【摘 要】 一次泵變流量系統(tǒng)隨著變頻器的發(fā)展才慢慢發(fā)展起來，發(fā)展時(shí)間較短。本文介紹了一次泵變流量系統(tǒng)中冷水機(jī)組效率的變化研究、不同控制方式對(duì)系統(tǒng)節(jié)能研究及系統(tǒng)的水力特性問題。

【關(guān)鍵詞】 一次泵變流量系統(tǒng) 冷水機(jī)組效率 控制方式 水力特性

0引言

由于化石燃料成本上升和環(huán)境問題，降低供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的能耗變得越來越重要，可持續(xù)能源和節(jié)能系統(tǒng)是許多國家政策的優(yōu)先事項(xiàng)[1]。我國目前還處于發(fā)展中階段，能源消耗量大是我國必須面對(duì)但又亟待解決的問題。其中建筑能耗在社會(huì)總能耗中占30%左右，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗在建筑能耗中占50%以上，而在集中空調(diào)系統(tǒng)中，冷水泵和冷卻水泵的能耗約占20%-30%[2]。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)極端工況條件下來進(jìn)行的，空調(diào)設(shè)備選型也是根據(jù)設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行的并且在施工過程中常常出現(xiàn)“選大不選小”的情況。大量研究表明空調(diào)系統(tǒng)全年大約90%的時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，大馬拉小車的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生造成了能源的大量浪費(fèi)，因此如何使空調(diào)水系統(tǒng)在部分負(fù)荷下降低能耗是我們急需解決的問題。這對(duì)提高能源利用率，節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)我國的生態(tài)文明建設(shè)起到了積極的推動(dòng)作用。一次泵變流量系統(tǒng)是一種水泵變速運(yùn)行的水系統(tǒng)形式，和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)不同的是通過冷水機(jī)組的循環(huán)水流量也是變化的。

1.冷水機(jī)組效率研究

一次泵變流量系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是冷水機(jī)組也是變流量運(yùn)行。雖然變流量對(duì)機(jī)組運(yùn)行有著不利的影響[3]：①蒸發(fā)器（或冷凝器）內(nèi)水流速改變會(huì)改變水側(cè)放熱系數(shù)αw ，影響傳熱。②管內(nèi)流速太低，若水中含有有機(jī)物或鹽，在流速小于1 m/s時(shí)，會(huì)造成管壁腐蝕。③避免由于冷水流量突然減小，引起蒸發(fā)器的凍結(jié)。但隨著制造工藝的發(fā)達(dá)，各種冷水機(jī)組都有自動(dòng)控制裝置，根據(jù)流量的變化改變運(yùn)行狀況保持在高效率運(yùn)行。冷水機(jī)組蒸發(fā)器水側(cè)傳熱系數(shù)aw與水流速w的0.8次冪成正比，部分負(fù)荷時(shí)蒸發(fā)器的傳熱量大于所需冷量，并且生產(chǎn)廠家在其樣本中通常都會(huì)給出蒸發(fā)器和冷凝器的允許流速變化范圍，如美國某公司為1.06～3.66 m/s（樣本上給出的冷水量相當(dāng)于流速1.45 m/s）。由于進(jìn)入蒸發(fā)器的冷媒流量是隨負(fù)荷下降而改變的，如果冷水機(jī)組的冷水流量也是隨負(fù)荷按比例變化，在蒸發(fā)器內(nèi)是不會(huì)發(fā)生凍結(jié)的。因此對(duì)冷水機(jī)組的冷水系統(tǒng)進(jìn)行變流量運(yùn)行是完全可能的， 不會(huì)對(duì)冷水機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響[4]。

