空调水系统管路的优化设计与节能运行分析
【摘要】本文结合现阶段中央空调的能源消耗的特点，分析了空
调水系统优化设计和节能减排设计的必要性，并分析了空调节能的
空间。总结了中央空调水系统节能的优化设计方法，供工程设计人
员借鉴。
【关键词】中央空调；水系统；节能设计；优化设计
引言
随着我国改革开放的逐步深入，国民经济建设取得了长足的进
步，我国城镇化建设速度加快，城市公共建筑大都装备了中央空调
系统。中央空调系统对于建筑物室内的温度、相对湿度具有较好的
调节能力，随着该设备的大量使用，城市建筑能耗快速提高，激增
了建筑物的电力负荷。据有关的调查研究，我国的用电负荷中有大
约两成来源于空调设备的用电，而且其比例还在不断的提高。而由
于空调设备的使用特性，通常都随着天气的变化而造成集中使用的
情况，对于高峰期的电网造成极大的压力，影响着城市电力部门的
正常运行。我国的建筑能耗量较高，建筑节能技术应用还处于初级
阶段，96%以上的建筑物能源消耗都存在较大的浪费现象，因此我
国的建筑物单位建筑面积的能源耗费远高于发达国家，因此建筑节
能减排措施的应用具有较大的必要性。在建筑能耗的来源类型中，
中央空调的能源消耗基本是建筑能耗的一半，因此优化设计空调系
统的管路对于建筑节能减排具有现实意义。本文主要就中央空调水
系统的优化设计方法进行分析，并总结如何减少空调系统的能源消
耗量的措施。
1、空调水系统的节能原理
由于目前工程设计项目盲目追求设计进度，尽量缩短设计周期，
而在进行中央空调系统的设计工作过程中，通常不进行详细的计
算，而是采用估算的方式来提高空调系统的冷负荷参数，从而导致
空调系统的总负荷值较建筑物的需求偏大，使得空调系统的主机的
制冷性能偏高、管路系统的输送能力偏强且末端的控制设备偏大
等，最终导致整个空调系统的能源消耗增加。有时由于空调系统调
试不合理，使得工程设计人员需要再提高空调系统主机的制冷能
力，使得空调系统具备充足的制冷性能去避免由于系统综合制冷性
能不足导致的建筑环境舒适感不足的问题。而这个关键的改变引起
空调系统设计的连锁式反应，由于空调系统主机制冷能力偏高，所
以使得空调系统的管路输送能力提高，从而使得空调系统的水泵的
输送功率、输送能力以及管线尺寸都需要增加。实际上，空调系统
的末端冷、热负荷是与季节、温度变化、设备负荷变化以及人员流
动性是紧密联系的，即通常空调系统的负荷都远远低于系统的额定
负荷值。据有关的统计表明，中央空调系统一半以上的时间的负荷
值是在其额定负荷值50%的范围内运行的，而系统中的冷却水的使
用温差通常在4～6℃，而空调水系统的流量不发生较大改变时，几
乎全年都在1～3℃的温差下运行。由此，现阶段的中央空调水系统
通常都存在冷却水温差下、流量大、管路能耗大且能源浪费高的现
象，存在较大的节能减排余地。
2、中央空调水系统优化设计方法
2.1 优化冷水机组降低系统能耗
冷水机组能耗占据整个中央空调系统总能耗的60%左右，是优化
水系统控制的最重要部分。目前所采用的中央空调系统，对冷水机
组工作性能有影响的参数有冷冻水温、冷却水温、冷冻水量、冷却
水量、冷负荷，优化冷水机组就必须考虑这几个参数对冷水机组制
冷量和耗电量的影响。在研究中我们发现，当其它条件不变，冷冻
水温度提高时整个冷水机蒸发温度会得到提高，从而提高冷水机组
制冷系数，降低单位制冷所消耗的电量；冷却水温度变化对冷水机
组能耗的影响则正好相反，冷却水温度越高制冷系数越低，单位制
