村镇建筑地源热泵系统节能设计.docx

6 村镇建筑地源热泵系统节能设计 1
6.1 室内温湿度参数与节能 1
6.2 水系统节能设计 1
6.2.1 空调水系统的特点与节能 1
6.2.2 定流量水系统 2
6.2.2.1 定流量水系统的主要构成 2
6.2.2.2 定流量水系统的运行分析 3
6.2.2.3 定流量水系统的利弊 4
6.2.3 变流量水系统 4
6.2.3.1 变流量水系统的基本组成 5
6.2.3.2 变流量水系统的控制方式分析 7
6.2.3.2.1 温差控制法 7
6.2.3.2.2 压差控制法 8
6.2.3.3 控制方法的运行分析 9
6.2.3.4 变流量水系统的利弊 10
6.2.4 水系统水力平衡 11
6.2.4.1 冷冻水系统管道布置与水力平衡 12
6.2.4.2 水力平衡阀门调节 13
6.2.5 大温差小流量水系统设计 15
6.2.6 水质处理与节能 17
6.3 空调设备节能设计 17
6.3.1 设备选型 17
6.3.1.1 地源热泵机组的设备选型 17
6.3.1.2 冷、暖水泵配置 19
6.3.2 调节控制 21
6.3.2.1 单台机组控制方式 21
6.3.2.2 多台机组控制方式 21
6.3.2.3 水泵变频控制方法 21
6.3.2.4 室内末端设备与节能 23
6.4 参考文献 26

6 村镇建筑地源热泵系统节能设计
6.1 室内温湿度参数与节能
据资料统计，重庆、上海、广州等地区，夏季室内温度低1℃或冬季高1℃，工程投资将增加6%，能耗增加5-10%。由此可见，适当提高夏季的室内空气温度和降低冬季的室内空气温度有显著的节能效果。为此，我国国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）对室内设计参数做出了规定，对于舒适性空调，室内设计参数可按表6.1规定的数值选用。
表6.1 舒适性空调室内空气设计参数
季节
温度(℃)
相对湿度(%)
风速(m/s)
夏季
22～28
40～65
<0.3
冬季
18～24
30～60
<0.2

室内的温室度设定的高低影响着冷（热）负荷的大小，在夏季温度、湿度设定值越高（冬季室内温湿度设定值越低），冷（热）负荷越小，所以，在一些地区为了节能，规定夏季空调室内温度不得低于26℃。设计参数的取值，不仅直接影响系统的造价，也影响着系统运行效率和运行能耗。在满足要求的前提下尽量降低设计标准，在舒适度相同的情况下根据实际情况在允许范围内调整室内温湿度的取值。考虑利用热湿环境的各个因素，都可以减少空调系统的能耗。
不同地区的村镇居民对热舒适的要求也是不同的，比如：南方地区的人们对湿热环境的适应程度要高于北方地区的人们。所以，在村镇住宅负荷计算时，可根据当地情况适当提高室内空调设计参数，本设计指南推荐室内空调设计温度为26-28℃。
6.2 水系统节能设计
6.2.1 空调水系统的特点与节能
空调水系统应包含三个目标：
1）根据负荷变化，能在大范围内调节末端装置的流量，以保证室内的空气参数符合要求；
2）保证冷水机组的流量不能低于最小值，以防止机内冻结，一般冷水机组所允许的流量波动范围较小；
3）循环水泵在满足1、2 的条件下，尽量减少能耗。
目前多数民用建筑的空调系统采用空气—水方式，空调设备绝大部分时间内在低于额定负荷的情况下运转。国内空调水系统大多数仍采用一次泵定流量水系统（图6.1）,该系统在部分负荷时靠调节阀门的开度来改变用户侧流量,以分集水器压差来控制主机侧旁通从而保持主机定流量这样导致空调水系统供回水温差较低, 无法进行有效的质调节, 因此需采用流量调节的做法来达到要求。对应于水系统流量Q, 总有水泵扬程H ∝ Q2, 水泵轴功率N ∝ Q3, 因此水系统节能潜能还是很大。
6.2.2 定流量水系统
6.2.2.1 定流量水系统的主要构成
根据我国国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）的规定，空气调节水系统宜采用闭式系统，对于中小型工程宜采用一次泵系统。设置两台或两台以上冷水机组和冷水循环泵的空气调节系统，应能适应负荷变化改变系统流量。
简单的冷冻水循环回路基本上都是定流量系统，它的主要组成部件包括：冷水机组、冷冻水泵、末端设备（如风机盘管）、膨胀水箱、排气阀和平衡阀。对于地源热泵系统，如用于村镇建筑，定流量水系统主要包括地源热泵机组，定频泵，室内末端（如风机盘管），阀门，排气阀，膨胀水箱等附件。

