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复杂空调系统输送能效比计算方法的探讨 “十一五”科技支撑计划“降低大型公共建筑空调系统能耗的关键技术研究与示范”2006BAJ01A08-03深圳市建筑科学研究院有限公司 卜增文 夏春海 周俊杰 赵伟摘 要：公共建筑节能设计标准中对于输送能效比的计算比较简单，如果空调冷冻水系统设计为多级泵，且各级泵输送的供回水温差和流量不同的复杂系统，即不能直接根据公共建筑节能设计标准已有的公式进行计算。本文以实际工程为例，根据输送能效比的基本定义，用三种方法进行计算和对比分析，得出结论：以结果为导向，采用冷水机组的额定制冷量和系统参与输送流体所有水泵电机的额定功率进行评价，既能简化计算，更切合实际地评价设计的合理性，也能控制实际运行时的输送能效比ER。 关键字：复杂空调系统 输送能效比 额定制冷量 0 引言评价空调系统中水系统输送效率的参数有两个，一个是已经作废的旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设汁标准（GB5018993）中推荐的“水输送系数”（WTF），另一个是公共建筑节能设汁标准（GB 501892005）中的输送能效比（ER），两者的关系为：ER=1WTF。所以，严格来说这两种方法是一样的。ER= 0.002342 H/(T) （公式1）式中：H水泵设计扬程，m； T供回水温差，； 水泵在设计工作点的效率，%。公式1是依据一次泵系统的输送能效比的计算公式，显然，多级泵水系统的ER根据公式1计算和评价不太合适。因此，公共建筑节能设计标准广东省实施细则5.3.27条对此做了补充说明：（1）空气调节冷热水系统的输送能效比（ER）采用公式1计算，且不应大于0.0241。（2）对于多次泵系统，每增加一次泵，输送能效比ER可增加0.00312。当多台多次泵各自的扬程和效率不同时，多次泵的扬程和效率可按流量的加权平均值计算；当一次泵各自的效率不同时，按照流量的加权平均值进行计算。在多次泵系统中的效率应取一次泵和多次泵效率的平均值。不管是公共建筑节能设计标准还是公共建筑节能设计标准广东省实施细则，对于输送能效比的计算方法看起来都很简单，涉及到变化的参数只有水泵的扬程和效率。但是，实际工程中碰到两个问题： （1）通常的设计，一级泵和二级泵的供水温差是不变的。但是，对于下述实际工程采用三级泵系统，每级泵的供回水温差、流量不同，同级泵流量和温差也不相同，运行特点不清晰，用公式1来计算，则水泵的供回水温差T不能确定，空调系统输送能效比ER无法计算。（2）设计供回水温差是5，满足标准要求，但是空调系统运行的时候，很多是大流量，小温差，按照这个指标计算的ER值没有起到约束水泵输送能耗的目的。图1空调水系统原理图第二个问题比较复杂，另行讨论。下面就以实际工程为例，讨论对复杂空调系统输送能效比ER的计算。1工程概况本工程是一所大型医院，位于深圳市南山区，建筑面积35.2万平方米，由行政信息楼、住院楼、门诊医技楼等多种类型的单体建筑组成。空调系统冷热源采用水蓄冷、冷机串联低温供水（最低供水温度为4）、大温差环网供水、多级泵系统、温湿度独立控制系统等多项新技术。图1空调水系统原理图冷源为4台蒸汽双效吸收式冷水机组、2台备用离心式冷水机组，蒸汽吸收式冷水机组冷水进出水温为206 ，额定制冷量3489kW，离心式冷水机组冷水进出水温为114 及136 ，额定制冷量3516kW。离心式冷水机组利用夜间低谷电力将冷量储存在蓄冷水池中，供白天空调使用。冷源采用二次泵系统输送到各分控站，分控站设混水泵，水系统实际为三次泵系统。一次泵和二次泵冷水供回水温差为14，三次泵供回水温差为5。冷水流程图如图1所示，系统冷冻水泵的参数见下表1。本文不讨论该水系统是否合理，只讨论这样的系统输送能效比ER如何计算。