空调水系统变流量节能控制

摘要：空调水系统变流量节能控制已在工程上得到了大量应用。本文对变频调速水泵在应用中的相关问题，如变频泵的特性、最小转速的控制范围、不同控制方式的节能效果、变频泵与定速泵并联运行时的控制等进行了分析研究。

关键词：变频泵 定速泵 变流量控制

　　随着人们节能意识的加强，变频器价格的下降，空调水系统变流量节能控制技术已在工程上得到了大量应用，特别是应用于一级泵系统。在理论和实践上得到了广大专业人士的认同^[1，2]。但是，在实际应用中仍存在一定的盲目性，导致其节能效果不能得到充分发挥。本文将对变频调速水泵应用的相关问题进行分析研究。

1、变速泵的运行特性

　　水泵进行变速运行时，通常以下列公式作为计算依据。

（1）

（2）

（3）

　　式中

　　Q₀ 、H₀ 、n₀ 、N₀——水泵在额定工况下的流量、扬程、转速、功率，m³/h、 m、 r/min、 kw；
　　Q₁、H₁ 、n₁ 、N₁——水泵在实际工况下的流量、扬程、转速、功率，m³/h、 m、 r/min、 kw。

　　应当指出，上列公式是根据水泵的相似规律推导得出的。所谓相似是指在相似工况点上的物理量保持相似。因此，公式（1）、（2）、（3）在对应的相似工况点上才能成立。

　　从公式（1），（2）可知，

　　所以，所有的相似工况点必须满足下列公式：

（4）

　　效率作为一个物理量，从理论上讲，在相似工况点上效率都是相等的。根据公式（4），水泵变速运行时，其理论等效率曲线是一组交于原点的二次曲线，见图1。其中A、B两点是相似工况点，η_A＝η_B。A点和A’点则不是相似工况点，两者的效率也不同。

　　水泵在变转速运行时，实际的等效率曲线并非如图1所示。事实上转速增大时，水力损失要上升。转速下降时，轴功率下降，而机械损失相对增加，凡此种种将影响水泵总效率的改变。实践证明，对于同一型号水泵最高效率点只出现在某一特定转速下，在其它转速时效率均有所下降。图2是某一水泵的实际等效率曲线。从图2可以看出，该泵的最高效率η_max＝86.9％（Q₀＝630 m³/h）。当转速下降为n’＝0.6n₀（Q’＝372 m³/h）时，η’＝65％。

图1 水泵的理论等效曲线

2、影响水泵变频调速范围的因素

　　水泵采用变频调速运行时，原来按工频状态设计的水泵与电机的运行参数均会发生较大变化。水泵的变频调速范围必须经过综合考虑，结合实际计算确定。

2.1 转速对电机效率的影响

　　在工况相似的情况下，电动机功率N∝n³。随转速下降，轴功率会急剧下降。电机输出功率过度偏移额定功率，或者工作频率过度偏移工频，都会使电机效率下降过快，最终影响整个水泵机组效率。

　　由变频器驱动异步电动机时，电机电流会比工频供电时增大约5％，电机在低速运行时，冷却风扇的风量下降，会使电机温升增大，影响电机的安全运行。

图2 水泵的实际等效曲线

2.2 转速对变频器效率的影响

　　变频器的负载率β与效率η的关系如图3所示。转速下降时，变频器的效率有所下降。

图3 变频器效率曲线

2.3 转速对水泵效率的影响

　　综上所述，水泵转速调节范围不宜过大。通常应不低于额定转速的50％，最好在70－100％之间，当水泵的转速低于额定转速的40－50％时，水泵效率明显下降，节能效果也大大下降。

3、水泵变流量的控制方式对水泵运行节能的影响

　　水泵变流量控制，目前常用的有以下三种方式：

　　a) 供、回水干管压差保持恒定的压差控制（简称压差控制）；

　　b) 末端（最不利）环路压差保持恒定的末端环路压差控制（简称末端压差控制）；

　　c) 供、回水干管水温差保持恒定（△t＝5℃）的温差控制（简称温差控制）。

　　图4是不同控制方式下水泵运行工况示意图。采用不同的控制方式，所对应的管路特性曲线各不相同。曲线A是采用温差控制的管路特性曲线（即空调水系统原有的管路特性曲线）。Q＝0，管路系统阻力△H＝0，曲线B是采用末端压差控制时的管路特性曲线。H₁是末端环路要求保持的压差。Q＝0，△H＝H₁。曲线C是采用压差控制时的管路特性曲线，H₂是要求保持的压差。Q＝0时，△H＝H₂。

图4 不同控制方式下水泵运行工况图

　　水泵的流量从Q₀变化到Q₀’时，A、B、C三条曲线所对应的水泵转速分别为n_A、n_B、n_C。水泵的扬程分别为H_A，H_B，H_C。

　　为分析他们的节能效果，特举例说明。

　　某空调水系统水泵流量Q₀＝400 m³/h、扬程H₀＝33m、水泵轴功率N₀＝48 kw。采用压差控制H₂＝16m，采用末端压差控制H₁＝8m。当流量变化为Q₀’＝0.7 Q₀＝280 m³/h时，计算在三种不同控制方式下水泵节能效果。