图6.1 常规的一次泵定流量水系统示意图

该系统中通常每台机组配有一台水泵，水泵保持定流量运行，水泵与机组联动，当加载一台冷水机组时，其对应的水泵先启动，当减载一台机组时，先关闭机组，然后关闭水泵。用户侧的末端设备上安装电动二通调节阀，根据供回水管之间的压差变化来调节旁通水量的大小。
6.2.2.2 定流量水系统的运行分析
在定流量系统中,通过蒸发器的冷冻水流量保持恒定，当负荷侧的负荷减小时，通过减小冷冻水供、回水温差来适应负荷的变化，所以冷源侧的冷冻水经常处在大流量、小温差状态运行，增加了水泵的能耗。
水泵电动机的输入功率：若电动机的输出功率等于水泵的轴功率，则有：
6.1
式中：—点击的输入功率，kw；
—冷冻水循环水量，m3/s；
H —水泵扬程，m；
—水泵效率，%；
—电动机的效率，%。
空调设备绝大部分时间内是在低于设计计算负荷情况下运行, 故水泵大部分时间在极低的效率点工作, 耗能严重。据统计，空调制冷系统在满负荷情况下运行只占20%-30%，在70%-80%的时间是在部分负荷下运行，其中一年中负载率50%以下的时间占全部运行时间的50%以上，在定流量系统中，全年绝大部分运行时间温差仅为1℃-3℃ ，温差低、流量大的工况，水泵系统长期在低温差、大流量情况下工作，即长期处在“大马拉小车”的状态下运行，这增加了水泵输送系统的能量损失，所以随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性。
在设计中一般选起供、回水温差为5℃，但实际运行中夏季冷冻水系统供回水温差较好地为4℃，较差的只有2℃-2.5℃，造成实际水流量比设计水流量打1.5倍以上，使水系统的能耗大大增加，因此设计人员应充分重视水系统的设计。
6.2.2.3 定流量水系统的利弊
定流量水系统的初投资较变流量水系统的初投资要低些，无变频装置，控制简单。定流量系统在负荷减小时，流量不是减小而是增大，在部分负荷下，该空调系统不能随着负荷的变化而进行相应的调节，导致在大流量小温差的工况下长期运行,因此该系统的部分负荷性能下性能系数低,能耗高。
6.2.3 变流量水系统
据统计，空调制冷系统在满负荷情况下运行只占20%-30%，在70%-80%的时间是在部分负荷下运行。因此随负荷而改变水流量的空调水泵系统就显示出巨大的优越性，这要求选用合适的系统以及相应的控制方式来达到系统的优化，减少能耗。
空调水系统的输送动力消耗量大，而且空调负荷绝大部分时间里处于低负荷状态，因此，空调水系统的节能潜力很大，目前变流量节能是较普遍采用的措施。采用变频器调节泵的转速可以很方便地调节水的流量，提高整个水系统的性能系数（COP），其节能率通常可达35%-50%左右。村镇建筑面积规模不大，属于小型建筑工程，应该采用一次泵变流量系统（如图6.2），且一次泵变流量系统是目前空调冷冻水系统节能的最佳配置形式。
6.2.3.1 变流量水系统的基本组成
一次泵变流量系统中选择可变流量运行的冷水机组，末端冷量由冷冻水量调配，冷水机组生产的冷量由流经蒸发器的水流量和相对固定的温差决定，其系统形式类似于一次泵定流量系统，但增加了一套自控装置，同时定流量水泵变为变流量水泵，按照一定的控制逻辑运行。

