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西华大学硕士学位论文 中央空调循环水系统的节能研究 动力机械及工程专业 研究生刘东辉指导教师谭光仪 建筑节能是世界普遍关注的问题，也是我国“十五”期间的重大政策。 空调能耗是建筑能耗的重要组成部分，因此，空调节能也是重要的研究课 题。空调系统包括风系统和水系统，空调水系统能耗在整个空调系统中占 有很大的比例，所以，对空调水系统进行节能研究具有重要意义。 空调系统中水的主要输送设备是水泵。输送过程的能耗包括：通过传 热的冷量损失和输送过程的流动阻力损失。对于输送冷量的管路系统，克 服流动阻力的能量又转变成热量导致冷量损失。 减少水泵能耗除了做好水管的保温外还要从以下方面着手： 1 ) 尽量减少阀门、滤器的阻力 阀门是调节管路阻力特性的主要部件，由于阀门阻力会增加水泵的扬 程和电耗，应尽量避免使用阀门调节流量的方法。 2 ) 设定合适的水流量 水流量是与水泵电耗成一定比例的。空调系统中水流量是由空调冷热 负荷和空调供回水温差决定的，供回水温差越大，空调水流量越小，水泵 电耗越小。 3 ) 提高水泵效率 水泵效率是指原动机轴功率被流体利用的程度。水泵的效率随水泵工 作状态点的不同从0 至最大效率间变化。在输出功率相同的条件下，如果 水泵的效率降低，水泵的能耗也会增大。因此，空调系统设计时要选用合 适的水泵使其工作在高效率区域。 本文首先对水系统的质调节和量调节进行了节能分析，接着分析了空 调水系统中水泵节能的可行性，然后对一些水泵的控制方法进行了比较， 西华大学硕士学位论文 并提出了多台变频水泵运行高效段的确定方法，最后就一冷冻水系统模型 进行了具体的分析，提出基于测量水泵流量的效率控制方式，来确保水泵 运行于高效率区域。 关键词：建筑节能，水泵效率，高效率区域，变频水泵 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n e n e r g ys a v i n go f c e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n g c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m p o w e rm a c h i n e r ya n d e n g i n e e r i n gs p e c i a l t y g r a d u a t e ：l i u d o n g h u i t u t o r ：t a ng u a n g y i b m l d i n ge n e r g ys a v i n gi so n eo ft h ep r o b l e m sc o n c e m e db yt h ew h o l ew o r l d 。a 1 1 di t 1 sa l s o0 n eo ft h e i m p o r t a n tp o l i c i e sd u r i n gt h e “f i f t e e nf i v e - y e a rp l a n ，e n e r g y c o n s 啪p t l o no fa i r - c o n d i t i o n e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so f b u i l d i n ge n e 唧 c o n s u m p t i o n 毗r e f o r e ，a i r - c o n d i t i o n e re n e r g ys a v i n gi sa l s oo n eo ft h ei m d o r t a l l t 心8 e 椰h i n gs u b j e c t s a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi n c l u d e sa i r s y s t e m a n dw a t e rs v s t 哪 e n e 聊c o m u m p n o no fw a t e r s y s t e ma c c o u n t sf o ra l a r g e r a t i o i nt h ew h 0 1 e m 卜c o n 击t l o n i n gs y s t e m 。t h u sr e s e a r c h i n go fe n e r g y s a v i n go fw a t e rs v s t e mo f a i r - c o n d i t i o n e ri ss i g n i f i c a n t w a t e r 仃a n s p o r te q u i p m e n to f a i r 。