　　① 温差控制 Q₀’＝280m³/h， H_A＝16.17m， η_A＝63％，N_A＝19.58kw；

　　② 末端环路压差控制 Q

₀’＝280m³/h， H_B＝20.25m， η_B＝68％，N_B＝22.72kw；

　　③ 压差控制 Q₀’＝280m³/h， H_C＝24.33m， η_C＝69％，N_C＝26.6kw；

　　它们的节电率分别为 φ_A＝59.1％，φ_B＝52.6％，φ_C＝44.6％。

　　从以上的分析可以看出，采用不同的控制策略它们的节能效果是不同的。这三种控制方式在工程上均有采用，针对某一工程采用何种控制策略，设计人员要根据空调水系统的具体情况加以分析判断。如系统的大小、负荷的组成、空调系统配置、水系统的阻力平衡、末端设备的同时使用率等。

4、在并联系统中变频泵的配置和运行

4.1 变频泵的配置

　　文献[1] 指出，在水泵的并联系统中变频泵的配置，从理论上讲应采用“一变多定”配置模式，这样可以提高水泵的整体效率。上述提法对空调负荷主要是随室外气象条件变化的民用建筑是适用的。因为对民用建筑而言，空调系统约有80％左右的时间是在设计负荷的50-60％以下运行。对于空调负荷是以工艺设备发热量为主的工业建筑而言，则应对全年空调负荷的分布特性进行分析，通过技术经济比较，才能确定是“一变多定”，还是全部采用变频调速。

4.2 变速泵与定速泵的并联运行

　　变速泵与定速泵的并联运行，相当于二台特性曲线不同的水泵并联运行，如图5所示。曲线B是一台定速泵单独运行时的特性曲线。曲线A是二台定速泵在额定工况下并联运行时的特性曲线。曲线C是采用压差控制的管路特性曲线，H₁是供、回水干管要求保持恒定的压差。虚线是指变频泵在不同转速下的特性曲线。实线n₁、n₂是指变频泵在不同转速下与定速泵并联时水泵的特性曲线。在额定工况下系统的流量为Q₀，一台水泵的流量为 Q₀’，水泵的扬程H₀，转速n₀。

图5 变速与定速水泵并联运行工况示意图

　　4.2.1 一台变频泵单独运行时最小转速的确定

　　空调水系统要求的最小水流量Q_min＝0.5 Q₀’。由此在管路特性曲线上求得对应的E点，该点所对应的扬程为H_E，转速为n₃。n₃即为一台变频泵单独运行时的最小转速，n₃＝n_min。

　　4.2.2 随需求的流量增大，变频泵根据恒压差 要求，不断提高转速，水泵的流量和扬程相应增大。当n＝n₀，水泵的工作点为K点，此时水泵的扬程H_K，流量Q_K，Q_K＞Q₀’（一台水泵的额定流量）。由于水泵流量超出额定值，应予先校核此时水泵轴功率是否超出电机的额定功率，以防电机超载。应当指出，按照上述运行方式，此时一台水泵同时向二台冷水机组供水。这种情况在现场经常发生，一台冷水机组停止运行后，并没有关闭进水阀门由一台水泵向二台冷水机组供水。

　　如果严格按照“一机一泵”模式进行，则变速泵和定速泵的切换应在
K’点提前进行。定速泵和变频泵提前投入并联运行。这样，水泵的节能效果会有所下降。此时变频泵的转速尚未达到额定转速n₀。

　　4.2.3 变频泵和定速泵并联运行时，泵的最小转速为n₂，在该转速下Q＝0、H＝
H₀，以防止因变频泵的扬程过低于定速泵发生倒灌。因此n₂是变频泵和定速泵并联运行时的最小转速。

　　4.2.4 随空调负荷增大，空调末端的调节阀开度增大，供、回水干管压差下降。此时变频泵的转速加大，扬程提高，并联水泵的工作点不断改变，由 K→2→1→0，一直到变频泵转速达到额定值n＝n₀。

　　应当指出，“一变一定”并联运行相对于二台定速泵的并联运行，具有一定的节能效果。但是如果用二台变速泵并联运行其节能效果会更佳。两者节能效果的差别，将另文加以分析。在实际工程中采用何种配置要根据空调系统具体情况确定。

5、结论

　　5.1 水泵变速运行时，水泵的效率会相应发生改变。只是在某一特定转速范围内，才具有较高效率。

　　5.2 为保证变频泵的节能效果和运行安全，通常水泵的最小转速应不低于额定转速的50％，最好在70－100％的范围内。

　　5.3 空调水系统变流量运行的控制方式不同，其节能效果是不同的。采用何种控制方式应根据空调系统的具体情况确定。

　　5.4 采用“一变一定”并联运行应注意运行控制方式，实现节能安全运行。

参考文献

　　1 李志浩.2002年全国暖通空调学术年会综述.暖通空调, 2003（2）
　　2 朱伟峰.一次泵冷冻水系统直接应用变频的模拟分析及工程应用.制冷与空调,2003（1）
　　3 周谟仁主编.流体力学泵与风机.北京:建筑工业出版社,1985
　　4 王占奎.交流变频调速技术应用举例.北京：科学出版社.1995
　　5 孙一坚.空调水系统变流量节能控制.暖通空调,2001（6 ）