图6.2 一次泵变流量系统
（一）可变流量的冷水机组
蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动，甚至导致冷水机组运行不稳定。因此冷水机组的流量许可变化范围、最低许可流量值和流量许可变化率是衡量冷水机组性能的指标。如果冷水机组蒸发器的最低许可流量和额定值接近，冷冻水量可调节范围较小，则实际运转中要满足负荷侧需求，控制有难度，变频调速范围狭窄，采用一次泵变流量系统的控制方式，其效能就不高。机组的流量变化范围越大，越有利于冷水机组的加、减机控制，节能效果越明显，因此冷冻水泵的变频调速应该配置低水流量能力的冷水机组，流量变化范围宜30%-130%，流量下限小于50%额定流量为妥；机组的允许流量变化率越大，则冷水机组变流量时出水温度波动越小。推荐机组能承受每分钟30-50%的流量变化率，以便和冷冻水的一次变流量控制配套。
由于冷冻水水系统选用变流量，如单螺杆式冷水机组流量变化范围有分段容调方式和连续容调方式，其中分段容调可以是50%，75%，100%；连续容调方式的机组容量调整为15%-100%。对于变容量系统，建议选择连续容量的调节方式的机组。在部分负荷运行时, 变流量冷水机组比定流量冷水机组COP 值变化要小5% 左右, 有利于在部分负荷运行时节省电耗。同时, 可充分利用冷水机组的超额冷量, 减少冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。
（二）变频水泵
变频泵是变频电机带动的水泵变频，变频电机就是可以调节转速。
泵的转速：
6.2
式中 —电机转差率,取s=1.3%；
—交流电频率,Hz；
—电机磁极对数。
通过上式可知变频器是通过改变电源频率来改变电动机转速的，可通过降低转速达到节能的目的。改变水泵转速可以改变泵的性能曲线,在管路曲线保持不变情况下,使工作点改变,这种调节方式称为变速调节。
泵的流量Q、扬程H、轴功率P 和转速n之间的关系理解调速控制时的节能原理。Q、H、P与n 之间的关系是:
Q1/Q2 = n1/n2
H1/H2 = (n1/n2) 2 6.3
P1/P2 = (n1/n2 ) 3
可见,轴功率P 和转速n 的3次方成正比。当转速下降1/2 时,功率下降1/8 ,即功率与转速成3次方的关系下降,即降低转速使功率迅速下降是十分有效的节能方法。
表6.2 变频流量泵理论节能效果
Q2/ Q1
n2/ n1
H2/ H1
P2/ P1
节电率/%
100
100
100. 0
100. 0
0. 0
90
90
81. 0
72. 9
27. 1
85
85
72. 3
61. 4
38. 6
80
80
64. 0
51. 2
48. 8
70
70
49. 0
34. 3
65. 7
60
60
36. 0
21. 6
78. 4
50
50
25. 0
12. 5
87. 5
（三）控制系统
虽然变频高速的一次侧控制和传统固定转速的一次泵系统在负荷侧都是变水量，但它的控制要求比传统方式高得多，其控制逻辑应保证：任何时刻，确保运转冷水机组的蒸发器最低水流量（这个最低水流量载明在冷水机组的使用说明上）；并列运行机组同步变频调速控制是最常用的控制方式；启动冷水机组的冷冻水泵宜采用软启动方式，以避免对水泵电机的大电流冲击；冷冻水调节器节流控制从一台切换至另一台时应确保平滑无缝地过渡。
6.2.3.2 变流量水系统的控制方式分析
6.2.3.2.1 温差控制法
根据供回水温差一定时, 冷量与流量成正比的关系, 利用制冷机房供、回水干管的温差控制水泵的流量, 使空调负荷变化直接影响流量变化的方式被称为温差控制法。
一次泵变流量系统, 采用温差控制水泵变流量的控制方法可以反映空调冷负荷的变化与水量要求的直接关系, 易于实现。变频泵系统的温差控制法的基本控制原理图，在水系统的供回水管上分别安装温度传感器Tg 和Th，温差传感器△T 计算供回水温差△T = Tg -Th，将所得值△T传给控制器CTRL1，CTRL1将所得的供回水温差△T与设定的标准温差△TS（一般为5 ℃）进行比较，调节变频器VF的输出频率。控制器CTRL2与控制器CTRL1是分开的，CTRL2单独控制各台机组的流量分配，如图 6.3。

图6.3 一次泵温差控制原理图
6.2.3.2.2 压差控制法
一次泵变流量控制系统应能很好地跟踪系统负荷的动态变化，恰如其分地满足系统的负荷需求，把能源消耗制在较低的水平。然而这样的系统需要提供一套严格的控制方案，才能够真正发挥效益。
一次泵变流量压差方法：以系统供回总管之间的最不利条件点（一般应选在供回总管的远端）处的设计压差作为控制预设定值，以该点压差测量值作为PID调节的过程变量，以变频调速冷冻水泵作为控制系统的执行机构，对冷冻水供水进行调节控制，控制目标是使过程变量趋近于预设定值；当冷冻水的系统负荷流量大于一台冷水机组蒸发器最低许可流量值时，流量旁通控制阀门是关闭的；当只有一台机组在运行，且冷冻水的系统负荷流量低于一台冷水机蒸发器最低许可流量值时，需要启动分、集水器之间的旁通流量控制，控制目标是使这台正在运转的冷水机组蒸发器的水流量不低于最低许可流量值。
在对一次泵系统进行变流量压差控制时，测压点应设在最不利环路负荷两侧，而不应在供回水总管上安装测压点，如图6.4所示，压差传感器测得最不利环路负荷两侧点A1和点A2 两点的压差△P=P1-P2，将压差信号△P传给控制器CTRL1，控制器CTRL1 根据实测的压差信号△P 和预先设定的定压值△PS调节变频器的输出频率，当△P>△PS 时，说明用户需水量减小，应调低变频器的输出频率，反之，应调高变频器的输出频率，从而维△ P 为定值。

