1 工程概况

　　珠海某地下广场是1999年开发建设的，共有地下两层，分别用于各项娱乐，餐饮及小型店面商品买卖，总面积约20000平方米。中央空调系统采用的是使用风机盘管的空气-水系统。设计上将整个商场分成4个区，分别由左右两个对称相同的机房供冷，每个机房提供相互对称的两个区所需的冷量，机房内设有两台离心式冷水机组，三台一次泵（一台备用），五台二次泵（一台备用）。但由于某种原因，实际施工时只建造了一个机房，因此实际上它同时提供了四个区的冷量，机组和泵处于高负荷的运转状态。另外在空调管路上管道的长度增加了一倍，相应的能耗也增加了，从而造成电能和电费的增加。本文利用EXCEL强大的数据处理功能，根据实测数据对由于管道增长而增加的能耗进行了分析计算。

2 测试方法及结果

2.1 测试项目及仪器

2.1.1 测试项目包括：一次泵，二次泵不同组合的情况下，干管及支管流量值；冷冻机组的出回水温度；管道保温层的外壁温度，管道外侧温度。

2.1.2 测试仪器：TM1型表面温度计, 康创1010型便携式超声波流量计，VAISALA温湿度检测计

2.1.3 测试安排：

　　冷量测试：冷冻水的水温测试采用读取机组控制板上的数据和表面温度计测试机组冷冻水进、出水管壁面温度相结合。选取合适的断面测试保温层的外壁温度和水管外壁温度。

　　水量测试：机组和泵在各种模式下的水量测试采用超声波流量计，为非接触式测量，不会影响空调水系统的阻力特性，较为准确。

2.2 测试图例及结果

　　整个管段的示意图见图１，各个断面不同时刻的温度值见表１，所测流量见表2（只给出两种常用模式下的流量）。

图１

　　左和右分别连向左机房和右机房，左机房已投入使用三年，右机房还没有建设。四个分支管分别供应四个区，设计时左机房提供分支管１和２的流量，右机房提供分支管３和４的流量，管段３原设计中间是分开的，实际由于只有左机房可以使用，所以已经连起来了，由左机房提供全部的流量，这样干管的能耗比设计时增加了。设分支管1、2、3、4的流量分别为Q1、Q2、Q3、Q4。则在各管段的能耗如下：（1）管段2：比原先多了流量Q3和Q4。这部分增加的能量损耗用管段2里的实际能耗减去本来只有分支管流量2时的能耗。（2）管段3：多了流量Q3、Q4，其增加的能耗即为管段内实际流量的能耗。（3）管段4：多了流量(Q4- Q3),这部分由于(Q4- Q3)可能为正也可能为负,所以能耗有可能增加也有可能减小。所以现在一个机房单向供冷和设计上的两个机房双向供冷比较，在整个管段讲，增多了（1）（2）（3）三部分的能耗。

3 数据分析

　　对管道进行能耗分析，可以把能耗分成两个部分，一部分是由于传热引起的能量损失，另一部分是由于传输过程中要克服阻力而产生的能量损失，即冷量损耗和动力损耗。

　　冷量损耗可以根据管段两端的温度差值，管内流体的流量值求出管道输送耗热量。拟打算以测量的管外壁温度代替流体的温度，但在对管段壁进行测温时，由于日光照射以及其他干扰因素，造成了所测温度与实际情况有所差距。所以对其进行了理论上的分析和推算。其推算过程是基于EXCEL的，通过特定的公式编辑后，改变入口和环境温度即可得出相应的能耗值。

　　根据现有的条件推导求解管道的耗热，是一个典型的管道换热问题，可以根据能量守恒得到，因为外界温度高于冷冻水的温度，所以水温升高所吸收的热量应等于冷冻水与外界的换热，但因为不知管段末端的温度，因而采取试算法做，但这样就大大增加了计算量，考虑到所测保温层外壁温度与环境温度受干扰较小，数据较为准确，分析数据保温层外壁温度和环境温度相差都在二度左右，假设外界环境温度不变，则保温层外壁温度也不变，水的物性参数用进水温度的参数代替，这样可以推导出水温变化值，分析过程如下：

为管内流体平均温度，为管壁温度，为保温层外壁温度

　　如图设在dx长的管段内，流体获得热量dQ, 温度变化了，则该管段的热平衡式是：

　　 （1）

　　 （2）

　　式中，q为热流通量，；

　　管内流体平均速度，其中为断面局部流速，m/s;f为管段面积，；V为体积流量，。对于1断面，假设流体稳定后呈稳态导热，由于钢管厚为10mm，导热系数为52，相对于厚40mm，导热系数为0.03的保温层来讲，热阻很小，所以在管道内损失的热量可以忽略不计。即，所以，因为管内水流为紊流，在充分发展段，换热系数不变，结合（1）式，可得：

　　令

　　沿管长由0到x积分上式，经整理得

　　其中是管段水流出口温度，是管段水流进口温度。

　　这样就可以在不同的管段上算出温升值，将上述各个公式以函数的格式输入到EXCEL中，利用EXCEL可以解决大量重复运算的功能，即可得出相应结果，大大减少了运算过程。在表格的最后，笔者对其值进行了效验，其误差在10%以内，较为准确。详见图2。

图2 能耗计算表

　　表二只是一种情况下的各管段单位时间的能耗值，当进水温度和环境温度变化时，在EXCEL中改变其值，其他变量也会相应的自动改变，再乘以各自的运行小时数，就得到了全年的能耗（图3）。从图中还可以看出，通过理论分析得到的温升实际上是很小的，在整个管道上平均约升高了0.02摄氏度，而这么小的温升是一般的温度仪很难测出的，这也就解决了表1中的温度无规律性的问题。

图3全年不同进水温度和环境温度下能耗干

　　动力损耗可以根据管段阻抗和流量计算而得，分析过程如下：

　　管路的阻力可由下式得出：

　　其中H为管路阻力，S为管路阻抗，Q为管内流量。对于一定的流体，在管路确定的情况下，S只随沿程阻力系数和局部阻力系数变化。而一般情况流动处于阻力平方区，沿程阻力系数仅与管路特性有关。局部阻力项中只有进行调节的阀门是可变的，其他局部构件已确定则局部阻力系数是不变的，所以这里就可以根据流量来评估管路的动力损耗。图4给出了某一泵模式下的阻力计算表，其结果再乘以相应模式的运行时间就可以得出该模式下总的动力损耗（图5）。

图4动力损耗计算表

图5总动力损耗

4 总结

　　本文是基于EXCEL对珠海地下广场增长管道的能耗计算，通过计算得到了每年的总能耗。另外，理论分析管道温度变化的模型，可以用于各种情况下的管道耗能分析，比一般的试算法更容易实现，并且在EXCEL中的输入更加方便了运算，在误差允许范围内，可以代替试算法。

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