冷所消耗的电量越高；冷冻水和冷却水流量增大时，蒸发器和冷凝
器的换热性能会得到提高，从而提高冷水机组制冷系数降低单位制
冷所消耗的能量，但流量的增大却会增加水泵的能耗。在实际使用
中，冷水机组都是处于部分负荷状态下工作的，因此更多的需要关
注冷水机组部分负荷下的制冷机性能。
2.2 构建水泵变流量系统降低能耗
研究表明，中央空调系统整个能耗中水泵能耗就占了35%左右，
是整个系统中的能耗大户。传统中央空调系统由于技术条件、能源
价格、设计观念等因素的影响，其水泵通常采用定流量设计，这种
固定流量设计使得系统在部分荷载时水泵工作状态不会发生改变，
流量不会因负荷的增大或减小而变动，造成能源浪费现象。近年来，
技术的提高作，有效的减少了水泵能耗，减小了整个水系统能耗。
目前水泵变量系统的应用主要采用温差控制法和压差控制法两种
方法。压差控制法则是利用温度传感器获取室内温度变化参数调节
调节阀开度，使供回水管压差发生变化，再由压差传感器采集压差
参数由控制器计算，发出指令控制水泵频率，压差控制法能保证最
不利末端水流量条件，但节能效果不如温差控制法，但能保证整个
系统的正常工作效果。
2.3 优化冷却塔性能
水系统中的冷却塔是空调冷却机组中冷却水进行热质交换的场
所，其任务就是将冷却过程中产生的废热排出并将冷却水的温度降
低，将水作为重要的传热介质。冷却塔中的热量交换主要是通过水
的蒸发来完成的，所以在进行冷却塔性能优化时，主要考虑的就是
通过对空气湿度和温度进行调节，以及对进入冷却塔的水流量、空
气流量以及水温来有效地提高冷却塔的冷却效果。通过有关研究表
明，冷却塔排除的水温度与空气温度的温差与冷却水流量及空气量
存在密切的关系，水量对其影响几乎成正比例相关；送风量较小时
风量发生变化对于冷却效果影响较大，而送风量较大时风量发生变
化则对于冷却效果影响不大。所以需要合理考虑冷却塔送风机的型
号，以提高冷却效果。
2.4 优化水系统隐形能耗
除了冷水机组、水泵、水塔性能系统能耗影响巨大外，水系统隐
形能耗也不容忽视。如管路保温效果和冷冻水流失等对能量的消
耗，尤其是排污阀、旁通阀泄露造成冷冻水流失，会造成大量能耗。
在设计时需要充分考虑到管路保温和冷冻水流失问题。同时，还需
要注意由于中央空调系统由于工作环境和工作条件的关系，水系统
内的水在物理、化学以及微生物等各方面作用下，其水质极容易变
化，影响整个系统的运行效果和使用寿命。因此，在设计时，要充
分考虑系统排污机制和清洗机制，并设定定期检查水质时间，根据
水质情况定期投入药物对冷却水进行处理或者采用磁化法、高频水
改法、静电水处理法、电子水处理法等进行处理。
3、结语
现代建筑尤其是城市中重要的公共建筑基本都存在中央空调，中
央空调系统是建筑物中能耗最大的电气设备，对中央空调水系统管
理进行优化设计和节能减排设计，对于节约能源、提高能源利用率、
降低建筑使用成本具有显著的经济效益和社会效益。在进行建筑物
的中央空调水系统的节能减排设计时，需要遵循节能低碳、安全环
保的原则，综合考虑中央空调水系统的制冷主机、水泵以及冷却塔
的能源消耗组合模式，综合设计相关的参数，并减少空调水系统的
隐形能源浪费与消耗现象，最终实现空调系统的节能目标，为我国
节能减排，实现可持续发展提供强有力的支持。
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