中央空調(diào)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)的變頻節(jié)能分析

曹 華， 張九根

(南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引 言

中央空調(diào)水系統(tǒng)的負(fù)載主要是制冷機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)[1]。其中冷卻水泵和冷凍水泵的容量根據(jù)最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選定，且留有10%～20%的設(shè)計(jì)余量。在沒(méi)有調(diào)速的系統(tǒng)中，水泵只能采用節(jié)流或回流的方式調(diào)節(jié)流量，不僅造成能量極大浪費(fèi)，還造成空調(diào)末端負(fù)荷要求得不到滿足。20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速技術(shù)是在不改變管路特性曲線的基礎(chǔ)上改變泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量[2]。在空調(diào)變流量水系統(tǒng)中，變頻泵作為關(guān)鍵設(shè)備，能根據(jù)用戶對(duì)負(fù)荷要求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入頻率，從而改變水泵轉(zhuǎn)速，減少輸送動(dòng)力，起到節(jié)能目的。變頻調(diào)速比節(jié)流控制更節(jié)能，但變頻調(diào)速并非完全適用的，例如變頻水泵選型不合適或運(yùn)行控制不合理，水泵處于低揚(yáng)程運(yùn)行，效率很低。變頻改造需要因地制宜，經(jīng)過(guò)詳細(xì)地水力計(jì)算和負(fù)荷波動(dòng)統(tǒng)計(jì)，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)改進(jìn)后的運(yùn)行情況。

1 冷卻泵、冷凍泵工作原理和循環(huán)水系統(tǒng)分析

1.1 中央空調(diào)水系統(tǒng)制冷原理

中央空調(diào)是以水為載冷劑實(shí)現(xiàn)制冷的系統(tǒng)，通過(guò)冷熱源、水、空氣的循環(huán)把末端房間的熱量帶至外界實(shí)現(xiàn)制冷功能。中央空調(diào)核心制冷過(guò)程是壓縮式冷水機(jī)組采用冷凍劑循環(huán)制冷?？照{(diào)水系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 空調(diào)水系統(tǒng)工作流程

壓縮機(jī)將液態(tài)制冷劑與蒸發(fā)器中的冷凍水熱交換，制冷劑吸收冷凍水大量熱在蒸發(fā)器中蒸發(fā)為氣體，從而降低冷凍水溫度，冷凍水在冷凍泵的驅(qū)動(dòng)下在換熱盤(pán)管中與空氣逆流熱交換達(dá)到降低室溫的目的。蒸發(fā)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(qū)動(dòng)下冷卻塔將高溫冷卻水與空氣進(jìn)行熱交換，將熱量散入大氣環(huán)境中去，降低冷卻水溫度，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。由此可知，中央空調(diào)水系統(tǒng)能耗主要集中在冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵和風(fēng)機(jī)上。

1.2 循環(huán)泵不同配置方式及節(jié)能分析

合理設(shè)計(jì)空調(diào)水系統(tǒng)是節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)冷水機(jī)組定流量負(fù)荷側(cè)變流量的一級(jí)泵系統(tǒng)、二級(jí)泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析。冷水機(jī)組定流量一級(jí)泵系統(tǒng)是在冷源側(cè)和負(fù)荷側(cè)之間的供水回管上設(shè)置電動(dòng)二通閥，根據(jù)負(fù)荷要求調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，使負(fù)荷側(cè)環(huán)路按照變流量運(yùn)行，由于不加入變頻器，屬于節(jié)流調(diào)節(jié)。整個(gè)水系統(tǒng)邏輯上分為冷源側(cè)和負(fù)荷側(cè)，負(fù)荷側(cè)水循環(huán)總量隨各用戶負(fù)荷變化而變化。但循環(huán)泵的部分能量消耗在旁通水路上，因此一級(jí)泵系統(tǒng)適用于中小規(guī)模，流量和阻力較小的循環(huán)水系統(tǒng)。

從20世紀(jì)90年代初，變頻器在水泵上的應(yīng)用日益普及，二級(jí)變頻泵已得到廣泛使用。與一級(jí)泵相比，二級(jí)泵系統(tǒng)分為初級(jí)泵和次級(jí)泵，即二級(jí)泵在一級(jí)泵系統(tǒng)上加入次級(jí)泵進(jìn)行變頻調(diào)速，次級(jí)泵在設(shè)計(jì)上無(wú)論是總流量還是揚(yáng)程上與原一級(jí)泵保持不變。次級(jí)泵流量應(yīng)根據(jù)供冷回路的冷負(fù)荷綜合最大值確定，其揚(yáng)程為二次管路、管件阻力及末端設(shè)備之和[3]。加入平衡管將冷水系統(tǒng)分為冷水制備和冷水輸送，形成一次和二次環(huán)路，負(fù)責(zé)冷水機(jī)組和負(fù)荷側(cè)水量呈同步變流量運(yùn)行。二級(jí)泵在節(jié)約能耗上有更大優(yōu)勢(shì)，次級(jí)泵與管路特性曲線圖如圖2所示。