一次泵變流量系統(tǒng)由于冷水機(jī)組也是變流量運(yùn)行，通常來說冷水機(jī)組循環(huán)水變流量時(shí)，機(jī)組cop會(huì)下降，看系統(tǒng)是否節(jié)能就要比較水泵變頻所節(jié)約的能耗與機(jī)組cop下降所增加的能耗來判斷。在此問題上也有很多研究。孫一堅(jiān)通過實(shí)例說明變流量系統(tǒng)運(yùn)行特性及節(jié)能效果在其具體實(shí)例中采用變頻調(diào)速進(jìn)行變流量運(yùn)行全年可節(jié)電8萬kWh左右，變頻器投資1～2年即可回收。由于冷水機(jī)組的變流量控制在70%以內(nèi)，不會(huì)對(duì)其安全運(yùn)行造成影響[4]。GideonEdgardu Plessis在礦井冷卻系統(tǒng)中開發(fā)了冷卻輔助實(shí)時(shí)能量管理系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)流量下，冷凝器水流量保持恒定，并在所有機(jī)器滿載運(yùn)行時(shí)，采用蒸發(fā)器水流控制，通過一系列試驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同水流量對(duì)制冷機(jī)性能的影響得出了機(jī)組平均cop提高了10%[5]。孟彬彬等人從熱力學(xué)角度分析了一次泵變流量運(yùn)行對(duì)冷水機(jī)組COP值的影響，并得出結(jié)論：1）流量的減小導(dǎo)致了蒸發(fā)器傳熱數(shù)的降低，總相對(duì)傳熱系數(shù)大約和相對(duì)流量的0.2次冪成正比 ;2）在供回水溫度不變的條件下流量變?yōu)樵O(shè)計(jì)流量的 60 %， 蒸發(fā)溫度下降不到 1℃，COP 值降低的幅度不超過10%。李志生等人研究了定流量/變溫差和變流量/定溫差條件下冷水流量變化對(duì)機(jī)組性能的影響，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)冷水機(jī)組制冷量與冷水流量呈線性關(guān)系變化，此時(shí)冷水機(jī)組的 COP 值基本保持穩(wěn)定;在冷水機(jī)組允許的負(fù)荷條件下，定流量/變溫差和變流量/定溫差兩種控制方式的平均COP差值小于5.1%[6]。這些研究都表明通常情況下變流量運(yùn)行冷水機(jī)組的cop會(huì)下降，但下降的幅度不大。只要水泵節(jié)能效果發(fā)揮出來，整個(gè)系統(tǒng)節(jié)約能耗的潛力很大。

2.水泵控制方式研究

水泵變頻運(yùn)行理論上所耗功率與流量的三次方成正比。但是在實(shí)際工程中，此方法計(jì)算水泵變頻調(diào)節(jié)后的運(yùn)行能耗，往往不能得出正確結(jié)果，這是因?yàn)橹挥性诠芫W(wǎng)特性曲線不變的條件下才能使用，水泵能耗受到多種因素的影響。

水泵節(jié)能潛力受水泵控制方式的影響 。水泵控制方式主要有恒定供回水干管間壓差的干管壓差控制法 、恒定系統(tǒng)最不利支路壓差的末端壓差控制法 、恒定系統(tǒng)供回水溫差的溫差控制法、最小阻力控制。周紅丹研究了水泵在不同控制方式下系統(tǒng)流量分別為50%、70%、90%的能耗對(duì)比并得出三種控制方式下水泵能耗為干管壓差控制﹥末端壓差控制﹥溫差控制[7]。孫一堅(jiān)結(jié)合水流量變化對(duì)末端裝置運(yùn)行的影響分析了一級(jí)泵水系統(tǒng)采用溫差控制在不同流量時(shí)水泵的能耗情況并和壓差控制比較，采用壓差控制法進(jìn)行變流量控制， 其節(jié)能效果較差[8]。徐亦波通過定量計(jì)算明確了前者的節(jié)能效果優(yōu)于后者。分析了最小阻力控制的可行性 ，認(rèn)為最小阻力控制在系統(tǒng)構(gòu)成和控制方法上均比定末端差壓控制簡單[9]。姚國梁對(duì)干管壓差控制法和末端壓差控制法分別進(jìn)行了詳細(xì)敘述得出了干管壓差控制法“流量減少50%，功率降低87.5%”的推論是不可能的。末端壓差控制法水泵消耗的功率既不與流量的一次方成正比，也不與流量的三次方成正比，應(yīng)介于二者之間[10]。黃奕沄等人引入了控制壓差比的概念，表示壓差控制值與水泵進(jìn)出口壓差的比值，分析了在0-1之間不同取值水泵壓差變頻控制的特性;對(duì)比了一次泵和二次泵變頻的值，指出相同條件下，一次泵變頻的節(jié)能效果總是優(yōu)于二次泵變頻;最后導(dǎo)出了空調(diào)冷水泵變頻揚(yáng)程比和軸功率比的簡化計(jì)算公式[11]，揚(yáng)程比的計(jì)算公式與水泵性能曲線無關(guān)，有較高的實(shí)用價(jià)值：