表1 冷冻水系统各水泵参数水泵编号运行台数冷冻水泵名称流量 m3/h扬程 kPa功率kW水泵效率%B1-13二用一备吸收式冷水机组冷水一次泵5701503780B1-45一用一备离心式冷水机组冷水一次泵5701503780B1-67一用一备蓄冷水池冷水 一次泵5701503780B2-13二用一备冷冻水 二次泵6202205580B2-45一用一备蓄冷水池 二次泵5702907580B3-A-13二用一备住院楼a分控站 三次泵22522018.580B3-B-13二用一备住院楼b分控站 三次泵22522018.580B3-C-13二用一备住院楼c分控站 三次泵22522018.580B3-VIP-13二用一备VIP楼分控站 三次泵2502202280B3-XZ-12一用一备行政信息楼分控站 三次泵22522018.580B3-HQ-12一用一备后勤服务楼分控站 三次泵1502201580B3-SS-12一用一备ICU、手术室分控站 三次泵1502201580B3-CT-12一用一备CT 分控站 三次泵22522018.580B3-MZ-12一用一备门诊医技分控站 三次泵2502202280B3-MZ-34一用一备门诊医技分控站 三次泵2502202280B3-MZ-56一用一备门诊医技分控站 三次泵2502202280B3-MZ-78一用一备门诊医技分控站 三次泵2502202280B3-JZ-12一用一备急诊分控站 三次输送能效比的计算本项目空调水系统，不但冷冻水泵的运行关系复杂，各级泵的供回水温差、水流量也不同，不能直接用公式1计算系统总ER。本文采用下面几种方法来进行计算。2.1 根据定义进行计算2.1.1 根据水泵的输送能力计算公共建筑节能设计标准广东省实施细则定义输送能效比ER：空调冷热水循环水泵在设计工况点的轴功率，与所输送的显热交换量的比值，无因次。 （公式2）式中：水泵的轴功率，kW；水泵输送的冷量，kW。如果按照公式2计算，各次水泵所输送的冷量不一样，计算结果见表2。显然，根据公式1和公式2计算ER，结果不唯一，设计人员很容易通过修改水泵设计流量和设计温差满足节能设计标准，而实际结果并不能实现节能设计，是有问题的。但是为计算本项目水系统总ER，冷量取各次水泵所输送冷量的最小值即21802kW。表2 各次水泵输送冷量名称总流量（m3/h ）温差（）输送冷量（kW）一次次次泵37505218022.1.2 根据冷水机组的额定制冷量计算根据设计的水泵流量和水温计算得到的冷量，最小的三级泵输送的冷量也有21802kW，而冷水机组的额定制冷量只有13956 kW，高出额定制冷量的56%。为了保证计算结果的唯一，输冷量取冷水机组的额定制冷量，ER根据公式3计算。 （公式3）式中：NSB水泵的轴功率，kW；N冷水机组的额定制冷量，kW。水泵的效率取0.8和0.7，冷量采用水泵输送的最小显热量和冷水机组的额定制冷量，分别用公式2和公式3计算ER，计算结果见下表3。表3 水泵效率不同时的ER计算结果名称ER计算结果水泵效率为0.8水泵效率为0.7一次泵总轴功率（kW）87.3299.79二次泵总轴功率（kW）149.13170.44三次泵总轴功率（kW）280.8321输送最小冷量（kW）2180221802以输送最小冷量计算的ER（公式2）0.023730.02712冷水机组额定制冷量（kW）1395613956以冷水机组额定制冷量计算的ER（公式3）0.037070.04236计算结果表明，按照冷水机组额定功率计算ER，结果偏大56%，水泵效率相差10%，计算结果偏差14%。即使冷量按照冷水机组额定冷量，由于水泵参数的不确定，ER的计算结果仍然不唯一，但是计算结果的差异缩小。2.2 各级泵ER的累计计算法水系统的总ER采用各次泵的ER进行累计计算，即按下式公式4计算。 （公式4）式中：各次水泵的输送能效比，i=1，2，3， 用公式1进行计算。多个不同扬程的二次泵取加权平均值，水泵的效率取0.8和0.7，计算结果如下表4。表4多级泵累计的ER计算结果名称扬程 m温差ER水泵效率0.8水泵效率0.7一次泵15140.003140.00358二次泵25.4140.005310.00607三次泵2250.012880.01472系统总ER0.020320.024382.3根据水泵的额定功率和冷水机组的额定制冷量计算用定义进行计算，冷量是按照通过冷水机组的水流量和温差的乘积计算得到，如果设计流量比冷水机组的名义流量大，而温差不变，这样算出来的理论输能系数就会小，而实际上如果设计流量比冷水机组的名义流量大，实际温差就会低于设计温差！