济 效益，低收入家庭的节能计划还能带来很多环境效 益。 根据调查， 投资低收入家庭住宅节能计划 1 美元， 就能获得 1 . 8 8 美元的环境效益。 加强节能技术研究 联邦政府 1 9 9 8年用于建筑节能研发的费用达 9 7 4 0 万美元。目前研究重点有： 2 1 世纪建筑设计、 模 拟和检测技术，比 A S H R A E标准节能 5 0 %的技术。 正在研究开发的 2 1 世纪建筑节能技术包括： 真空超 级隔热围护结构，无 C F C高效泡沫隔热保温材料， 先进的充气多层窗， 低发射率和热反射窗玻璃， 耐久 反射涂层， 先进的蓄热材料， 屋顶光伏电池板， 热水、 采暖、 空调热泵系统， 先进照明技术， 阳光集光和分 配系统，燃料电池、微型燃气轮机等分散式发电技 术，可按需调节能源，水供应和空调的智能控制系 统。这些高新技术的推出使得美国的建筑节能有了 很强的技术支持。 建筑节能从政府机构做起 1 9 9 9 年 1 3 1 2 3 号总统行政令规定： 2 0 0 5 年， 所有 联邦机构建筑的单位面积能耗，应比 1 9 8 5年减少 3 0 %， 到 2 0 1 0 年要减少 3 5 %； 新建建筑必须达到联邦 或当地能源性能标准； 联邦机构必须采购有“ 能源之 星”标识的用能产品，或能效在同类产品中领先的 2 5 %范围内的产品； 到 2 0 1 0 年， 联邦建筑应安装 2 万 套太阳能系统；每个机构必须有一幢节能示范建筑， 一年内新建 5 幢以上建筑的，要有一幢节能示范建 筑。( 摘自 中国建设报 中国楼市 ) 行业资讯 美国建筑节能措施 工况点运行， 而且水泵偏离设计工况点越多， 效率下降 得越多，绝对没有节能和水泵转速的三次方成正比一 说。这是人们缺少或者没有水泵或风机容入系统后其 性能要发生本质变化的系统科学的理念造成的误解； ( 3 ) 定压变频变流量系统跟