中央空調冷卻水、冷凍水系統的變頻節能分析

曹 華， 張九根

(南京工業大學 自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引 言

中央空調水系統的負載主要是制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔風機[1]。其中冷卻水泵和冷凍水泵的容量根據最大設計熱負荷選定，且留有10%～20%的設計余量。在沒有調速的系統中，水泵只能采用節流或回流的方式調節流量，不僅造成能量極大浪費，還造成空調末端負荷要求得不到滿足。20世紀80年代初發展起來的變頻調速技術是在不改變管路特性曲線的基礎上改變泵的轉速以調節流量[2]。在空調變流量水系統中，變頻泵作為關鍵設備，能根據用戶對負荷要求動態調節水泵驅動電機的輸入頻率，從而改變水泵轉速，減少輸送動力，起到節能目的。變頻調速比節流控制更節能，但變頻調速并非完全適用的，例如變頻水泵選型不合適或運行控制不合理，水泵處于低揚程運行，效率很低。變頻改造需要因地制宜，經過詳細地水力計算和負荷波動統計，才能準確預測改進后的運行情況。

1 冷卻泵、冷凍泵工作原理和循環水系統分析

1.1 中央空調水系統制冷原理

中央空調是以水為載冷劑實現制冷的系統，通過冷熱源、水、空氣的循環把末端房間的熱量帶至外界實現制冷功能。中央空調核心制冷過程是壓縮式冷水機組采用冷凍劑循環制冷?？照{水系統工作流程如圖1所示。

圖1 空調水系統工作流程

壓縮機將液態制冷劑與蒸發器中的冷凍水熱交換，制冷劑吸收冷凍水大量熱在蒸發器中蒸發為氣體，從而降低冷凍水溫度，冷凍水在冷凍泵的驅動下在換熱盤管中與空氣逆流熱交換達到降低室溫的目的。蒸發為高溫高壓的制冷劑氣體與冷凝器中的冷卻水熱交換，冷凝成中溫氣體，在冷卻泵的驅動下冷卻塔將高溫冷卻水與空氣進行熱交換，將熱量散入大氣環境中去，降低冷卻水溫度，進行下一個循環。由此可知，中央空調水系統能耗主要集中在冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵和風機上。

1.2 循環泵不同配置方式及節能分析

合理設計空調水系統是節能運行的關鍵。對冷水機組定流量負荷側變流量的一級泵系統、二級泵系統進行節能分析。冷水機組定流量一級泵系統是在冷源側和負荷側之間的供水回管上設置電動二通閥，根據負荷要求調節閥門開度，使負荷側環路按照變流量運行，由于不加入變頻器，屬于節流調節。整個水系統邏輯上分為冷源側和負荷側，負荷側水循環總量隨各用戶負荷變化而變化。但循環泵的部分能量消耗在旁通水路上，因此一級泵系統適用于中小規模，流量和阻力較小的循環水系統。

從20世紀90年代初，變頻器在水泵上的應用日益普及，二級變頻泵已得到廣泛使用。與一級泵相比，二級泵系統分為初級泵和次級泵，即二級泵在一級泵系統上加入次級泵進行變頻調速，次級泵在設計上無論是總流量還是揚程上與原一級泵保持不變。次級泵流量應根據供冷回路的冷負荷綜合最大值確定，其揚程為二次管路、管件阻力及末端設備之和[3]。加入平衡管將冷水系統分為冷水制備和冷水輸送，形成一次和二次環路，負責冷水機組和負荷側水量呈同步變流量運行。二級泵在節約能耗上有更大優勢，次級泵與管路特性曲線圖如圖2所示。

圖2 次級泵與管路特性曲線圖

當采取節流調節方式，減小閥門開度，管路特性曲線由R0變為R1，流量由Q0降為Q1，工況點由A變為B。當次級泵采取變頻調速，部分負荷時，減小水泵轉速，變頻泵轉速由n0降為n1，流量同樣由Q0降為Q1，工況點由A變為C，而揚程H0從降為H2。節流調節時，水泵消耗的功率正比于面積H1OQ1B，變頻調節時，水泵消耗功率正比于H2OQ1C，顯然變頻調節比節流調節更節能。水泵效率基本不變，由圖2中效率曲線1，可看出變頻泵的機械效率，在適度流量調節范圍內變頻泵運行效率保持穩定[4]。