图6.4 一次泵变流量系统压差控制原理图
6.2.3.3 控制方法的运行分析
一次泵变流量控制主要包括压差控制和温差控制，现在对这两种控制方法进行简单分析：
1) 压差变流量控制
用变频器改变泵的流量,保持空调系统供、回水干管或者最不利环路两侧压差的稳定。它是目前工程设计中应用最多的一种方案,从泵的运行特性出发,充分发挥水泵效率,采用这种控制方式下的空调系统运行稳定。由于只考虑到系统的管网特性,没有考虑系统的热力特性,不能反映系统负荷的变化,不能保证室内温、湿度要求,节能效果不明显。运行稳定是这种控制方式最大的特点,然而随着水力平衡工具的发展,现有的水力平衡手段特别是动态压差平衡电动阀的出现已经能够保证系统稳定运行。这种控制方式对泵的要求很高,要求泵的性能曲线陡峭, 性能曲线平滑的效果不明显,而且找到一个符合系统管网特性的压差设定值比较困难。
2) 温差变流量控制是用变频器改变泵的流量,保持空调系统供、回水温差稳定。在空调冷冻水系统中，冷冻水是传递冷量的介质。冷冻水所传递的冷量一般等于空调系统的冷负荷Q，即：
6.4
式中：—空调系统的冷负荷，KJ/h;
—循环水的密度，一般取1000kg / m3;
—冷冻水的体积流量，m3 / s;
—冷冻水的回水温度，℃；
—冷冻水的供水温度，℃；
因此温差的变化直接反应了空调负荷的变化，所以冷冻水供、回水的温差被作为控制变量可以获得正确的控制结果。从空调系统热力特性出发,能够保证室内温、湿度要求,能够反映系统负荷的变化,供、回水温差可达到4.5 ℃以上,节能效果明显。温差变流量控制以实测的温度作为控制参数,温度易受周围环境温度的影响,因而测温元件的保温至关重要。
基于以上特点，村镇建筑属于中小型工程，温差变流量控制相对于控制要求较高的压差控制而言更容易实现。因此，在村镇建筑中的水系统控制中，建议采用温差控制法。
6.2.3.4 变流量水系统的利弊
从节能观点出发,变流量水系统优于定流量系统。全年运行的空调系统最大负荷出现的时间一般不超过总运行时间的10% ,空调设备的选择是按照设计工况确定的,而空调系统大部分时间在50%-70%的负荷率下工作,这就使变流量冷水系统有很大的节能空间。变流量水系统的特点如下表6.3：
表6.3 变流量水系统的特点
优点
1) 节约能源。系统运行时,水泵采用变频变流量系统方案,切实可行,效果明显,特别是适用于负荷相差较大的系统。变流量系统可实现根据末端的负荷变化情况, 对泵的循环水量进行调节, 相对于定水量系统, 它具有明显的节能效果。不需回风管，节省建筑空间。
2) 延长设备的使用寿命。采用变频调速技术后,由于电机的转速普遍下降,减少了机械摩擦。
缺点
1) 变频器的投资大,投资必须审核变频器以取得经济效益。
2) 电磁污染，变频器的电磁辐射较厉害,据欧洲方面统计,长期受此影响,脑癌的发生率比常人高,这也是欧洲人很少用变频空调的原因。
3) 变频机控制系统较定频机复杂。

6.2.4 水系统水力平衡
在空调冷冻水系统中，各个环路的实际流量与设计要求流量之间相符称为水力平衡。各个环路的实际流量与设计要求流量之间的不一致性，称为系统的水力失调。水力失调的程度可以用实际流量与设计流量的比值x来衡量。
6.5
式中: —环路是实际水流量，；
—环路的设计水流量，。
水力平衡是冷冻水系统中各环路在其他环路流量改变时保持自身流量的比值x不变的能力，通常用水力稳定性系数r来表示。
6.6
式中：—环路出现的最大流量，。
在设计计算中由于管内流速不允许超过限定流速和管径规格等因素的限制, 在空调水系统各分支环路或用户系统各支管环路之间, 其阻力损失不可能在设计流量分配下达到平衡。在施工过程中因现场施工条件限制, 无法按照设计施工图进行施工, 增加或减少了部分额外阻力, 结果破坏了原有的设计平衡。由这两种原因引起的空调水系统水力失调称为静态水力失调；而在运行中, 末端装置的阀门开度改变引起水流量变化时, 系统压力会产生波动, 其它末端装置的流量也随之改变而偏离其要求的流量，称之为动态失调。
目前在实际工程中常采用安装大一些的水泵以加大管路循环流量的办法来改善空调水系统水力失调现象。这种错误做法虽然使不利回路获得了正常流量, 起到了改善水系统不平衡的作用, 但由于总输配流量增加, 使其运行能耗增加。还使得有利的回路也将变得不可控制。
6.2.4.1 冷冻水系统管道布置与水力平衡
管道的布置有同程式系统和异程式系统两种基本的形式。异程系统从离热源最近的支路到最远的支路，稳定性依次变差，即最近支路稳定性最好，最远支路稳定性最差。同程系统的稳定性具有对称性，网路中部的支路稳定性最差，越往两端，支路的稳定性越好。从总体上看，同程系统的稳定性差于异程系统，并且母管愈长，稳定性愈差。
对于村镇住宅建筑而言，系统负荷容量小，最近支路和最远支路的阻力不平衡率<15% ，因此可以采用异程式系统，如图6.5。