c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sp u m p e n e r g yc o n s u m p t i o i l s d u n n gt r a n s p o r t a t i o ni n c l u d e ：l o s so fc o o l i n gc a p a c i t ya n df l o wr e s i s t a n c e1 0 s s d u r i n g 魄n s p o n a t i o n f o rp i p i n gs y s t e mw h i c ht r a n s p o r t c o o l i n gc a p a c i t y t h ee n e 嘞7w h j c h o v e r c o m e 8i i o wr e s i s t a n c et r a n s f e r si n t oh e a ta n dr e s u l t si nl o s so f c o o l i n gc a p a c i t y b e s l d e sh e a tp r e s e r v a t i o no ft h ew a t e rp i p e l i n e ，t h ef o l l o w i n g t h i n g ss h o u l db ed o n e t or e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o no f t h ep u m p ： 1 ) t r yt or e d u c et h er e s i s t a n c eo fv a l v e sa n df l i t e r s v a l v ei st h em a i n c o m p o n e n ti nr e g u l a t i n gr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p i p e l i n e t h er e s i s t a n c eo fv a l v ew i l li n c r e a s et h ed e l i v e r yl i f ta n de l e c t r i c i t v c o n s u m p t i o no ft h ep u m p ，s or e g u l a t i n gr e s i s t a n c eb yv a l v es h o u l db ea v o i d e d a sm u c ha sp o s s i b l e 2 ) s e ts u i t a b l ew a t e rf l o wr a t e i f l o wr a t ei sp r o p o r t i o n a lt oe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o no ft h ep u m p f l o w r a t eo ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sd e t e r m i n e db y c o o l i n gl o a da n dh e a t i n g l o a d ，a n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fs u p p l yw a t e ra n dr e t u r nw a t e r t h el a r g e r t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f s u p p l yw a t e ra n dr e t u r nw a t e ra n dt h es m a l l e rm e f l o wr a t e ，t h es m a l l e ro f e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o no ft h ep u m pw i l lb e 3 ) e n h a n c i n gp u m pe f f i c i e n c y p u m pe f f i c i e n c yr e f e r st ot h eu t i l i z a t i o nd e g r e eo fs h a f tp o w e ro fp r i m e m o v e rb yf l u i d t h ee f f i c i e n c yv a r i e sf r o mz e l ot om a x i m u mw i t hd i f f e r e n t o p e r a t i n gs t a t e s u n d e rt h es a m eo u t p u tp o w e r , i ft h ee f f i c i e n c yd e c r e a s e s ，t h e e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ep u m pw i l li n c r e a s e t h e r e f o r e ，s u i t a b l e p u m p s s h o u l db es e l e c t e df o rt h ed e s i g no fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mt om a k et h e m o p e r a t i n gu n d e ro p t i m u ms t a t e s f i r s t l y , e n e