二級泵不僅在節約能耗上有優勢，還能很好地解決水系統因非曲線特性造成的冷水機組與負荷側流量控制不同步的問題。值得注意的是，二級泵揚程不宜選擇過大，否則變頻泵近端壓差大于實際阻力，系統回水直接從平衡管進入供水管，造成供回水溫差降低，而一般要保持溫差在5～7℃[5]。實際工程中，初級泵流量要大于次級泵流量，則初級泵多余的水量可從平衡管回流到冷水機組，所以平衡管的管徑要盡可能大，以減小旁通阻力。

2 循環水系統的節電量計算

目前關于空調變流量節能技術的定性結論多，定量研究和計算方法少，可操作性差，因而影響了在實際中的廣泛使用。在工程改造中也存在一些問題，沒有合理的節能核算方法，忽略了冷卻水系統靜壓作用，普遍按照功率與流量的三次方定律進行計算，夸大了節能效果。科學的節電率計算，對水泵能耗及管路阻力的考慮，重新匹配水泵、優化管路，對變頻改進十分必要。

常規空調系統中，一般冷卻水系統為開式系統，冷凍水系統為閉式系統。根據水泵相似定律，水泵運行功耗與流量的三次方成正比，雖然冷卻水、冷凍水的變流量運行對冷卻泵和冷凍泵的節能有利，卻忽視了變流量運行對冷水機組性能系數的影響，制冷機的制冷效率(COP)會下降。原因在于冷卻水系統、冷凍水系統工作原理存在差異，在冷凍水組成的閉式循環系統中，水泵功率可按與流量的三次方進行計算。其中，由泵的相似定律可得到冷凍水泵變頻運行時的耗功率為

P1=Γ3Pd

(1)

式中：Pd——冷凍水泵額定功率；

P1——部分負荷時冷凍泵功率；

Γ——冷水機組負荷率。

部分負荷變頻運行時，冷凍水泵單位時間節電量為

ΔP1=Pd-P1=Pd(1-Γ3)

(2)

而由冷卻水組成的開式循環系統，由于水塔與冷凝器存在高度差，故水的靜壓作用不可避免，變頻泵的部分節能效果受水壓高度影響，若按功率與流量三次方來計算，就會高估節能率。實際上變頻泵的有效功率不僅克服由水壓差引起的塔體揚程，還克服管路阻力等。

冷卻水開式系統中，揚程與體積流量的關系為

H=H0+SG2

(3)

式中：H——冷卻水泵揚程；

H0——靜壓頭，其值為塔體揚程，約3m；

S——體積；

G——總流量。

將式(3)代入冷卻水泵的軸功率計算式得

(4)

式中：Pq——冷卻水泵額定功率；

P2——部分負荷時冷卻泵功率；

G1——冷卻水的流量。

其中，H0可忽略，故可簡化為

(5)

部分負荷變頻運行時，冷卻水泵節電量為

(6)

與冷凍水系統相比，冷卻水由于存在靜壓差，變頻節能效果差,在冷卻水系統上多耗的功為

(7)

文獻[7-8]分別給出冷卻水流量不變冷凍水流量變化時，冷凍水流量每下降10%，相應冷水機組COP值下降1.6%；冷凍水量不變冷卻水量變化時，冷卻水流量每下降10%，相應冷水機組COP值下降1.4%。

ΔCOP1=0.16(1-Γ)

(8)

ΔCOP2=0.14(1-Γ)

(9)

當冷卻水系統、冷凍水系統流量同時變化時對冷水機組COP值的影響還沒有定量給出，將二者影響疊加作為對冷水機組COP值的綜合影響，則

ΔCOP=ΔCOP1+ΔCOP2=0.3-0.3Γ

(10)

冷水機組由于性能系數降低而多消耗的功率為

(11)

