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中央空调水系统节能分析
高飞
（中冶华天工程技术有限公司 安徽马鞍山 ２４３００５）
摘要：随着能源问题的日益突出，建筑节能是建筑设计和运行中必须考虑的因素之一。随着经济的发展和人们生活水平的提高，中央空
调是现代高层建筑中必不可少的设备之一，因此，中央空调水系统的节能在高层建筑空调系统设计中显得越来越重要。本文针对马鞍山
市某高级宾馆中央空调水系统，对冷冻水分别采用一次泵定流量，二次泵变流量及一次泵变流量系统时的节能情况进行了详细分析计算，
并比较了在不同运行负荷条件下三种冷水系统的能源消耗情况，所得结果对于中央空调系统节能具有一定的指导意义。
关键词：高层建筑 中央空调 冷水系统 能耗 中图分类号：ＴＵ８３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２０１１）０４（ａ）－００３１—０２
随着能源问题的日益突出，建筑物节
能是建筑设计和运行中必须考虑的因素之
一。随着经济的发展和人们生活水平的提
高，中央空调是现代高层建筑中必不可少
的设备之一，中央空调的耗能约占到建筑
物总耗能的６５％左右。而给整个水循环系统
提供动力的循环水泵耗电量，又占空调系
统能耗的１ ８％左右，即循环水泵耗电量占整
个建筑总耗电量的ｌ１．７％左右…，这是一个
非常可观的数字。而且，无论是２０世纪８０年
代末中国建筑科学研究院空气调节研究所
在广州、上海、北京的六个代表性旅游旅馆
的集中空调系统冬、夏季能耗调查测试，还
是２Ｏ世纪９０年代末清华大学在北京一些代
表性办公大楼的集中空调系统能耗调查测
试，都较一致地表明在中央空调系统的夏
季用电负荷中，大约５０％～６０％用电负荷消
耗于冷水机组制冷，大约２５％～３０％用电负
荷消耗于冷水泵与冷却水泵的输配上，大
约ｌ ５％～２０％用电负荷消耗于各种风机的
输配上。由此可见，降低空调水系统的输配
电耗，对于提高集中空调系统的全年运行
能效具有十分重要的现实意义ｆ 。在空调系
统设计过程中，水系统管路的正确合理设
计 循环水泵及冷热源的合理选择，又是空
调水系统实现正常运行调节及运行节能的
关键。本文结合工程实例，针对作者所在地 某高层建筑的中央空调系统（高级宾馆，地
上１４层，地下一层，总建筑面积约为ｌ５０００ｍｚ，
采用风机盘管加新风系统），对不同水系统
的运行能耗进行分析计算，并比较不同的
空调水系统在相同负荷需求下的能源消耗
情况。
１空调水系统概述
空调冷水系统可以归纳为以下三种形
式：一次泵定流量系统：冷源侧定流量，负
荷侧定流量，无变频泵；二次泵变流量系
统：冷源侧定流量，负荷侧变流量，负荷侧
采用变频泵；一次泵变流量系统：冷源侧变
流量，负荷侧变流量，冷源侧与负荷侧采用
同一个变频泵。
１．１一次泵定流量系统
一次泵定流量系统是国内空调工程设
计中应用较多的一种形式【３］。其特点是：通
过蒸发器的冷水流量不变，因此蒸发器不
存在发生结冰的危险。当系统负荷侧冷负
荷减少时，通过减小冷水的供、回水温差来
适应负荷的变化，所以在绝大部分运行时
间内，空调水系统处于大流量、小温差的状
态，不利于节约水泵的能耗。
１．２二次泵变流量系统
二次泵变流量系统是在冷水机组蒸发
器侧流量恒定的前提下，把传统的一次泵
表１ 一次泵定流量系统不同负荷时水泵能耗 分为两级，包括冷源侧和负荷侧两个水环