r g ys a v i n ga n a l y s i so fq u a l i t a t i v er e g u l a t i o na n dq u a n t i t a t i v e r e g u l a t i o no f w a t e rs y s t e mi sm a d ei nt h ed i s s e r t a t i o n s e c o n d l y , f e a s i b i l i t yo f p u m pe n e r g ys a v i n gi nw a t e rs y s t e mo fa i r - c o n d i t i o n e ri s a n a l y z e d ，a n d d e t e r m i n a t i o nm e t h o do fh i 曲e f f i c i e n c ys e c t i o nf o rt h eo p e r a t i o no fs e v e r a l f r e q u e n c yc o n v e r s i o np u m p si s p r o v i d e d f i n a l l y , ac h i l l e dw a t e rs y s t e m m o d e li sa n a l y z e di nd e t a i l e f f i c i e n c yc o n t r o lm o d eb a s e do nt h em e a s 嘶n 2 o f p u m pf l o wi sp r o p o s e dt oe n s u r et h ep u m po p e r a t i n gi nh i g he f f i c i e n c ya r e a k e yw o r d s ：b u i l d i n ge n e r g ys a v i n g ；p u m pe f f i c i e n c y ；o p t i m u ms t a t e s ； c o n v e r s i o np u m p s i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论 文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签彩陶掳2 晰年s 月加日 别磁名中矿日 西华大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 “人类在利用和改造自然的过程中，取得了骄人的成绩，同时也付出 了高昂的代价”。为了阻止能源危机的爆发和地球自然环境的逐渐恶化， 可持续发展和“绿色”发展的概念己渗透到各个行业和领域。作为全球能源 消耗比例占到百分之三十的建筑类行业，更应贯彻“绿色”发展的概念，并 且担负起可持续发展的义务。 构成绿色建筑的主要因素是建筑的节有g ( e n e r g ys a v i n g ) 与提高能耗效 率( e n e r g y e f f i c i e n c y ) 。因为节约建筑中的能源消耗不仅可以减少有害的温 室气体的排放，减少对自然环境的污染与影响，同时也能减少一定程度的 废弃物，甚至改善室内的空气质量。所以在绿色建筑的设计与评估的过程 中，都将建筑的节能作为设计的主要目的和评估的主要因素。 随着我国经济发展和国民实力的增强，空调设备的应用口益广泛，随 之而来的是耗能的日益增多。工业发达国家用于空气调节的电能占全国电 能的3 0 左右【2 ，美国在夏季高峰时2 0 4 0 的电力用于制冷和空调， 在我国一些大型企业空调耗能约占全部能耗的4 0 以上【3 1 。而且中国人口 众多，不仅中国国内，全世界都关心中国的能耗问题，中国的能耗及节能 状况对中国乃至世界的能源资源及其结构都有着重要影响。建筑及空调系 统的节能问题已成为我国迫切需要解决的重大课题之一。空调的水系统己 由简单的定流量系统发展到变流量系统，各部件的性能和调节、控制手段 都有所提高，系统的设计方法趋向合理，因此，能耗也有了很大的降低。 但是，空调水系统的理论分析和实际运行中，仍然存在不少问题，对空调 水系统的进一步深入研究和整体的节能优化分析，有着重要的意义。 西华大学硕士学位论文 1 2 本课题来源及名称 课题来源：四川省安装公司 课题名称：中央空调循环水系统的节能研究 1 3 本课题研究的目的和意义 对空调水系统的水泵选取是按照空调在最不利工况运行时选取的。而 空调系统在绝大部分时间内是在部分负荷下运行，为了适应负荷变化，常 规的方法是调节冷冻、冷却水系统的阀门，但阀门调节方式浪费能量巨大， 不能达到经济运行的目的。比较科学的做法是采用水泵的调速技术，特别 是变频调速技术，这样可以减少电能的消耗，提高系统运行的经济性【3 7 】。 采用什么方法对空调水系统变流量调节进行控制，及如何正确的选择 水泵的台数及运行控制方法，使水泵能够在高效区运行是本文章的研究目 的。 i 4 本文的技术路线与主要研究内容 i 4 i 本文的技术路线 ( 1 ) 收集资料 通过收集资料，获得空调水系统中各部件运行的一些数据，并进行分 析，提出水系统变流量调节的可行性。 ( 2 ) 理论知识的学习 学习水泵的相关知识，掌握给水系统中水泵及管路的性能曲线。 ( 3 ) 了解冷冻水系统的组成，建立简单模型，并对其变流量运行进行 分析。 