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中央空调冷热水泵变频节能性能与实施策略研究

概述

目前，市场上普遍认为在空调水变频控制系统中，变频水泵能耗与水泵转速的三次方成正比的关系。即如果泵转速是其额定转速的1/2，则功耗只有额定值的1/8，节能达到87.5%！笔者结合某大厦变频改造项目的经验，通过现场实测，对实际的节能效果进行了数据分析和总结，供同行参考。此外，在此工作基础上提出空调水变频控制系统实施策略，为空调系统节能改造提出完整的设计思路。

一、水泵变频控制理论

根据水泵的相似定律,在相似点处水泵的转速、流量、扬程和功率之间存在以下关系:

式中分别为水泵在额定工况下的转速,流量,扬程和功率; ?分别为水泵在转速下的转速,流量,扬程和功率。将式(1) 代入式(3) 得到

式(4) 表明,水泵的有效功率与流量的三次方成正比。
基于上述定律，不少变频器生产厂家也给出了变频水泵节能效果的计算公式：当转速下降时，流量按线性关系变化，功率按立方关系下降。在我国能源形势非常紧张、能源利用效率不高的国情以及可持续发展国策的情况下，风机水泵变频节能前景确实诱人。
但不可忽视的前提是，上述论述是在泵相似工况时成立的。实际上泵是在水系统中运行的, 从系统的观点来看,对泵完全相似运行的要求,是对整个水系统的,如果整个水系统不相似,水泵也不可能处在相似工况，因此不能把泵从水系统中孤立出来分析。很明显,在图1中，只有和管网特性曲线R1的交点A和额定工况点A0是相似的，工程上常用的“一变多定”的变频节能水泵系统构成方案，只适用于定压变流量系统。因为工频水泵的额定压头是不变的，并联的变频水泵工况点只能沿着等压线ΔP0移动，A、B两点不相似。

    图1 管网特性曲线
在中央空调水系统中,室内温度的调节通常通过电动二通磁阀控制空调水的通断来实现，在负荷的调节过程中,流量的减少是由水泵转速和电动二通阀共同作用的结果,致使管路特性曲线在负荷调节过程中发生改变，当负荷减小时，管网特性曲线抬升，因此，空调水系统的控制方式不符合相似条件，则实际节能率也会与理论计算有所偏差。
因此，为了验证上述论点，我们对某大厦的中央空调冷热水泵变频控制系统的实际的节能效果进行了测试分析。