圖2 次級(jí)泵與管路特性曲線圖

當(dāng)采取節(jié)流調(diào)節(jié)方式，減小閥門(mén)開(kāi)度，管路特性曲線由R0變?yōu)镽1，流量由Q0降為Q1，工況點(diǎn)由A變?yōu)锽。當(dāng)次級(jí)泵采取變頻調(diào)速，部分負(fù)荷時(shí)，減小水泵轉(zhuǎn)速，變頻泵轉(zhuǎn)速由n0降為n1，流量同樣由Q0降為Q1，工況點(diǎn)由A變?yōu)镃，而揚(yáng)程H0從降為H2。節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，水泵消耗的功率正比于面積H1OQ1B，變頻調(diào)節(jié)時(shí)，水泵消耗功率正比于H2OQ1C，顯然變頻調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)更節(jié)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(jī)械效率，在適度流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變頻泵運(yùn)行效率保持穩(wěn)定[4]。

二級(jí)泵不僅在節(jié)約能耗上有優(yōu)勢(shì)，還能很好地解決水系統(tǒng)因非曲線特性造成的冷水機(jī)組與負(fù)荷側(cè)流量控制不同步的問(wèn)題。值得注意的是，二級(jí)泵揚(yáng)程不宜選擇過(guò)大，否則變頻泵近端壓差大于實(shí)際阻力，系統(tǒng)回水直接從平衡管進(jìn)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(shí)際工程中，初級(jí)泵流量要大于次級(jí)泵流量，則初級(jí)泵多余的水量可從平衡管回流到冷水機(jī)組，所以平衡管的管徑要盡可能大，以減小旁通阻力。

2 循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)電量計(jì)算

目前關(guān)于空調(diào)變流量節(jié)能技術(shù)的定性結(jié)論多，定量研究和計(jì)算方法少，可操作性差，因而影響了在實(shí)際中的廣泛使用。在工程改造中也存在一些問(wèn)題，沒(méi)有合理的節(jié)能核算方法，忽略了冷卻水系統(tǒng)靜壓作用，普遍按照功率與流量的三次方定律進(jìn)行計(jì)算，夸大了節(jié)能效果?？茖W(xué)的節(jié)電率計(jì)算，對(duì)水泵能耗及管路阻力的考慮，重新匹配水泵、優(yōu)化管路，對(duì)變頻改進(jìn)十分必要。

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中，一般冷卻水系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，冷凍水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)。根據(jù)水泵相似定律，水泵運(yùn)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(yùn)行對(duì)冷卻泵和冷凍泵的節(jié)能有利，卻忽視了變流量運(yùn)行對(duì)冷水機(jī)組性能系數(shù)的影響，制冷機(jī)的制冷效率(COP)會(huì)下降。原因在于冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)工作原理存在差異，在冷凍水組成的閉式循環(huán)系統(tǒng)中，水泵功率可按與流量的三次方進(jìn)行計(jì)算。其中，由泵的相似定律可得到冷凍水泵變頻運(yùn)行時(shí)的耗功率為

P1=Γ3Pd

(1)

式中：Pd——冷凍水泵額定功率；

P1——部分負(fù)荷時(shí)冷凍泵功率；

?！渌畽C(jī)組負(fù)荷率。

部分負(fù)荷變頻運(yùn)行時(shí)，冷凍水泵單位時(shí)間節(jié)電量為

ΔP1=Pd-P1=Pd(1-Γ3)

(2)

而由冷卻水組成的開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，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(jié)能效果受水壓高度影響，若按功率與流量三次方來(lái)計(jì)算，就會(huì)高估節(jié)能率。實(shí)際上變頻泵的有效功率不僅克服由水壓差引起的塔體揚(yáng)程，還克服管路阻力等。

冷卻水開(kāi)式系統(tǒng)中，揚(yáng)程與體積流量的關(guān)系為

H=H0+SG2

(3)

式中：H——冷卻水泵揚(yáng)程；

H0——靜壓頭，其值為塔體揚(yáng)程，約3m；

S——體積；

G——總流量。

將式(3)代入冷卻水泵的軸功率計(jì)算式得

(4)