2 西华大学硕士学位论文 1 4 2 本文的主要研究内容 ( 1 ) 针对冷冻水、冷却水的调节对水系统各主要部件性能的影响进行 分析，并对整个水系统进行定性节能分析： ( 2 ) 对空调水系统中水泵节能的可行性进行分析； ( 3 ) 水泵变速运行分析； ( 4 ) 针对一冷冻水系统模型进行节能分析。 1 5 国内外发展现状 1 5 1 变频技术的发展 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。 电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态( 位 置、速度、加速度等) ，实现电能和机械能的转换，达到优质、高产、低 耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流 调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发 展，这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能( 节约 1 5 2 0 或更多) ，改善产品质量，提高产量。在我国6 0 的发电量是 通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视， 目前已有一定规模。 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速 是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很 容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是 固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 我国电气传动产业始建于1 9 5 4 年，当时第一批该专业范围内的学生 从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成 套公司，这就是后来天津电气传动设计研究所的前身。现在我国已有2 0 0 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。 西华大学硕士学位论文 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国 家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上8 0 年代水平。 随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业， 也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进1 3 ，在我国运行良好， 满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产 品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合 资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一 流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、 生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： ( 1 ) 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性 短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品 等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、 i g c t 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率 变频器产品的生产及应用成为现实。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、 模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的 快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。 ( 4 ) 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、 专业化生产。 国内现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1 0 - 1 5 年。 在大功率交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单 位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这 方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧 机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎 4 西华大学硕士学位论文 所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与 质量还不能满足市场需要，每年大量进口。 