图6.5 异程式冷冻水系统
对于村镇公共建筑而言，建筑层高低，立管管路长短，水平管管路长。因此可以采用水平管路同程的方式来设计冷冻水系统，如图6.6。

图6.6 水平同程式冷冻水系统
6.2.4.2 水力平衡阀门调节
为了取得空调系统的节能效果和满意的舒适性, 需要全面解决好空调水系统水力平衡问题。实践证明, 平衡阀是实现空调水系统水力平衡最基本而有效的平衡元件, 通过对平衡阀的正确设计与合理使用, 不仅可以提高空调水系统的水力稳定性, 而且能使系统在最短时间、最小能耗下达到用户所需求的舒适环境, 并能大大降低系统能耗。平衡阀能优化空调水系统的平衡性, 使水泵运行能耗降到最低程度。

(1) 静态水力平衡阀。
静态水力平衡阀是一种可以精确调节阀门阻力系数的手动调节阀, 故又称手动平衡阀, 其功能是用来解决空调水系统的静态失调问题，如图6.7。静态水力平衡阀一般安装在: 干管、立管、支管路上, 分级设置主管平衡阀、立管平衡阀、支管平衡阀。
定流量水系统是中央空调中常见的水力系统，系统中不含任何动态阀门，系统在出调试完成后阀门开度一般不再做任何变动，在运行过程中系统各分支环路的流量基本保持不变。 且定流量水系统只存在静态水力失调不存在动态水力失调，因此只需在相关部位安装静态水力平衡设备即可，常安装搜东调节阀和静态平衡阀达到平衡效果。

图6.7 静态平衡阀 图6.8 动态平衡阀
(2) 动态流量平衡阀。
动态流量平衡阀也称自动流量平衡阀, 是一种保持流量不变的定流量阀。其功能是: 当系统的某些末端设备( 如风机盘管、新风机组等) 改变流量而导致管网压力发生改变时, 使其他末端设备的流量保持不变, 仍然与设计值相一致，如图6.8。
动态流量平衡阀一般安装在: 水泵出口处, 稳定泵的出口水流量在额定流量下运行； 避免流量过大时致使水泵电机过载烧毁；并联泵的冷却水、冷冻水系统, 如主机型号不同, 宜安装自动流量平衡阀, 以避免过流或欠流；末端装置( 如风机盘管、空气处理机等) 的回水侧。但在支路和立管处不需要再安装自动流量平衡阀； 各建筑物的热力入口处。
目前, 市场上动态流量平衡阀有固定流量型和流量现场手动设定型两类。前者在出厂前已根据工程设计要求将工作流量一次设定完成, 现场不能改变； 后者在标定的流量范围内, 可根据工程设计要求进行现场调试。
(3) 动态压差控制阀。
动态压差控制阀又称压差控制器。它具有一定的比例压差控制范围, 可以在一定流量范围内使所需控制回路的压差保持基本恒定。其应用方式有: 用在立管回水管上, 稳定立管环路供、回水管之间的压差； 用在分层分支管环路回水管上, 稳定分支环路供、回水管之间的压差；用在电动调节阀的两端时, 稳定电动调节阀两端的压差, 改善调节阀的调节性能, 是一种与电动调节阀相匹配的最佳水力平衡措施。

图 6.9 自力式压差平衡阀
由于动态平衡电动调节阀的阻力过大和价格较贵，因此目前空调系统动态水力平衡的主要设备是采用动态压差平衡阀，且较适合单个末端设备的控制。
6.2.5 大温差小流量水系统设计
若所供冷量不变,可采用增大流量而降低温差的方法(即增加输送能耗而减少机组能耗),又可采用增大温差而降低流量的方法(即增加机组功耗而减少输送功耗) ,而这两种方法的系统总能耗可能并不相等。特别是在部分负荷(或管网输送功耗相对较大系统)条件下,控制较大的冷冻水(冷却水) 温差对系统有明显的节能效果。但是只有冷水泵能耗减少大于冷水机组的能耗增加, 大温差运行对于整个中央空调系统性能系数的提高才具有实际意义。下面介绍水泵和冷冻水机组的能耗计算方法。
1) 冷冻水机组能耗计算
6.7
式中：—冷水机组能耗，KW；
—冷水机组的冷量，KW；
-性能系数，可以根据所选择的冷水机组的类型和生产厂家取值。
2) 冷冻水泵能好计算
冷冻水量计算：
6.8
式中：c —冷冻水的比热容（J/kg﹒K）；
△t—冷冻水温差；
—冷水机组冷量（w）；
—系统冷冻水总流量（kg/s）
采用冷冻水大温差系统时，由于水管尺寸发生了变化，管道阻力特性曲线与常规温差水系统已经不同，不能按照水泵的耗功率与流量成三次方的关系来进行简单的计算，因此水泵的轴功率应该按照下式进行计算：