路［ 。其最大特点在于冷源侧一次泵的流量
不变，二次泵则能通过末端负荷的需求调
节流量。对于适应负荷变化较弱的一些冷
水机组产品来说，保证流过蒸发器的流量
不变是很重要的，只有这样才能防止蒸发
器发生结冰事故，确保冷水机组水温稳定。
由于二次泵能根据末端负荷调节流量，与
．一次泵定流量系统相比，能节约相当一部
分水泵耗能。
１．３一次泵变流量系统
一次泵变流量系统选择可变流量的
冷水机组，使蒸发器侧流量随空调负荷的
变化而改变，从而最大限度地降低水泵耗
能 。与一次泵定流量系统相比，把定频水
泵改为变频水泵，故水系统设计和运行调
节方法不同，控制更复杂，但节能效果更
明显。
２不同水系统的能耗分析
２．１变速水泵运行能耗计算
变速水泵能耗可采用下式计算：
ｐｇＨＯ
（１） ３．６叩 ７７ 玑
式中： 为水泵扬程，ｍＨ，Ｏ；
Ｑ为流量，ｍ ／ｈｌ
玎 为水泵效率；
负荷百分比 变速比 流量ｍ３／ｈ 扬程ｍＨｅＯ 水泵效率 电机效率 单台水泵能耗，ｋＷ 水泵总能耗，ｋＷ
５Ｏ％ １ ｌ６５ １７．５ ０ ７ ０．９４ ｌ１．５９３ ２３．１８６
６Ｏ％ １ １６５ １７．５ Ｏ．７ ０．９４ １１ ５９３ ２３．１８６
７０％ １ ｌ６５ １７．５ ０ ７ ０．９４ ｌ１．５９３ ２３．１８６
８Ｏ％ １ １６５ １７．５ Ｏ．７ ０．９４ ｌ１．５９３ ２３．１８６
９Ｏ％ １ １６５ １７．５ ０．７ ０．９４ ｌ１．５９３ ２３．１８６
ｌＯＯ％ ｌ １６５ ｌ７．５ Ｏ．７ ０．９４ ｌ１．５９３ ２３．１８６
表２ 二次泵变流量系统不同流量时水泵能耗
负荷比 变速比 流量ｎｌ ／ｈ 扬程ｍＨ２０ 水泵效率 电机效率 变频器效率 单台水泵能耗ｋＷ 二次泵总能耗ｋＷ 系统水泵总能耗ｋＷ
５Ｏ％ Ｏ．５ ８３ ４．１０ ０．７ ０．９３２ ０．８６８ １．５９１ ３．１８２ １２．０１５
６０％ ０．６ ９９ ５．７０ Ｏ．７ ０．９３８ ０；８９３ ２．５４７ ５．０９５ ｌ３．９２８
７０％ Ｏ．７ ｌ１５ ７．９Ｏ Ｏ．７ ０．９４ Ｏ．９ｌ１ ４．Ｏｌ１ ８．０２１ １６．８５４
８０％ Ｏ．８ １３５ ９．８Ｏ ０．７ ０．９４１ ０．９２５ ５．？４７ １１．４９４ ２０－３２７
９０％ Ｏ．９ ｌ５０ １３．２Ｏ Ｏ．７ ０．９４２ ０．９３８ ８．４７４ ｌ６．９４９ ２５．７８２
１ＯＯ％ １ ｌ６７ ｌ５．ＯＯ Ｏ．７ Ｏ．９４２ ０．９５５ ｌ０．５３４ ２１．ｏ６８ ２９．９Ｏｌ
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，７ 为电机效率；
、，为变频器效率。
电机效率和变频器效率可由（２）、（３）式
计算 ５１：
ｒ／ ＝Ｏ．９４１８７ｘ（１一ｅ ¨ ）（２）
ｒ／．，＝０．５８７＋１．２８３ｋ一１．４２ｋ ＋０．５８３ｋ （３）
式中：七为水泵的变速比，ｋ＝ｎ／ｎ ＝Ｑ／
｛门为水泵转速，ｒ／ｍｉｎ｝／７ｍ和 表示标准
条件下的转速和流量。
２．２一次泵定流量系统在不同负荷下水泵
能耗
一次泵定流量系统的冷源侧定流量，
负荷侧定流量，无变频泵。在控制过程
中，流量和扬程不变，水泵的转速固定，
所以变速比ｋ始终为１。系统布置相对于
一次泵变流量系统有一定的区别，即在
水泵的连接方式上将两台水泵先和两台
冷水机组分别串联，再并联连接到管路
上。为便于比较，本文在分析时，一次泵
定流量和一次泵变流量系统所选用的冷
水泵型号相同。