国内交流变频调速技术产业状况表现如下： ( 1 ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、 物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ( 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 ( 3 ) 相关配套产业及行业落后。 ( 4 ) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1 5 2 空调中水泵节能技术的发展 随着人们节能意识的增强和通讯、控制技术水平的不断提高，近1 0 年来，关于水泵的变频节能研究也越来越多，已开始应用到实际的工程当 中。空调水系统的水泵节能方法很多，水泵的变频节能从理论上分析，是 最具有节能潜力的。对于水泵的变频节能，首先要解决其可行性问题，即 水泵本身是否可以采用该技术，水泵的变频节能是否对其他设备产生不利 影响，这些影响是否限制了该技术的采用。水泵变频节能的可行性分析又 可以分为： ( 1 ) 对制冷机组的可行性分析： ( 2 ) 冷冻水系统的可行性分析； ( 3 ) 冷却水系统的可行性分析。 对于水泵本身来说，空调水系统的水泵大都采用鼠笼式异步电动机， 其本身就可以采用变频技术【3 6 1 。或可采用改造技术将其由定转速改造成采 用变频控制的变转速，这在工程中己得到广泛的应用【5 7 】。水泵变频对制 冷机组的影响，主要指是否对制冷机组产生不利影响，比如影响其正常运 行，对其性能产生不利影响，在制冷机组流量变化多大范围内水泵变频节 约的能量大于由于制冷机组没有在额定工况下工作而多耗的能量。一些文 献【8 - 1 0 得出的结论是，在一定范围内，空调冷冻水系统的变流量( 水泵变频) 对制冷机组产生的不利影响不大，验证了制冷机组本身变流量的可行性。 对于冷却水系统的水泵变频的可行性分析，各种文献的得出的结论不尽相 西华大学硕士学位论文 同，张谋雄【8 】通过对冷却水系统的模拟，认为冷却水系统采用变流量不节 能。更多文献【1 1 - 1 3 】认为，冷却水系统可以采用变流量系统，因此，冷却水 泵也可以采用变频技术，从而节约能源。 6 西华大学硕士学位论文 第二章空调水系统的组成及其工作原理 空调水系统主要设备包括：制冷机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔 和风机盘管等空调末端设备，如图2 1 所示。空调水系统是一个复杂的系 统，各部件之间是相互联系、相互影响的。 供水 f i g u r e2 - 1 i n t r o d u c t i o no fa i r c o n d i t i o n e rw a t e rs y s t e mf l o wp r o c e s s 图2 - 1 空调水系统流程介绍 7 西华大学硕士学位论文 2 1 冷水机组的介绍及工作原理 当天然的冷源不能满足空调需要时，便采用人工制冷的方式，主要有 以下几种【1 4 】： 1 蒸汽压缩式制冷 蒸汽压缩式制冷系统的组成及工作过程： 蒸汽压缩式制冷系统主要有制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四 个主要设备组成，并用管道相连接，构成一个封闭的循环系统，如图2 2 所示。 膨胀阀 f i g u r e2 - 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fv a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t o r 图2 2 蒸汽压缩式制冷机工作原理图 系统工作时，来自蒸发器的低温低压的制冷剂蒸汽被压缩机吸入，压 缩成高温高压的制冷剂蒸汽后，进入冷凝器。在冷凝器中，高温高压的制 冷剂被冷却水冷却，冷凝成高压的液体，同时放热q k ，然后经膨胀阀截 流后变成低压低温液体进入蒸发器。在蒸发器中，低压的制冷剂液体吸取 被冷却介质( 如冷媒水) 的热量q o ，蒸发成为低温低压的蒸汽再次进入 压缩机，开始下一个循环。被冷却的介质( 如冷媒水) 失去热量q o 后被 送往空调系统对空气进行降温去湿处理。 西华大学硕士学位论文 2 吸收式制冷 吸收式制冷与蒸汽式制冷一样，都是利用液体在汽化时需吸收热量这 一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸汽压缩式制冷是以消耗机械能为补 偿，而吸收式制冷则是以消耗热能为补偿的，使热量从低温热原转移到高 温热源。 3 蒸汽喷射式制冷 蒸汽喷射式是以水为制冷剂，以喷射器代替压缩机，以消耗蒸汽的热 能作为补偿来实现制冷的。 蒸汽喷射式制冷机的主要设备有加热器、喷射器、冷凝器、蒸发器以 及膨胀阀等。 来自加热器的高温高压工作蒸汽在喷射器管中绝热膨胀，形成一股低 压高速气流，从而将蒸发器里的低压水蒸气抽吸到喷射器中，并与之混合 增压后进入冷凝器，被冷却水冷凝成液体。一部分凝结水通过循环水泵提 高压力后送回加热器加热汽化，用作高温高压工作蒸汽开始下一个循环； 另一部分凝结水经膨胀阀节流降压后进入蒸发器，在蒸发器内吸收冷媒水 的热量汽化为低压水蒸气后又被喷射器中的低压高速流所抽走。