式中: —水泵轴功率；
—空调水系统的全压损失，Pa；
—系统冷冻水总流量（kg/s）。
—水泵的全压效率。
村镇民用住宅建筑的空调冷冻水系统采用大温差系统意义甚小，因为民用住宅建筑面积一般为200-300m2，要求空调采暖的面积大约为100-150m2，负荷容量较小。现以150 m2空调面积为例，单位负荷指标100w/m2,得出总负荷为15kw。
根绝公式：；
式中：c —冷冻水的比热容（J/kg﹒K）；
△t—冷冻水温差，一般为5℃；
—计算冷负荷（w）；
—系统冷冻水总流量（kg/s）。
当负荷为15kw，常规温差为5℃时，冷冻水流量为2.57m3/h,当采用温差为8℃时，冷冻水量为1.6 m3/h，所需要的冷冻水水量就会相对较小，本身水泵的选型就已经是最小，即：125w左右的耗功率，因此采用大温差水系统就没有任何意义。
村镇公共建筑面积能达到1000-5000m2以上甚至更大，如乡镇卫生院，乡镇府办公建筑大楼，乡镇派出所等等。此类建筑的负荷容量会较大，以3000 m2的建筑面积计算， 单位负荷指标120w/m2,得出总负荷为360kw。根据上式计算冷冻水流量为61.9 m3/h。以凯泉泵业集团的空调专用泵为例，选择KQW125/285-7.5/4,流量为65 m3/h，扬程为21m（水泵实际选型时还得根据管路、设置的总阻力损失，从而确定扬程），电机功率为7.5kw。如果采用大温差系统8℃，则计算冷冻水流量为38.6 m3/h，可以选择KQW100/285-5.5/4，流量为40.5m3/h，扬程为21m（水泵实际选型时还得根据管路、设置的总阻力损失，从而确定扬程），电机功率为5.5kw。采用大温差可以节省水泵的耗功率约为2kw，一年运行150天，8h/天计算可得水泵可节省的电能为2400kwh。
冷水机组的耗功与运行工况有关, 若采用降低冷冻水初温, 会使冷水机组的蒸发温度降低, 从而会使冷水机耗功增大, COP 值下降。因此, 设计人员在实际工程中应综合考虑各方面的影响, 根据具体情况选用合适的冷冻水初温和温差在此基础上，核算由于采用大温差水系统，机组的能耗增加量与水泵能耗的减少量的权衡比较计算，进而考虑是采用常规的水系统还是大温差系统。
6.2.6 水质处理与节能
水质污垢、腐蚀及青苔对制冷系统影响极大，也是空调能耗高的重要原因。特别是对于地源热泵而言，地下水水源热系统和地表水水源热泵系统对水质的要求较高。特别是换热设备产生污垢、锈蚀、锈渣和污泥，使管道堵塞，制冷量下降，浪费电能。
对于地埋管地源热泵系统和闭式地下水系统而言，随着长时间的换热循环，换热埋管内的水需要清洗，避免换热器产生污垢，降低换热效率，系统能耗增加。
对于开式地下水地源热泵系统和地表水水源热泵系统而言，水质的处理显得尤为重要，良好的水质处理是保证换热设备不结垢，不锈蚀，管道不至于堵塞的最根本措施。因此，必须定期对空调系统水质进行处理。
6.3 空调设备节能设计
6.3.1 设备选型
6.3.1.1 地源热泵机组的设备选型
1）机组本身的性能系数COP
在电动压缩式机组的选择时，机型的选择应根据性能价格比进行，采用名义工况制冷性能系数（COP）较高的产品，COP 值应考虑满负荷与部分负荷因素。
2）环保性能
地源热泵机组本身以土壤、地下水和地表水为热源（热汇），属于环保的空调机组，所以应该从地源热泵的制冷剂着手。
R12已经在规定在2006年淘汰，R22是用的比较多的两种制冷剂，特别是R22的使用，但R22是A1类 (低毒性不可燃) 制冷剂，是一种HCFC物质而将被淘汰。
R22是综合性能最为优秀的制冷剂,在R22制冷剂的设计、制造、运行、维修等方面已成功地积累了数十年的经验,它对臭氧层的破坏也很小(ODP值仅0.05),有一定的GWP值(0.36),从理论预测及实践表明,目前还找不到一种ODP为零的单工质其综合性能可与R22相媲美。 其中欧盟要求所以国家在2015年前禁用R22，美国在2020年前禁用R22，中国在2040年前完全禁用R22。
现在制冷机组正向R-134a转移。R134a是A1类 (低毒性不可燃) 制冷剂，ODP值为零但GWP为1300，它的换热性能很好，是一种较好的备选制冷剂。