所以从设计角度来说，按照冷水机组的额定制冷量是比较合适的。表5 ER计算结果名称结果一次泵额定总功率（kW）111二次泵额定总功率（kW）185三次泵额定总功率（kW）325冷水机组额定总冷量（kW）13956总ER0.04450公式1和公式2中水泵功率选择轴功率，轴功率的计算根据水泵的效率、流量和扬程。设计中选择的水泵理论效率很高，一般在80以上。现场检测结果表明，水泵的效率往往达不到70，所以依据水泵轴功率计算输送能效比，仍然存在结果不唯一，水泵效率虚高的现象。为了真正实现ER计算结果的唯一，简化计算，避免不合理设计且切合实际，按照水泵电机的额定功率和冷水机组的额定制冷量来计算ER，见公式5，计算结果如下表5。 （公式5）式中：NS水泵的额定功率，kW；N冷水机组的额定制冷量，kW。这种方法计算的ER不考虑水泵的效率、流量、扬程、供回水温差等，结果唯一但是数值较高。3 分析讨论根据公共建筑节能设计标准广东省实施细则5.3.27条，ER限值为： （1）以水泵输送冷量计算出的ER为0.02373，小于规定的限值0.03034，以冷水机组的额定制冷量计算出的ER为0.03707，大于限值0.03034。但是在实际运行过程中，当水泵流量比冷水机组的额定流量大，冷水机组的供回水温差就会小于设计温差，按照水泵设计流量运行时，最大供冷量不超过冷水机组的额定制冷量，所以实际输送能效比将大于标准规定值。冷水机组的额定制冷量为13956 kW，如果按照各单体建筑同时使用系数为0.7，则实际运行时一次泵系统、二次泵系统和分控站（平均值）的供回水温差如下表6所示。其中二次泵的流量过大，总流量为一次泵的1.63倍，导致供水温差较小。同时由于二次泵流量远大于一次泵流量，将有大量的回水不流经冷水机组，而是流经旁通管与一次泵供水混合后向末端供水，如上图1所示，这就使得向各分控站的供水难以达到6。表6 各级泵在额定制冷量下的供回水温差名称总流量 m3/h温差 一次泵114010.5二次泵18106.5分控站37504.6本工程水系统一次泵和二次泵采用了大温差小流量设计，目的是降低水系统的输送能耗，但是即便一次泵系统采用了14的温差，在额定制冷量下其ER值也大于标准规定值。但是按照水泵输冷量计算ER，则满足标准规定值。因此在计算ER时，以冷水机组的额定制冷量代替水泵输冷量（公式4），可以控制实际运行时的ER。（2）比较公式2、公式3和公式5的计算结果，公式2的计算结果小于公式3的计算结果。究其原因，公式2计算ER时，采用的是水泵理想输冷量，流量通常偏大，供回水温差偏高，不考虑中间换热器的效率和水泵电机的效率，水泵的效率按照最理想状态，忽略了冷水机组的额定制冷量。如果能够以冷水机组的额定制冷量为评价指标，而非水流量和温差为评价指标，避免水流量和温差设计值虚高现象，会更加合理，计算也更加简单。4 结论输送能效比不单是一个设计参数，还是一个运行参数。一方面可以评价设计是否合理，同时也可以用来评价运行是否合理，因此输送能效比的计算应该覆盖设计和运行两个方面。（1）为了满足复杂空调系统的输送能效比的计算，建议ER的计算采用冷水机组的额定制冷量和参与输送的各级水泵的额定功率来计算ER，从设计和运行两个方面来评价水系统是否合理。 避免设计ER好，实际运行ER差。（2）采用冷水机组的额定制冷量和水泵的额定功率计算ER，计算结果唯一，避免人为因素的影响，校对和审查都非常简单，水系统不管是几级水泵，计算公式不变，计算非常简便。（3）输送能效比（ER）与旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设汁标准的水输送系数相比，只是互为倒数，没有实质性的改变。但是水输送系数一般取值为3032，2位整数或者3位数，记忆和运算都比较方便，而输送能效比（ER）取值0.02410.00433，需要56位数，加上小数点就是7位数，给运算和记忆带来较大的麻烦，建议改为水输送系数。参考文献【1】旅游旅馆建筑热工与空气调节节