式中：Q——冷水機組瞬時制冷量。

(12)

(13)

上式為總節電量計算式，考慮了變流量運行對冷水機組性能的影響和冷卻水系統靜水壓力的存在，而不是簡單按功率與流量三次方來計算節電量。

冷卻泵系統由于存在靜水壓差，相比冷凍泵多耗的能量在改造時應考慮在內。水泵功率在系統中所占比例越大，其節能效果越好。功率比10%為臨界狀態，當功率比<10%時，變頻運行不但不節能反而更耗能[9]。原因在于變頻泵對冷水機組性能系數的影響，冷水機組COP下降多耗的能量大于變頻泵所節約的能量。

3 中央空調水系統變頻控制改進方案

由于冷卻水系統管路結構比較固定單一，可定為一次循環，最好使用進出口溫差來調節，溫度能較好地反映負荷波動情況。另外，一般冷卻水設計溫差為4～5℃，冷凍水設計溫差為5～7℃[10]，相對而言，對冷卻水系統采用溫差控制難度較小。對于冷凍水系統，存在多種選擇，主要采用溫差和壓差為控制量。對于溫差作控制量，理論上若不考慮冷凍水在傳輸中的損失，制冷機出水溫度和回水溫度之差代表冷凍水從房間帶走的熱量，故以溫差為主的控制方式，比壓差控制能更好地反映系統供冷負荷[11]。但這種控制方式尚屬于開環控制，受外界環境、氣候因素影響，其擾動很大，效果不理想；對于壓差作控制量，即以制冷主機的出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據，如圖2所示，流量從Q0變為Q1時，工況點由A點變為B點，水泵揚程從H0變為H2，為了保持壓力不變，將水泵轉速從n0降為n1，通過水系統內壓差變化來調節轉速，進行壓差控制。

本文根據冷卻水、冷凍水系統的規模、系統阻力和管路流量要求進行改進。以冷凍水系統為例，根據系統規模大小，采用冷水機組定流量一級泵系統或采用冷水機組定流量二級泵系統。采用一種應用于二級泵系統中溫度和壓力聯合控制的方法，冷凍泵控制方案流程圖如圖3所示。

圖3 冷凍泵控制方案流程圖

圖3中，外環為溫差調節，內環為壓差調節。該控制模式下，由于冷凍水出水溫度取決于蒸發器的運行參數(一般為7℃)，控制冷凍水回水溫度即可控制溫差?；厮疁囟冉o定與實際回水溫度的差值，經過溫度調節器調節后，轉換為壓力參數，作為給定值，進入次級泵，比較給定壓力與實際循環水壓的偏差，經過壓力調節器后作為變頻器的頻率設定信號。此系統可把冷凍水回水溫度較好地控制在設定值，在滿足空調主機工況不變的情況下，冷凍水系統節能最大。

在內環壓差控制環節中，采用多泵并聯的恒壓供水系統。其最基本的模式是采用變頻泵固定運行方式： 其中一臺泵是變頻泵，其余為工頻泵，根據流量的變化，由控制器控制工頻泵的自動投入或退出。以3臺水泵組成的給水系統為例，變頻泵固定運行方式如圖4所示。

圖4 變頻泵固定運行方式

本文提出變頻泵循環運行方式，如圖5所示。在低流量時，變頻器帶動一臺水泵運行，隨流量的變化調節水泵轉速；當流量變大，變頻泵頻率到達50Hz時，變頻泵切換到工頻運行，同時變頻器帶動下一臺水泵軟起動；隨著流量進一步增大，以后各臺水泵軟起動以此類推。當流量突然減小須停泵時，最先轉為工頻運行的水泵先停。相對于變頻泵固定運行方式，這種運行方式的優點在于： (1) 泵起動全部采用變頻器軟起動方式，壓力上升平穩，對電網、水泵、管路、閥門無沖擊。(2) 通過優化調度，可隨意安排起動順序，節約大量電能。(3) 當變頻泵出現故障，通過控制器的切換，使變頻器帶動其余水泵變頻運行。