式中：Pq——冷卻水泵額定功率；

P2——部分負(fù)荷時(shí)冷卻泵功率；

G1——冷卻水的流量。

其中，H0可忽略，故可簡(jiǎn)化為

(5)

部分負(fù)荷變頻運(yùn)行時(shí)，冷卻水泵節(jié)電量為

(6)

與冷凍水系統(tǒng)相比，冷卻水由于存在靜壓差，變頻節(jié)能效果差,在冷卻水系統(tǒng)上多耗的功為

(7)

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

ΔCOP1=0.16(1-Γ)

(8)

ΔCOP2=0.14(1-Γ)

(9)

當(dāng)冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)流量同時(shí)變化時(shí)對(duì)冷水機(jī)組COP值的影響還沒(méi)有定量給出，將二者影響疊加作為對(duì)冷水機(jī)組COP值的綜合影響，則

ΔCOP=ΔCOP1+ΔCOP2=0.3-0.3Γ

(10)

冷水機(jī)組由于性能系數(shù)降低而多消耗的功率為

(11)

式中：Q——冷水機(jī)組瞬時(shí)制冷量。

(12)

(13)

上式為總節(jié)電量計(jì)算式，考慮了變流量運(yùn)行對(duì)冷水機(jī)組性能的影響和冷卻水系統(tǒng)靜水壓力的存在，而不是簡(jiǎn)單按功率與流量三次方來(lái)計(jì)算節(jié)電量。

冷卻泵系統(tǒng)由于存在靜水壓差，相比冷凍泵多耗的能量在改造時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。水泵功率在系統(tǒng)中所占比例越大，其節(jié)能效果越好。功率比10%為臨界狀態(tài)，當(dāng)功率比<10%時(shí)，變頻運(yùn)行不但不節(jié)能反而更耗能[9]。原因在于變頻泵對(duì)冷水機(jī)組性能系數(shù)的影響，冷水機(jī)組COP下降多耗的能量大于變頻泵所節(jié)約的能量。

3 中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻控制改進(jìn)方案

由于冷卻水系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)比較固定單一，可定為一次循環(huán)，最好使用進(jìn)出口溫差來(lái)調(diào)節(jié)，溫度能較好地反映負(fù)荷波動(dòng)情況。另外，一般冷卻水設(shè)計(jì)溫差為4～5℃，冷凍水設(shè)計(jì)溫差為5～7℃[10]，相對(duì)而言，對(duì)冷卻水系統(tǒng)采用溫差控制難度較小。對(duì)于冷凍水系統(tǒng)，存在多種選擇，主要采用溫差和壓差為控制量。對(duì)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(jī)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(tǒng)供冷負(fù)荷[11]。但這種控制方式尚屬于開(kāi)環(huán)控制，受外界環(huán)境、氣候因素影響，其擾動(dòng)很大，效果不理想；對(duì)于壓差作控制量，即以制冷主機(jī)的出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據(jù)，如圖2所示，流量從Q0變?yōu)镼1時(shí)，工況點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，水泵揚(yáng)程從H0變?yōu)镠2，為了保持壓力不變，將水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎0降為n1，通過(guò)水系統(tǒng)內(nèi)壓差變化來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行壓差控制。

本文根據(jù)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)的規(guī)模、系統(tǒng)阻力和管路流量要求進(jìn)行改進(jìn)。以冷凍水系統(tǒng)為例，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模大小，采用冷水機(jī)組定流量一級(jí)泵系統(tǒng)或采用冷水機(jī)組定流量二級(jí)泵系統(tǒng)。采用一種應(yīng)用于二級(jí)泵系統(tǒng)中溫度和壓力聯(lián)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(huán)為溫差調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)為壓差調(diào)節(jié)。該控制模式下，由于冷凍水出水溫度取決于蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)(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(shí)際回水溫度的差值，經(jīng)過(guò)溫度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)換為壓力參數(shù)，作為給定值，進(jìn)入次級(jí)泵，比較給定壓力與實(shí)際循環(huán)水壓的偏差，經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)器后作為變頻器的頻率設(shè)定信號(hào)。此系統(tǒng)可把冷凍水回水溫度較好地控制在設(shè)定值，在滿足空調(diào)主機(jī)工況不變的情況下，冷凍水系統(tǒng)節(jié)能最大。

