1、冷冻水输送系数的实际测算与现状分析清华大学建筑节能研究中心 肖贺，王鑫，魏庆芃摘要 本文讨论了冷冻水输送系数的实测方法，并根据清华大学建筑节能研究中心近两年对北京、上海、深圳及香港近 20 座公共建筑的现场测试数据，计算了空调系统实际运行的冷冻水输送系数，同时与指标进行比较。作者还提出导致冷冻水输送系数偏低的原因主要有三：冷冻水供回水温差较小、冷冻水泵扬程过大和冷冻水泵效率过低，这也是位于冷冻水输送系数下层的三个指标。关键词 输送系数 冷冻水 现场实测 分项计量1 背景随着社会的进步、经济的发展，中央空调系统在人们的生活中正在扮演愈发重要的角色，而在中央空调系统中，水系统（包括冷冻水系统和冷却
2、水系统）是最重要和最关键的环节，其输送能耗往往占空调系统总能耗的较大份额。近年来，由于将冷冻水和冷却水的输送泵耗等价为水系统的输送能耗，所以人们普遍认为水泵效率是判断及评价水系统输送效果的重要指标之一。然而，水泵效率并不能全面准确地评价水系统的输送效果，比如，在实测中我们发现，某些系统的水泵效率很高，但实际上是采用了关闭部分阀门调整水泵工作点的方法，虽然提高了水泵效率，但实际上很大能量浪费在了阀门处，水系统的输送过程并不高效节能。因此，我们需要找到一个归一化高、可比性大的指标来客观全面地反映水系统输送效率，并以此作为讨论不同建筑水系统输送能耗的基础平台。GB/T17981-2000 空气调节系
3、统经济运行中首次提出了冷冻水输送系数的概念，这个指标也在之后的节能诊断工作中被认为是可以全面客观评价冷冻水水系统输送效能的关键指标，其准确定义、测算方法和意义也受到了广泛关注。清华大学建筑节能研究中心在 20052007 年期间对北京、上海、深圳及香港近20 座公共建筑进行了现场测试，并且有针对性地测算了空调系统实际运行的冷冻水输送系数。本文依据实测结果提出冷冻水输送系数的获取方法并探讨影响此指标的若干因素。2 定义及获取方法冷冻水输送系数（water transport factor of chilled water system，WTFchw）是指空调系统制备的总冷量与冷冻水泵（包括冷冻水
4、系统的一次泵、二次泵、加压泵、二级泵等）能耗之比，用来评价空调系统中冷冻水系统地经济运行情况。在空调系统经济运行评价指标体系中，冷冻水输送系数与制冷系统能效比和空调末端能效比并列，成为影响整个空调系统能效比的重要指标之一。冷冻水输送系数的计算公式为：chpNQWTF 公式 1式中： 冷冻水输送系数； 冷冻水泵总能耗，单位为千瓦时（kWh） ；chp 空调系统制备的总冷量，单位为千瓦时（kWh） 。Q要得到冷冻水泵总能耗和空调系统制备的总冷量需要得到水泵功率、运行时间、冷机冷冻侧水流量和冷机冷冻侧进出口温度等直接参数。在现在的实际测试过程中，这些参数往往可以通过两个途径获得：单点测试和建筑能耗分
5、项计量系统，两种方法得到的数据类型和误差来源都不尽相同。单点测试指在某个典型工况下某个特定时间对某物理参数进行测量。比如水泵功率可以通过电功率计测量得到，冷冻侧水流量可以使用超声波流量计测得，而冷冻侧进出口温度则可以使用温度自计仪测得。然而，受测量仪器和测试人员的影响，单点测试具有较大的随机误差，得到的也只是瞬时值。在没有确切数学模型的条件下，很难将瞬时值推广到全年累计工况。也就是说，如果想得到全年时段内的总能耗以及空调系统的总冷量，单点测试的方法往往难以实现。建筑能耗分项计量系统是通过一定的自动测量和通讯手段，将建筑物内发生的各种类型能耗实时记录并远传到数据处理中心的电耗计量系统。在这近 2
6、0 栋公共建筑中，K、D、P 等多数建筑都安装有分项计量系统。系统可以得到全年逐时的水泵功率值、冷机冷冻侧进出口温度和冷冻侧流量。通过这种方法，可以得到各物理量的瞬时值，同时也可以得到一段时间内的平均值和累积值。测量误差主要来源于仪器的测量精度、准确度以及传输系统的可靠性。在此基础上积分得到的制冷季内水泵总能耗和空调系统制备总冷量就比较准确可信了。由此可见，冷冻水输送系数也有累积值与瞬时值之分，可分别用于评价全年累计工况和典型工况，应根据实际需要选择。3 实测结果图 1 基于分项计量系统的冷冻水输送系数在 2007 年分项计量系统正式投入使用之后，我们对 O、S 等 5 座公共建筑进行了现场测