圖5 變頻泵循環運行方式

以ABB公司的ADS401型變頻器和Siemens公司的CPU224型可編程序控制器組成的變頻泵循環運行方式為例，介紹循環運行無擾動切換的實現。系統由變頻器、監頻監相控制器、可編程序控制器、接觸器、繼電器、轉換開關等組成。當流量增大時，變頻器輸出頻率升至工頻電源頻率，系統進入切換等待；當變頻器輸出相位與工頻電源相位一致時，監頻監相控制器輸出同相信號，可編程序控制器通過切換接觸器把變頻泵從變頻電源切至工頻電源，實現無擾動切換。切換的步驟一般為： (1) 變頻器停機；(2) 在輸出側進行切換；(3) 在切換完成后，變頻器帶另一臺水泵重新起動。以圖5中變頻泵由2號泵轉為1號泵為例： (1) 繼電器KA斷開，變頻器自由停機；(2) 斷 開接觸器KM4，閉合KM3,2號水泵切換至工頻電源；(3) 閉合KM2，閉合KA，變頻器帶1號泵開始運行。

某系統由3臺18.5kW 的電動機各帶1臺冷凍泵并聯組成的冷凍水循環系統，由3臺 18.5kW 的電動機各帶1臺冷卻泵組成的冷卻水循環系統，應用上述變頻器和可編程序控制器組成的變頻泵循環運行方式對電動機進行變頻調速控制。兩套系統均42Hz，原系統所有技術指標都不變，通過在電源進線側用測電流方法計算節電率，變頻泵改進前后的測試參數如表1所示。

表1 變頻泵改進前后測試參數 A

以1號冷卻泵電動機為例，固定運行方式消耗的功率為

P= 1.732UIcosα=1.732×380×27.3×

0.9kW=16.17kW

改進后消耗的功率為

P′= 1.732UI′cosα=1.732×380×16.1×

0.9kW=9.54kW

(P-P′)/P=(16.17-9.51)/16.17=41%

冷凍水和冷卻水系統經技術改進后，實際節電率約41%。

4 結 語

冷卻水、冷凍水系統不同程度影響著冷水機組制冷效率。根據系統規模、管路阻力大小選擇一級泵系統還是二級泵系統，且二級泵系統中次級泵合理的變頻改進能節約大量能耗。壓差控制在水系統中的應用最普遍，相對而言，溫差控制能更好地反映負荷的波動性，但受環境、氣候因素影響大。在變頻控制策略上綜合壓差控制與溫差控制優點，對變頻泵運行方式作進一步的改進，可顯著提高空調水系統的節能效果。

【參考文獻】

[1] 鄭濱輝.模糊控制在中央空調變頻節能及其末端房間的應用研究[D].杭州： 浙江大學，2012.

[2] 王子榮,周春冬.有關變頻水泵節能技術的分析[J].黑龍江科技信息，2013(7): 20.

[3] 張承維.變頻調速技術用于中央空調系統節能[D].貴陽： 貴州大學，2008.

[4] 胡書琴，張九根.變頻節能技術在中央空調水系統中的應用研究[J].電氣應用，2007,26(9)： 128-131.

[5] 王冷非.變流量空調冷水系統的分析和比較[J].暖通空調，2013，43(4)： 36- 40．

[6] 班廣生，劉忠偉，余鵬.建筑采暖與空調節能設計與研究[M].北京： 中國建筑工業出版社： 2011.

[7] 孟彬彬，朱穎心，林波榮．部分負荷下一次泵水系統變流量性能研究[J].暖通空調，2002，32(6)： 108-110.

[8] 封小梅，簡棄非，左政．冷卻水系統變流量的全年工況節能分析建筑科學[J].建筑科學，2010，26(4)： 80-84.

[9] 陳金山,冀兆良,施楊.空調水系統變頻節能改造全年節電率預測方法探討[J].制冷與空調，2013，13(1)： 27-30.

[10] 趙太新.變頻調速在中央空調系統節能中的應用[J].節能技術，2008，26(1)： 60- 63.

[11] 郭杰.中央空調水系統的變頻改造[J].化工準備技術，2013，34(1)： 55-57.