二、某大厦水泵变频控制系统节能性能实测分析

2.1  空调系统概况
某大厦地上建筑面积约为27000m2，地下室面积约为3000m2，总建筑高度91.6m。地下共2层，地上24层，为餐饮和办公综合建筑。
大厦设计夏季空调冷负荷为3953 kW，设计冬季热负荷为2756 kW。中央空调系统为两管制，由冷冻机房进行冬夏季集中转换控制和管理。夏季供回水设计温度为7℃/12℃，冬季采暖供回水设计温度为60℃/56℃。
冷热源主机采用二台直燃煤气吸收式溴化锂机组，每台制冷量为2110 kW，制热量为1865 kW，额定冷温水量363 m3/h，冷却水量544 m3/h (冷却水温差为32℃～38℃)，额定燃气量424 m3/h，额定电功率12 kW。
空调冷热水循环水泵共3台，为德国WILO卧市离心泵，额定流量为400 m3/h，扬程为32 m，额定功率为45 kW。
系统供水由分水器共分两路，一路供应裙房1～3层，另一路供应4～24层。空调水系统的裙房立管和主楼立管、平面管道均为同程式。
系统空调末端选用YORK牌空调机、新风机和风机盘管。
2.2 变频改造方案
改造前，通过对大厦全年空调负荷模拟计算结果及数据分析发现：建科大厦原设计负荷过大，导致冷热源装机容量偏大，机组绝大部分时间低负荷运行，即使在夏季极端温度下负荷率也只有70％左右。且由于该大厦办公楼层的负荷占了相当大的比例，且空调系统为间歇运行。在节假日和夜间办公楼层空调关闭的情况下，大厦实用负荷远低于一台溴化锂机组的制冷能力，且机组因年久陈旧缺乏自调能力，造成“大马拉小车”的现象，浪费能源。
在全年空调负荷分析基础上，进一步分析全年水系统的流量变化情况。在空调供回水温差保持不变的情况下，空调循环水量是随空调负荷变化而变化的。因此采暖期和制冷期均可以通过调节水泵频率降低流量以满足负荷需求，从而实现节约水泵电能。
在上述分析基础上，大厦进行了中央空调系统变频节能改造，增加了两台变频器,一套应用于原有冷热水泵（1＃和2＃泵）的变频控制系统，而原3＃泵仍保留工频控制。系统变频器额定输出功率为90kW，所以可单独用于1＃泵或2＃泵，也可同时用于1＃泵＋2＃泵的并联工况。变频器的工作频率根据冷热水总供回水压差实测值不断调整。通过现场调试，将压差设定值定为0.4bar，这样在冬、夏季工况下，两台水泵基本以36Hz的频率工作同时满足末端负荷的要求，水泵处于节能工作状态。其控制策略是：先启动一台水泵，当冷热水供回水压差高于0.4bar时，控制水泵工作频率下降；当低于0.4bar时，控制水泵工作频率下降上升。如果频率达到上限50Hz而冷热水压差仍低于0.4bar，则考虑投入第二台冷热水泵，运转时两台水泵以同一频率工作。因为系统压差相对于系统负荷具有时滞性，因此无需进行超前调节，采用PI控制算法，P=0.8，I=8.1，系统调节速度快，稳定性好。
2.3 水泵变频控制系统实测分析
为了比较变频节能的效果，我们从2007年12月开始，将变频的压差设定值调整为1.4 bar以使水泵工频运行，因为两台水泵即使工作在上限频率50 Hz，也无法达到设定的压差值，这同时也说明在调试过程中，压差设定值是相当重要的，要在实际调试中不断摸索的。从2008年1月1日开始，将变频的压差设定值调整为0.4 bar，频率基本稳定在36Hz。由于去年12月和1月的室外平均温度相近，而且设备运行工况一致，皆为1#溴化锂机组、两台水泵工作，因此，通过对大厦电力分项计量系统在线监测、统计的两个月能耗数据并进行比较分析，得出变频控制的实际节能率如表1：

表1
此外，水泵在36 Hz运行时，两台水泵总功率由在50 Hz时的85 Kw降低为35 Kw，水泵节能率过半；但溴化锂机组功率并不发生改变，仍为20Kw，原因是空调水流量导致了煤气能耗降低。因此，在上表中冷机月电耗虽有所下降，但并非由冷机功率下降所致，而是由于两个月冷机的运行时间不同所致。总体来说，变频控制系统的节能效果还是非常明显的。但具体水泵能耗与转速存在何种关系，还需进一步验证。为此，我们通过现场测试，得出以下关系：

1）流量与水泵的频率的对应关系

测试选取了6个点，结果如表2：

表2
根据实际运行数据作出的流量与水泵的频率的对应关系如图2：

                                   图2
通过对实测值的分析，流量与水泵的频率的一次方成正比。
2）水泵的节能性能测试
冷热水泵耗电性能测试中选取了7个点，结果如表3：

表3
根据实际运行数据作出的频率与水泵电流的对应关系如图3：

图3
通过对实测值的分析，水泵的工作电流与频率的一次方成正比，则水泵的功率与频率的一次方成正比，而非与三次方成正比。因此，节能性能要比理论计算的要小得多。
3）水泵的转速与频率的对应关系，测试选取了6个点，结果如表4：

表4
根据实际运行数据作出的水泵的转速与频率的对应关系如图4：

图4
通过对实测值的分析，水泵的转速与频率并非成一次方关系，而是存在拐点，即频率与转速无数学对应关系。
综上所述，实际水泵功耗与频率、水流量成一次方关系，而水泵的转速与频率并非成一次方关系，所以通常所说的“变频水泵能耗与水泵转速的三次方成正比的关系”在本空调系统中是不成立的。