该系统由于流量不变，在不同负荷下
流量始终固定，所以水泵的能耗也会相应
的保持不变，不同负荷下水泵的能耗列于
表１。
从表１中可以看到，由于冷源侧和负荷
侧均是定流量，所以水泵的能量消耗不随
着负荷的减少而降低，理论上是不变的。所
以单独讨论一次泵定流量系统的水泵节能
意义不大，但可以以之为参照，来对比其它
系统的节能效果。
２．３二次泵变流量系统不同负荷下水泵能
耗
二次泵变流量系统的冷源侧定流量，
负荷侧变流量，负荷侧采用变频泵。所以在
系统布置上相对于其他两种系统有较大的
差异 ｌ。选用的水泵型号及台数相对于其他
两个系统要进行调整。
２．３．１一次泵能耗
由于一次泵始终为定流量运行，所以其
功耗不会因二次泵侧流量的变化而变化，
基本上两台水泵总功率固定在８．８３３ｋＷ的
功率上。
２．３．２二次泵能耗
本文对该建筑二次泵变流量系统的能
源侧的定流量泵的能耗以及负荷侧变速泵
流量分别在１００％、９ 、８０％、７０％、６０％￣Ｈ５０％
等６种不同流量工况下的能耗分别进行了
详细计算，并统计出各个工况下冷水泵的
总能耗，详细数据列于表２。
２．４一次泵变流量系统不同负荷下水泵能 耗
一次泵变流量系统冷源侧变流量，负
荷侧变流量，冷源侧与负荷侧采用同一个
变频泵。由于其使用变频泵，水泵特性曲线
随流量的变化而变化，所以在计算水泵能
耗时相比于一次泵定流量系统更为复杂，
下面将对不同流量时水泵的工作状态点能
耗分别进行确定和计算。
２．５不同水系统水泵能耗对ｔＥ分析
三种系统在不同负荷下水泵能耗列
于表中可以看出，当系统负荷减少时，一
次泵变流量系统在部分负荷情况时，由
于采用了水泵变速措施，使得水泵能耗
可以根据负荷的大小而相应地变化，从
而其水泵节能情况明显优干一次泵定流
量系统。
二次泵变流量系统的冷源侧定流量，
负荷侧变流量，负荷侧采用变频泵。冷源侧
水泵定流量，所以其一次泵的能耗固定。但
一次泵只提供冷源侧环路的水头损失，负
荷侧的压力损失则由二次泵提供，二次泵
为变频运行，能根据末端负荷调节流量，能
耗可以随负荷的变化而变化。从表中可以
看出，满负荷时，二次泵变流量系统相比于
一次泵定流量系统没有节能优势，甚至消
耗更多的能量；但是随着负荷的减小，二次
泵变流量系统就开始体现其优势，负荷需
求越小水泵节能效果越明显。
３结语
由于旁通控制与冷水机组分级启停
控制的复杂性和可能出现的故障，限制了
一次泵变流量系统在高层建筑空调水系
统中的应用。然而，本文通过以上计算分
析，可以证明在中央空调水系统中选用一
次泵变流量系统具有明显的经济性与合
理性。而且，目前国内外许多专家学者都
正在努力研究，致力干使一次泵变流量系
统的控制更加简便。同时许多设备厂商也
正投入大量精力，试图能生产出更能够适
应一次泵变流量系统的设备，使系统运行
更加稳定和发挥出更高的节能效益。因
此，相信在不久的将来，一次泵变流量系
统必将在中央空调水系统中得到更加广
泛的应用，为我国的建筑节能事业贡献一
份力量。
参考文献
【ｌ】李永存，陈叔平．多功能建筑空调水系
统的节能匹配研究【Ｊ】．湘潭师范学院学
报（自然科学版），２００５．
３２ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 工程技术
［２】汪训昌．空调冷水系统的沿革与变流量
一次泵水系统的实践【Ｊ］．暖通空调，
２００６．
［３】胡曙铃．一次泵系统技术分析及应用
【Ｊ】．建筑热能通风空调，２００２．