在內(nèi)環(huán)壓差控制環(huán)節(jié)中，采用多泵并聯(lián)的恒壓供水系統(tǒng)。其最基本的模式是采用變頻泵固定運(yùn)行方式： 其中一臺(tái)泵是變頻泵，其余為工頻泵，根據(jù)流量的變化，由控制器控制工頻泵的自動(dòng)投入或退出。以3臺(tái)水泵組成的給水系統(tǒng)為例，變頻泵固定運(yùn)行方式如圖4所示。

圖4 變頻泵固定運(yùn)行方式

本文提出變頻泵循環(huán)運(yùn)行方式，如圖5所示。在低流量時(shí)，變頻器帶動(dòng)一臺(tái)水泵運(yùn)行，隨流量的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)流量變大，變頻泵頻率到達(dá)50Hz時(shí)，變頻泵切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器帶動(dòng)下一臺(tái)水泵軟起動(dòng)；隨著流量進(jìn)一步增大，以后各臺(tái)水泵軟起動(dòng)以此類推。當(dāng)流量突然減小須停泵時(shí)，最先轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行的水泵先停。相對(duì)于變頻泵固定運(yùn)行方式，這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)在于： (1) 泵起動(dòng)全部采用變頻器軟起動(dòng)方式，壓力上升平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)、水泵、管路、閥門(mén)無(wú)沖擊。(2) 通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，可隨意安排起動(dòng)順序，節(jié)約大量電能。(3) 當(dāng)變頻泵出現(xiàn)故障，通過(guò)控制器的切換，使變頻器帶動(dòng)其余水泵變頻運(yùn)行。

圖5 變頻泵循環(huán)運(yùn)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(huán)運(yùn)行方式為例，介紹循環(huán)運(yùn)行無(wú)擾動(dòng)切換的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)由變頻器、監(jiān)頻監(jiān)相控制器、可編程序控制器、接觸器、繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等組成。當(dāng)流量增大時(shí)，變頻器輸出頻率升至工頻電源頻率，系統(tǒng)進(jìn)入切換等待；當(dāng)變頻器輸出相位與工頻電源相位一致時(shí)，監(jiān)頻監(jiān)相控制器輸出同相信號(hào)，可編程序控制器通過(guò)切換接觸器把變頻泵從變頻電源切至工頻電源，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。切換的步驟一般為： (1) 變頻器停機(jī)；(2) 在輸出側(cè)進(jìn)行切換；(3) 在切換完成后，變頻器帶另一臺(tái)水泵重新起動(dòng)。以圖5中變頻泵由2號(hào)泵轉(zhuǎn)為1號(hào)泵為例： (1) 繼電器KA斷開(kāi)，變頻器自由停機(jī)；(2) 斷 開(kāi)接觸器KM4，閉合KM3,2號(hào)水泵切換至工頻電源；(3) 閉合KM2，閉合KA，變頻器帶1號(hào)泵開(kāi)始運(yùn)行。

某系統(tǒng)由3臺(tái)18.5kW 的電動(dòng)機(jī)各帶1臺(tái)冷凍泵并聯(lián)組成的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，由3臺(tái) 18.5kW 的電動(dòng)機(jī)各帶1臺(tái)冷卻泵組成的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)用上述變頻器和可編程序控制器組成的變頻泵循環(huán)運(yùn)行方式對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。兩套系統(tǒng)均42Hz，原系統(tǒng)所有技術(shù)指標(biāo)都不變，通過(guò)在電源進(jìn)線側(cè)用測(cè)電流方法計(jì)算節(jié)電率，變頻泵改進(jìn)前后的測(cè)試參數(shù)如表1所示。

表1 變頻泵改進(jìn)前后測(cè)試參數(shù) A

以1號(hào)冷卻泵電動(dòng)機(jī)為例，固定運(yùn)行方式消耗的功率為

P= 1.732UIcosα=1.732×380×27.3×

0.9kW=16.17kW

改進(jìn)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(tǒng)經(jīng)技術(shù)改進(jìn)后，實(shí)際節(jié)電率約41%。

4 結(jié) 語(yǔ)

冷卻水、冷凍水系統(tǒng)不同程度影響著冷水機(jī)組制冷效率。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、管路阻力大小選擇一級(jí)泵系統(tǒng)還是二級(jí)泵系統(tǒng)，且二級(jí)泵系統(tǒng)中次級(jí)泵合理的變頻改進(jìn)能節(jié)約大量能耗。壓差控制在水系統(tǒng)中的應(yīng)用最普遍，相對(duì)而言，溫差控制能更好地反映負(fù)荷的波動(dòng)性，但受環(huán)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(yōu)點(diǎn)，對(duì)變頻泵運(yùn)行方式作進(jìn)一步的改進(jìn)，可顯著提高空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能效果。

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