小型制冷机组的两种主要候选制冷剂是R407C和R-410A，R-407C是一种由HFC-32、HFC-125和 HFC-134a组成的非共沸混合物，其性质已被调配到很接近R-22。
尽管制冷剂对气候改变的直接影响才3%到4 %，但制冷系统的能耗问题和环保问题将迫使人类追求高效、环保的制冷系统的设计。
3）带卫生热水的地源热泵空调机组
能提供卫生热水，这将大大的提高整个系统的性能系数。热回收机组回收冷凝热是将热量提供给生活热水的一种有效和低成本的节能环保方法，其主要特点如下：
（1）热回收机组充分利用制冷系统的废热，将制冷系统中产生的低品位热量有效的利用起来，是经济有效的节能技术。
（2）热回收机组减少了排放到环境的废热。
（3）热回收机组的使用，减少了热水加热系统或设备的容量，从而减少了不可再生能源的使用。
但是热回收具有单位时间内产水量不高、水温有限和季节性等缺点，通常需要辅助热源，而且适用场合也要受到一定的限制。这种热水系统特别适合用于宾馆、酒店和娱乐场所等既需要空调制冷又需要热水的场合，如果系统设计合理，在满足客人热水需求的同时，又能节约大量的燃料费用。对于村镇建筑而言，对空调制冷和热水的需求不如酒店，因此热回收应该慎重考虑采用。
6.3.1.2 冷、暖水泵配置
水泵是冷冻水在管路中循环的动力，是水系统的心脏，是完成冷热量输送和转移的重要设备。水泵的选择如下：
1) 冷冻水系统流量的计算
6.9
式中：—冷冻水的体积流量，m3 / s;
—空调系统的冷负荷，KJ/h;
—循环水的密度，一般取1000kg / m3;
—冷冻水的回水温度，℃；
—冷冻水的供水温度，℃；
c —水的比热，一般取c=4.187kJ/(kg•℃)。
冷冻水泵的流量确定还必须考虑冷水机组蒸发器的流量要求，对于单台水泵水泵流量取额定流量的1.1倍，两台水泵并联时取额定流量的1.2倍。
2) 冷冻水泵扬程计算
对于空调冷冻水系统，一般采用闭式系统。对于闭式冷冻水系统，水泵的扬程计算如下：
6.10
式中：—管路的沿程阻力损失，m；
—管路的局部阻力损失，m；
—地源热泵机组蒸发器的阻力损失，m；
水泵的配置与选择将直接影响着整个中央空调系统的运行能耗，因此必须注意空调水泵的配置与选择。目前，空调水系统在设计上存在着一些问题及其选型注意事项：
1) 选择水泵是按设计值查找水泵样本参数确定，而不是按水泵的特性曲线选定水泵型号。
水泵是长期运转设备，功率选定后不可调，设计选型时要注重长远的运行能耗，不仅要按设计值查找水泵样本铭牌参数确定，而且要按水泵的特性曲线选定型号。
水泵总是与特定的管路相连，工作状态点由水泵的性能曲线与管路的特性曲线共同决定。设计空调水系统应进行必要的水力计算，根据设计流量计算出在该流量下管路的阻力，在对流量和扬程乘以一定的安全系数后，进行水泵的选择，以确保选用水泵的扬程合理。水泵扬程选取不能认为越大越保险，而要重视运行的经济性，避免随意加大扬程。
基于村镇住宅中的空调水系统流量小，扬程小的特点，更应该避免选择功率过大，扬程过大的水泵。
2) 大流量、小温差现象
这种现象普遍存在，设计中供、回水温差一般取5℃，但经实测，夏季冷冻水回水温差较好的为3.5℃，较差的只有1.5～2℃，造成实际水流比设计水量大1.5 倍以上，使水泵电耗大大增加。
针对以上情况，特别是村镇公共建筑的空调水系统特点，应该选择高效率的变频泵，根据负荷的变化而进行流量的调节，使整个地源热泵空调系统在部分负荷下的性能系数也较高，进而达到节能的目的。
3) 冷、暖水泵分设
由于取暖时的热水温差为10℃，是常规制冷时的5℃温差的2倍，对于夏热冬冷地区而言，冬季的取暖负荷本身就要小于夏季制冷负荷，约为夏季冷负荷的0.6-0.7。所以从理论上来讲，冷暖水泵分设对于提高系统的COP是很有潜能的。
对于北方地区的村镇住宅而言，冬季取暖的要求高于夏季制冷的要求，故对于此类地区的面积较大的村镇建筑可以看考虑冷暖水泵分设。如乡镇卫生院，学校，政府办公建筑等，此类村镇公共建筑面积能达到3000-5000m2，冷水和热水的量差别较大，故可以考虑冷、暖水泵分设。
对于南方的夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，冬季取暖的要求相对较低，主要是以制冷为主，不建议采用冷暖水泵分设。