三、水泵变频控制系统节能性能理论分析

当前给水工程中应用的变频调速装置,根据控制方式不同,有恒压变量与变压变量之分。变频水泵能耗与水泵转速的三次方成正比的关系成立的前提是水泵转速改变前后的工作点应为水泵的相似工况点, 若采用供回水定压差控制，水泵扬程基本不变,为恒压控制系统。
实际上，水泵轴功率与哪些运行参数存在数学关系，可根据以下推理：
水泵轴功率的计算公式应如下：
（Kw） （5）
----水泵轴功率
----水的密度，kg/cm3
----水泵流量
----水泵扬程
η———水泵效率
由式（5）可以看出，水泵的轴功率与流量成正比，随流量的减少而降低。因此，实际上,水泵轴功率应按下式计算:
（Kw） （6）
g ———重力加速度,m/ s2 。
图1中A 、B 为非相似工况点,转速的降低将导致水泵效率有所下降。对于恒压变量系统,当Q′= 0. 8 Q ,而H′= H 时,
（7）
对于变压变量系统,当Q′= 0.8 Q ,而H′= h0 + S (0.8 Q) 2 时,

若采用供回水定压差控制，水泵扬程基本不变，从以上分析可以看出,如果做变压差控制的一次泵变频调速装置应用于给水系统可以实现节能的目的,只是节能幅度要小于厂家宣传,另外还可看出变压变量系统节能幅度要高于恒压变量系统。空调水系统在末端采用电动二通阀控制，管道特性在负荷调节过程中发生变化，不符合相似定律，水系统为定压变流量系统。
由上述分析可以看出，N与流量成正比，随流量的减少而降低，而流量的减少是由于末端电动二通阀动作与水泵共同作用的结果，由于管道阻力的改变，工作点并非沿着等压线移动，管道特性曲线已经改变。即转速下降时，水泵功耗也相应下降，但下降的幅度没有按照三次方的关系下降，而是按照恒压变量系统的调节方式，水泵的有效功率只与流量的一次方成正比,而不是与流量的三次方成正比。此外，采用变频以后，电机的功率因数也会相应提高，因此，空调水系统的流量调节不管是否符合相似规律，采用变频调速都可以起到节电效果，但其效果有夸大之嫌。

四、 空调水变频系统改造策略

4.1一次泵水系统变流量可行性判断方法

一次泵水系统变流量运行在实际工程中的应用完全的可行性需根据实际的空调水系统情况来确定，一般来说，由于受到原管路设计、阀门设计及使用过程中的不断变更等复杂因素的影响，需要在改造前对原系统的实际运行工况、设备性能参数等进行现场实地考察、测试后进行，不能完全依靠模拟计算的结果，该结果更加适用于设计阶段。设计改造时，要能够提供出整个泵装置电力配线与水系统结合后的效率评估，以备查询计算。
在分析一个一次泵空调水系统是否存在变频的条件，可采用如下步骤：
1）采用DeST所模拟的全年空调负荷计算空调系统的设计负荷是否偏大，一根据我国的空调设计标准，空调系统是按最大负荷来设计的，而且还会再乘以一个安全系数，所用设备的选择都是按最不利工况来选型的，而在大部分时间内，系统都是部分负荷在运行，几乎所有的制冷主机都能够根据实际负荷的变化自动调整运行工况，因此，节能的空间是肯定存在的，对有经验的人模拟计算这一环节往往可以跳过，直接进入下一环节；