蒸发器盘 管中的冷媒水因失去热量而温度下降，被送入空调系统作为冷源使用。 2 2 风机盘管水系统 2 2 1 风机盘管的组成和工作原理 风机盘管主要有风机、盘管( 换热器) 以及空气过滤器、电动机、室 温控制装置等组成，如图2 3 所示。风机常采用前向多翼离心式风机或贯 流式风机，盘管则为带肋片的盘管式换热器 14 1 。 风机盘管的工作原理，就是借助风机不断的循环室内空气，使之通过 盘管而被冷却或加热，以保持房间所需要到温度和定的相对湿度。 风机盘管制冷时，由冷源为盘管提供7 。c 左右的低温水，室外空气由 低噪声风机吸入，通过滤尘网去掉灰尘，吹向盘管进行换热。空气通过换 9 西华大学硕士学位论文 热器降温去湿后，冷空气从出风口格栅吹向室内。空气中的水蒸气在盘管 肋片上析出的凝结水汇集至凝水盘，然后通过泄水管排出。 f i g u r e2 - 3 s t r u c t u r eo ff a nc o i l 图2 3 风机盘管的构造 2 2 2 风机盘管的水系统 风机盘管的水系统的主要功能是输配冷( 热) 流体，以满足末端设备 或机组的负荷要求。其配置则应具备足够的输送能力，经济合理的选定水 泵、管材和管径，具有良好的水力工况稳定性，应便于空调系统负荷变化 时的运行调节，实现空调系统节能运行要求、并便于管理、检修和养护。 空调水系统可分为开式和闭式两种1 1 4 】。由于开式系统与大气相通，水 质容易受到污染，设备易被腐蚀，近些年的空调工程中大多采用闭式系统。 与开式相比，闭式系统的水泵能耗小、管路和设备的腐蚀性小。 1 0 西华大学硕士学位论文 2 3 冷却塔 制冷剂在冷凝器中进行冷却凝结过程中放出的热量，一般通过空气和 水带走。以空气为冷却介质的冷凝器，多用于小型制冷系统及缺水地区。 大、中型制冷系统的冷凝器多以水为冷却介质。 工程中常用的水冷却设备有两种类型：一是自然通风式喷水冷却塔， 另一种是机械通风式冷却塔。前者只适用于空气温度较低、相对湿度较小 的地区应用，而后者是目前应用极为广泛的一种水冷却设备。 机械通风式冷却塔及其冷却水系统，如图2 4 ，2 5 所示【1 4 】： 空气 f i g u r e2 - 4c o u n t e rf l o wt y p em e c h a n i c a l v e n t i l a t i o nc o o l i n gt o w e r 图2 4 逆流式机械通风冷却塔 l 空气 空气 f i g u r e2 - 5 c r o s s f l o wt y p e m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nc o o l i n gt o w e r 图2 - 5 横流式机械通风冷却塔 制冷装置的冷却回水，由冷却塔的上部喷向塔内的填充层上，以增大 水与空气的接触面积及接触时间，被冷却后的水从填充层流至下部集水 池，通过循环水泵再送回制冷装置循环使用。冷却塔顶部装有通风机，使 空气以一定的流速由下而上通过填料层，以加强水的蒸发冷却效果。 空调水系统中，各个部件之间是相互联系，相互影响的。改变冷冻水、 冷却水的参数，势必对各个部件的性能产生影响。本论文下一章将对变质 和变量调节对水系统各个部件的影响作出分析。 西华大学硕士学位论文 第三章冷却水、冷冻水的调节与节能分析 空调水系统主要设备包括：制冷机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔 和风机盘管等空调末端设备。由于空调水系统是一个复杂的系统，各部件 之间是相互联系、相互影响的，因此，除了对它们分别进行模拟或节能分 析外，更应该从整体上分析之。空调水系统的调节包括质调节和量调节， 本章将针对冷冻水、冷却水的调节对水系统各主要部件性能的影响进行分 析，并对整个水系统进行定性节能分析。 3 1 空调水系统的质调节和节能分析 空调水系统的质调节就是通过调节水系统的冷冻、冷却水温度，使空 调系统各部件及整个空调系统的性能得到改善。质调节通常可分为调节制 冷机组的蒸发器出水温度( 冷冻水出水温度) 和冷凝器进水温度( 冷却水进 水温度) 。 3 1 1 冷冻水系统的质调节 冷冻水系统的主要设备包括制冷机组、冷冻水泵和风机盘管等末端装 置。由于冷冻水质调节是调节冷冻水的温度，冷冻水流量不变，因此，在 此不需考虑冷冻水泵的能耗和优化运行。空调系统的满负荷运行通常是在 设计工况下进行的，其运行情况和性能一般能达到最佳。但是，由于空调 系统大部分时间是在低于设计负荷的工况下运行的，其所需提供的制冷量 往往小于满负荷状态运行时的制冷量，因此，就存在如何使得空调系统既 能保证空调房间舒适度的要求又能降低运行费用的问题【3 0 】【3 2 1 。 3 1 。1 1 制冷机组蒸发器出水温度对制冷机组性能的影响 关于制冷机组蒸发器出水温度对制冷机组性能的影响，文献【1 5 1 曾经针 对某一制冷机组做过实验分析，并分别得出在一定范围内，蒸发器的出水 1 2 西华大学硕士学位论文 温度与制冷机组制冷量、功耗和c o p 值。 