7、试， 图 1 显示了各自空调系统的冷冻水输送系数。这 5 栋建筑，冷源均为电制冷机；除建筑 R 为一次泵系统外，其余 4 栋均采用二次泵系统；不同建筑的指标值差异较大。图 2 基于单点测试的冷冻水输送系数在 2005、2006 两年中，由于尚未使用分项计量系统，所以冷冻水输送系数是夏季典型工况下的单点测试值，因此也具有可比性，如 图 2 所示。其中 AD 为 2005 年测试，EM 为 2006 年测试，N 为 2007 年测试（无分项计量系统） 。除 K、M 和 N 为二次泵系统之外，其余建筑均为一次泵系统。从冷源形式上讲，建 筑 I 使用溴化锂吸收式冷机，建筑 H 使用直燃型冷机，其余建筑
8、均使用电制冷机。不同建筑的指标值差别较大。新版空气调节系统经济运行标准规定：若 用于全年累计工况的评LVWTFch价，该指标的限值为 30；用于典型工况的评价，该指标的限值 为 35。由此LVc可见，在评价全年累计工况的 5 栋建筑中，2 栋达到了标准要求；而在评价典型工况的 14 栋建筑中，只有 1 栋达到了标准要求。实际测试的公共建筑中普遍存在冷冻水输送系数偏低的现象。导致冷冻水输送系数偏低的原因主要有三：冷冻水供回水温差较小、冷冻水泵扬程过大和冷冻水泵效率过低。这也是位于冷冻水输送系数下层的三个重要指标。建筑 P 存在典型的冷冻水供回水温差较小的现象，如 图 3 所示。根据运行记录得到的
9、 2006 年全年某冷冻机的供回水温差数据可见，满足设计标准 的工况非常少，冷冻水供回水温差集中分布在 3.8左右。冷冻水供回水温差小实际是由冷冻水流量过大造成的，这必然会加大冷冻水泵的功耗，使得冷冻水输送系数偏低。建筑 P 的冷冻水流量过大是由于一次冷冻泵选型过大，工作点右偏造成的。除此之外，一机对两泵、冷机旁通等运行问题也会导致流量过大，建筑 A、B、C、H 等多个建筑都存在这种情况。012034056072.83.234.6384.24.6485频率图 3 建筑某冷冻机供回水温差直方图建筑 M 存在典型冷冻水泵扬程过大的问题，如 图 4。从图中可以看到，3#直燃机前后的阀门都未完全打开，
10、消耗在阀上的压差总计为 10m 水柱。冷冻泵的扬程为32m 水柱，近 1/3 的扬程消耗在阀上。以建筑 G 为代表的某些建筑还存在关闭部分阀门调整水泵工作点的现象，虽然提高了水泵效率，但浪费了水泵扬程，增大了泵耗。除此之外，冷冻水泵扬程过大还可能是管路中过滤器淤塞问题，如建筑 C 的冷冻泵扬程为 42.5m,而末端用户侧的阻力就有 22.5m，严重超过了 610m 的正常末端阻力，经调查是由于管道长期没有清洗，管道的阻力增加的缘故。3#直 燃 机 冷 冻 水 压 力 图显 示 开 P0.6347952P 直 燃 机显 示 开 显 示 开 度 2/显 示 开 度 1/28m5图 4 建筑 M 冷
11、冻水路压力图冷冻泵效率偏低是建筑实测中发现的普遍问题，额定水泵的效率一般在 70以上，但水泵的实测效率很多都在 50以下。以建筑 O 为例，一次冷冻泵的额定效率为 60，实测效率仅为 33；二次冷冻泵的额定效率为 60，实测效率仅为30，原因就是水泵的实际工作点偏离了设计工作点，水泵不能在高效范围内工作。实际运行中的水泵工作点偏离主要是由于设计选型偏大，具体可表现为工作点较设计点右偏和左偏两种，原理见 图 5。若不改变管路的阻力系数，保证水泵实际运行的扬程与设计值相符，则会造成水泵的工作点右偏，实际流量大于设计流量，不仅使水泵效率降低，同时会导致“大流量、小温差”的现象，造成水泵能耗的浪费；若通过调节阀门增加管路的阻力系数，使水泵在额定流量下运行，则会造成水泵的工作点左偏，实际扬程大于设计扬程，导致水泵效率降低，电耗浪费严重。图 5 水泵选型偏大的两种工作点偏离原理图4 讨论实测 20 座公共建筑的冷冻水输送系数值在 8.538.0 之间，平均值为 21.9。通过对部分公共建筑实测发现，导致冷冻水输送系数较低的实际工程原因很多，归结起来主要为三点：冷冻水供回水温差较小、冷冻水泵扬程过大和冷冻水泵效率过低，同时也与运行管理水平有较大关系。冷冻水输送系数既可以用来评价全年累计工况下的冷冻水系统输送效能，又可以评价典型工况下的输送效能，因此要比水泵效率更具代表性和实用性。