6.3.2 调节控制
6.3.2.1 单台机组控制方式
对于单台机组的调节,如用于村镇住宅建筑，由机组自带的微处理器控制器,根据冷冻水温度设定值及偏差进行加载/卸载,与蒸发器的负荷匹配,将冷冻水温度控制在设定的范围内。
6.3.2.2 多台机组控制方式
为了节约能源，根据冷源系统总负荷水平进行冷水机组运行台数的控制，目的是使运行的冷水机组台数能够满足系统负荷的需要外，并使运行的冷水机组尽可能在其效率最高的工况区运行。
运行台数控制的出发点是：
1、控制系统冷冻水的供应量（总流量）始终保持在刚好满足系统负荷要求的水平；
2、确保系统供回水总管之间最不利负荷处的压力差稳定在某个预设定值；
3、根据系统负荷量和当前机组的供应能力的差值，决定下一次启或停的时机。在机组运行台数控制程序的原则是应最接近系统需求值并使冷水机组处于最佳工作效率点周围
对于两台机组及辅机(井水冷却泵、冷冻泵) 的群控，如用于村镇公共建筑，由热泵机组控制系统根据建筑负荷情况(热泵的供回水温度变化)启停机组，改变运行的台数，保障机组高效和安全运行。 有些设备厂家提供这样的冷热源机组的中央群控系统，也可在分中心监控计算机上通过数据采集，设计控制逻辑，对机组发出启停指令来实现。
6.3.2.3 水泵变频控制方法
当前应用较多的空调冷热水循环泵变转速调节方法有定压差控制、定末端压差控制、最小阻力控制和温差控制。
1) 最小阻力控制
最小阻力控制是根据空调冷热水循环系统中各空调设备的调节阀开度，控制冷热水循环泵的转速，使这些调解阀中至少有一个处于全开状态的控制方法。
实施最小阻力控制的是一种有较好发展的控制方法，但其要求空调冷热水系统要全部使用两通比例调解阀，对于村镇建筑空调系统而言，采用这种控制方式造成控制网络设置较复杂，初投资比较大，不适宜在乡镇建筑推广应用。
2) 定末端压差控制
控制末端(最不利)环路压差保持恒定的控制方法称为末端压差控制。此控制方法的做法是：根据空调水系统中处于最不利环路中空调设备前后的静压差，控制冷热水循环泵的转速，使此静压差始终稳定在设定值附近。定末端压差控制是应用最多的控制方法，但在很多情况下不能确定最末端回路，节能效果不显著。
进行变流量压差控制时，测压点应设在最不利环路负荷两侧，而不应在供回水总管上安装测压点，如图6.10所示，压差传感器测得最不利环路负荷两侧点A1和点A2 两点的压差△P=P1-P2，将压差信号△P传给控制器CTRL，控制器CTRL 根据实测的压差信号△P 和预先设定的定压值△PS调节变频器的输出频率，当△P>△PS 时，说明用户需水量减小，应调低变频器的输出频率，反之，应调高变频器的输出频率，从而维△ P 为定值。

图6.10 末端定压差变频控制
3) 温差控制
控制供、回水干管水温差保持恒定的控制方法，称为温差控制，如图6.11。当负荷下降时，如流量保持不变，则回水温度下降，温差相应变小，要保持温差不变，可通过控制温差控制器、变频器来降低水泵转速，减少水流量，此时水泵能耗以转速三次方的关系递减。对于村镇建筑空调系统，特别是村镇住宅容易实现，采取这种方法成本较低，可行性高。
变频泵系统的温差控制法的基本控制原理图，在水系统的供回水管上分别安装温度传感器Tg 和Th，温差传感器△T 计算供回水温差△T = Tg -Th，将所得值△T传给控制器CTRL，CTRL将所得的供回水温差△T与设定的标准温差△TS（一般为5 ℃）进行比较，调节变频器VF的输出频率。

图6.11 温差变频控制
6.3.2.4 室内末端设备与节能
对于村镇