表3 1 蒸发器出水温度和制冷机组的制冷量变化参照 t a b l e3 1r e f e r e n c e sf o ro u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o ra n d r e f r i g e r a t i n g o u t p u to fr e f r i g e r a t i n gu n i t 制冷机组的制冷量 ( k w ) 1 9 0 12 0 4 62 1 0 0 2 1 9 5 蒸发器出水温度( k ) 2 8 0 1 52 8 1 1 52 8 2 1 52 8 3 1 5 制冷机组的制冷量 ( k w ) 2 2 5 02 3 4 72 4 1 02 4 8 7 蒸发器出水温度( k ) 2 8 4 1 52 8 5 1 52 8 6 1 52 8 7 1 5 数据进行拟合 x = 2 8 0 1 5 , 2 8 1 1 5 ，2 8 2 1 5 , 2 8 3 1 5 ，2 8 4 1 5 , 2 8 5 1 5 , 2 8 6 1 5 ，2 8 7 1 5 ； y = 1 9 0 1 ，2 0 4 6 ，2 1 0 0 ，2 1 9 5 ，2 2 5 0 ，2 3 4 7 ，2 4 1 0 ，2 4 8 7 ； x x - - m i n ( x ) ：0 1 ：m a x ( x ) ； y y = p o l y f i t ( x ，y ，3 ) ； y y y = p o l y v a l ( y y ，x x ) ； p l o t ( x ，y ，怫k ，x x ，y y y ，r i ) ； g r i a o i l 采用三次方函数拟合比较接近，其结果见图3 1 。 图3 1 为制冷机组的制冷量随蒸发器的出水温度变化关系图。当蒸发 器出水温度设定值增大时，由于冷冻水流量和进水温度保持不变，使得蒸 发器进、出水温度差增大，因此，在蒸发器中冷冻水与制冷剂之间的换热 量增大，即制冷机组的换热量增大。 西华大学硕士学位论文 ， ， ， 彳 + j j 一 7 厂 蒸发器出水温度( k ) f i g u r e3 1 v a r i a t i o no fr e f r i g e r a t i n go u t p u to fr e f r i g e r a t i n gu n i tw i t ho u t l e tw a t e r t e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o r 图3 1 制冷机组的制冷量随蒸发器出水温度的变化关系图 表3 2 蒸发器出水温度和制冷机组的功耗变化参照 t a b l e3 2r e f e r e n c e sf o rt h ec h a n g e so fo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o ra n d p o w e rc o n s u m p t i o no fr e f r i g e r a t i n gu n i t 制冷机组的功耗( k w )3 7 4 43 7 4 9 3 7 5 7 3 7 6 4 蒸发器出水温度( k ) 2 8 0 1 52 8 1 1 52 8 2 1 52 8 3 1 5 制冷机组的功耗( k w )3 7 7 1 3 7 7 8 3 7 8 3 3 7 8 9 蒸发器出水温度( k ) 2 8 4 1 52 8 5 1 52 8 6 1 52 8 7 1 5 进行数据拟合 x = 2 8 0 1 5 ，2 8 1 1 5 , 2 8 2 1 5 , 2 8 3 1 5 ，2 8 4 1 5 , 2 8 5 1 5 , 2 8 6 1 5 , 2 8 7 1 5 】； y = 3 7 4 。4 ，3 7 4 。9 ，3 7 5 7 ，3 7 6 4 ，3 7 7 1 ，3 7 7 8 ，3 7 8 3 ，3 7 8 9 ； x x = m i n ( x ) ：0 1 ：m a x ( x ) ； y y = p o l y f i t ( x ，y ，2 ) ； y y y = p o l y v a l ( y y ，x x ) ； p l o t ( x ，y ，呻k l ，x x ，y y y ，”r ) ； g r i do n 1 4 西华大学硕士学位论文 采用三次方函数拟合比较精确，其结果见图3 2 。 琶 耀 雷 g 霸 嚣 佥 藁 ， c ， ，；斗 ，7 * 斗 ， 少 7 4 了7 2 8 02 趴2 8 22 8 32 8 42 8 52 8 62 8 72 8 8 3 蒸发器出水温度( k ) f i g u r e3 - 2v a r i a t i o no f p o w e rc o n s u m p t i o no fr e f r i g e r a t i n gu n i tw i t ho u t l e tw a t e r t e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o r 图3 - 2 制冷机组的功耗随蒸发器出水温度的变化关系图 图3 。2 为制冷机组功耗随蒸发器出水温度变化关系图。当蒸发器的出 水温度升高时，相应地，蒸发器内制冷剂的蒸发压力、温度升高。导致压 缩机入口制冷剂压力、温度升高，使得压缩机的功耗增大。 