2)查看系统参数，如冷冻泵的扬程等，分析是否满足建筑高度的供水要求；

3）测试冷冻水是否系统存在“小温差、大流量”的现象，一般小温差指低于20C～30C，说明设计负荷过大；
4）如存在“小温差、大流量”的现象，则可以进一步试验其是否存在变流量的可能性：在工频下，打开供回水旁通阀分流冷冻水，一定开度下，最远端楼层的空调系统仍能保证本层的舒适性调控需求。这一步试验成功，则证明如果低负荷时采用频率控制降低转速减少流量仍能保证最远端楼层的工作需求。
.4.2 变频控制策略
空调冷冻水系统的控制大方向是依据冷量变，但自控上似乎难以实现直接输入冷量信号，“供/回水温差”控制水泵转速的策略，实质还是依据冷量变。但如果仅以温差忽略压差为目标值组成闭环控制系统也是不行的，因为冷冻水如果在制冷机组中流量达不到一定值，会引起空调制冷机组停机；或者冷冻水循环不完全，使得高层楼的室内无冷风。因此，依据供/回水温差控制冷冻水流量的方式是不适用的。
供/回水压差控制做法是在供水管和回水管上各加装一只压力传感器，并加装一压差控制器，压差控制器并未直接对压力旁通阀进行控制，而是计算供/回水压差值，并将压差数值转换成4-20mA的标准信号，送到变频器的模拟量输入端，经变频器的数据处理系统计算并与设定压力值比较后，给出比例调节（PID）后的输出频率，以改变水泵电机的转速来恒定供回水管之间压差的目的，形成一个完整的闭环控制系统。由变频器对泵的转速进行调节。当管道用水量加大时，管道压差会有所下降，自控环节令变频器输出频率有所上升，电机转速随即上升，使管道压差回升至设定值；反之，频率会降低，管道压差相应回落，最终达到供回水压差恒定的目的。通过变频调速技术来控制冷冻水循环泵的转速（即改变冷冻水流量）来跟踪冷冻水的需求量，可以取消旁通水量，更好地解决压差平衡，并能大大地节约能源。而且压差相对温差的时滞性要小得多，所以在变频改造系统中建议采用供/回水压差控制。
.4.3 变频控制系统硬件设计
在系统硬件设计上，以本项目为例，为大家作一分析。
本项目变频器采用丹佛士VLT 6122，功率90 Kw,2个0-10V输入口，一个4-20mA输入口，供回水总管压差接入4-20mA输入口，采用供/回水压差控制策略。
输出控制目前采用的是一拖二的方式，即一路90 Kw输出带两台45 Kw的泵，这种方式运行时操作如下：
必须两台泵同时开或关，不能一台泵在运行时启动另外一台泵，必须关掉运行泵，再同时开启两台泵；因为如果一台泵在运行时启动另外一台泵，则被启动的泵会以工频投运，启动电流会对电网造成较大的冲击。另外需注意在运行时，不随随意硬性调整工作频率，必须让系统根据预设的控制策略自动运行；如一定要改变频率，可采用修改压差设定值的方式，本项目所作的现场测试即采用了这种方法。
以上操作方式具有明显操作不变，不是真正的自动化控制系统，解决这个问题有两种方式：

  1)外围加PLC方式1

设计目标：根据负荷需要，如果当一台泵在运行时，需要启动另外一台泵，无需手动方式，系统自动投入；单两台泵频率不一致，存在水泵压头损失。
硬件设计：将VLT6122的频率等运行参数信号输入PLC，VLT6122进行闭环控制，PLC开环控制。
软件设计：采用供/回水压差控制策略，则压差信号输入VLT6122，当一台泵运行到50 Hz时，如需启动另外一台泵，则电气设计上应采用零三角启动线路，并实现互锁，同时通过PLC将工频的那台甩开，然后以低频启动第二台泵,并由VLT6122进行频率控制。

   2)外围加PLC方式2

设计目标：根据负荷需要，如果当一台泵在运行时，需要启动另外一台泵，无需手动方式，系统自动投入；两台泵频率一致，无水泵压头损失。
硬件设计：将VLT6122的频率等运行参数信号输入PLC，VLT6122进行开环控制，PLC闭环控制。
软件设计：采用供/回水压差控制策略，压差信号输入PLC,由PLC进行运算，决定VLT6122控制频率，两台泵频率一致。

五、结束语
分析、设计空调变流量节能系统时，必须有水泵是在一个有机的系统整体里运行的理念。在系统中运行的水泵和其孤立时的性能有着本质的差别。真正意义上的变流量系统,应该不改变管路特性,而靠移动水泵工作点使之沿管路特性曲线移动,保持水泵在最高效率点运行,达到最大节能效果。但在实际工程中，保证相同工况的条件往往是难以实现的，因为用户末端盘管的二通阀调节势必引起管路特性的变化。但无论是定压还是变压，当转速下降时，功率并未按立方关系下降，实际的节能效果要远小于理论分析值。而在公共建筑中，通常为恒压变流量系统，水泵的轴功率与流量成正比，随流量的减少而降低。
空调水系统进行变频改造前，应对可行性进行现场实测分析，另外，软硬件系统设计上应根据运行需要和造价综合考虑，不能盲目拷贝其他项目的设计。

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