表3 3 蒸发器出水温度和制冷机组c o p 变化参照 t a b l e3 - 3r e f e r e n c e sf o r t h ec h a n g e so fo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t o ra n d c o po fr e f r i g e r a t i n gu n i t 制冷机组的c o p 值 5 15 45 65 7 5 蒸发器出水温度( k ) 2 8 0 1 52 8 1 1 52 8 2 1 52 8 3 1 5 制冷机组的c o p 值 5 96 16 36 5 蒸发器出水温度( k ) 2 8 4 1 52 8 5 ，1 52 8 6 1 52 8 7 1 5 西华大学硕士学位论文 进行数据拟合 x = 2 8 0 1 5 , 2 8 1 1 5 ，2 8 2 1 5 ，2 8 3 1 5 ，2 8 4 1 5 ，2 8 5 1 5 ，2 8 6 1 5 , 2 8 7 1 5 ； y = 5 ，l ，5 4 ，5 6 ，5 7 5 ，5 9 ，6 1 ，6 3 ，6 5 1 ； x x = m i n ( x ) ：o 1 ：m a ) 【( x ) ； y y 2 p o l y f i t ( x ，y ，3 ) ； y y y = p o l y v a l ( y y ，x x ) ； p l o t ( x ，y ，怫k l ，x x ，y y y ，r ) ； g r i do i l 仍然采用三次函数对以上数据进行拟合，其结果见图3 3 。 丰 ， 如7 i 7 ， 一 耸。 1 ， l 1 ， ； 蒸发器出水温度( k ) f i g u r e3 - 3 v a r i a t i o no fc o po f r e f r i g e r a t i n gu n i tw i t ho u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo f e v a p o r a t o r 图3 3 制冷机组的c o p 值随蒸发器出水温度的交化关系图 其定性结论是：提高制冷机组蒸发器的出水温度，可以增大制冷机组 的制冷量，虽然增加了制冷机组的功耗，但是，其c o p 值也增大。因此， 在保证制冷机组正常运行和空调房间舒适度的前提下，就制冷机组而言， 提高制冷机组冷冻水的出水温度，可以减少空调系统的运行费用。 3 1 1 2 制冷机组蒸发器出水温度对风机盘管性能的影响 1 6 西华大学硕士学位论文 但是，提高制冷机组蒸发器的出水温度，对风机盘管的供冷量会产生 怎样的影响? 文献【2 1 】进行模拟实验，在保持风机盘管的冷冻水流量和风量 不变的前提下，改变风机盘管的进水温度，对其供冷量的影响如下表3 4 。 表3 4 风机盘管的供冷量随进水温度的变化关系 t a b l e3 4v a r i a t i o no fc o o l i n gc a p a c i t yo ff a nc o i lw i t hi n l e tw a t e rt e m p e r a t u r e 进水温度( k ) 2 7 9 1 52 8 0 1 52 8 1 1 52 8 2 1 52 8 3 1 5 供冷量( w ) 5 1 5 44 7 8 64 3 8 93 9 9 73 6 0 9 进水温度( k ) 2 8 4 1 52 8 5 1 52 8 6 1 52 8 7 1 52 8 8 1 5 供冷量( w ) 3 2 2 62 8 4 72 4 7 42 0 1 11 6 4 2 对以上数据采用3 次函数进行拟合 x = 2 7 9 1 5 ，2 8 0 1 5 ，2 8 1 1 5 ，2 8 2 1 5 ，2 8 3 1 5 ，2 8 4 1 5 ，2 8 5 ，1 5 ，2 8 6 1 5 ，2 8 7 1 5 ，2 8 8 1 5 ； ) ，： 515 4 ，4 7 8 6 ，4 3 8 9 ，3 9 9 7 ，3 6 0 9 ，3 2 2 6 ，2 8 4 7 ，2 4 7 4 ，2 0 11 ，16 4 2 ； x x = m i n ( x ) ：o 1 ：m a ) ( ( x ) ； y y = p o l y f i t ( x ，y ，3 ) ； y y y = p o l y v a l ( y y ，x x ) ； p l o t ( x ，y ，俅k ，x x ，y y y ，r 。) ； g r i do n 1 7 西华大学硕士学位论文 主 咖| 佥 越 g 驰 捐 暴 匮 5 5 0 0 5 0 七 、 -， 、 。， 、 冷、 ， 斗 、 * 、 可 、 、 j - 牛 f i g u r e3 - 4v a r i a t i o no fc o o l i n gc a p a c i t yo ff a nc o i lw i t hi n l e tw a t e rt e m p e r a t u r e 图3 4 风机盘管的供冷量随进水温度变化的关系图 从上面可以看出，当风机盘管的进水温度逐渐升高时，其供冷量逐渐 降低。当风机盘管的进水温度为2 7 9 1 5k 时，其模拟供冷量约等于风机盘 管在高速时的供冷量，当风机盘管的进水温度为2 8 1 1 5k 时，其模拟供冷 量约等于风机盘管在低速时的供冷量。当风机盘管的进水温度为2 8 8 1 5k 时，其模拟供冷量约为风机盘管在中速时的1 3 。因此，风机盘管的进水 温度不能太高，否则就不能满足空调房间的要求。此时，需要对风机盘管 进行调档和调节电机转速，以增大其供冷量，这样，会造成电机能耗的增 大。 综上所述，在保证制冷机组正常运行和空调房间舒适度的前提下，调 节空调系统冷冻水的温度，对制冷机组和风机盘管性能的影响为：提高制 冷机组冷冻水的出水温度，可以增大其c o