式中N為水泵變頻后的軸功率;N0為水泵設(shè)計(jì)軸功率;a為流量比，表示水泵變頻后的流量與設(shè)計(jì)流量的比值; η0 為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)水泵效率;η為水泵變頻后的效率;H為水泵變頻后的揚(yáng)程;H0為水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程。由此可以得出一次泵變流量系統(tǒng)，水泵能耗與流量的三次方成正比在實(shí)際情況中是不可能實(shí)現(xiàn)的。水泵的控制方式不同所節(jié)約的能耗也是不一樣的。

3.水力特性分析

一次泵變流量系統(tǒng)由于在冷熱源側(cè)也實(shí)現(xiàn)了變流量，在運(yùn)行中出現(xiàn)了其獨(dú)有的水力特性。這一方面研究的較少，應(yīng)該引起我們的重視沈翔[12]分析了末端壓差控制僅僅依靠最不利環(huán)路中空調(diào)設(shè)備前后的靜壓差來控制冷熱水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速不一定可以滿足各種運(yùn)行工況下各個(gè)空調(diào)末端設(shè)備的供回水壓差要求。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)的最不利環(huán)路其實(shí)是變化的，應(yīng)該為各個(gè)環(huán)路編寫優(yōu)先級(jí)，然后再布置測點(diǎn)，運(yùn)行中優(yōu)先級(jí)最高且末端設(shè)備處于使用時(shí)的管路為實(shí)際最不利環(huán)路。這樣才能使系統(tǒng)的可靠性高，但是成本也會(huì)提高。李蘇瀧[13]對(duì)不同控制方法適合的場合進(jìn)行了分析，溫差控制法適用于用戶端不設(shè)調(diào)節(jié)閥 、空調(diào)區(qū)域個(gè)性化要求不高的場合?？照{(diào)區(qū)域有個(gè)性化要求時(shí)，不宜采用溫差控制法，比較理想的控制方法是最小阻力控制法，但由于對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)化控制要求高在實(shí)際工程中很少使用宜采用末端壓差控制方式。用戶側(cè)變流量調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)由于“穩(wěn)定性差”還存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，即某些支路的閥門改變開度時(shí)，引起其他支路的流量跟著改變的水力失調(diào)。江億[14]定量的給出了各支路可調(diào)性和穩(wěn)定性的定義及它們的具體計(jì)算方法與現(xiàn)場實(shí)測方法。可調(diào)性受管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、水泵的特性的影響。研究了支路的阻力和該支路外管網(wǎng)其它部分對(duì)可調(diào)性Ri的影響。

式中為相對(duì)流量，K為閥門開度。在穩(wěn)定性的研究中支路i的穩(wěn)定性被定義為：當(dāng)調(diào)節(jié)支路i的閥門，使該支路流量變化ΔGi時(shí)，若此支路與其他支路相互影響，由于支路i的調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致各支路的流量都有一些變化。其中一部分支路不希望流量被改變 ，因此可以調(diào)整這些支路的閥門，使這些支路的流量恢復(fù)到原來的流量，但這又使支路i流量變化ΔGi ， 這兩個(gè)流量變化之比稱作支路 i 的穩(wěn)定性KS：

秦緒忠等人則采用此方法對(duì)比了異程系統(tǒng)、同程系統(tǒng)、分布式變頻泵系統(tǒng) 、混水系統(tǒng)以及環(huán)形管網(wǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)以后空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)提供了依據(jù)[15]。

4.總結(jié)

一次泵變流量系統(tǒng)中冷水機(jī)組完全可以正常運(yùn)行，循環(huán)水流量的變化對(duì)冷水機(jī)組的效率有一定的影響，但影響不是很大，在特殊情況下還可能有益，只要水泵的節(jié)能效果發(fā)揮出來，系統(tǒng)總的來說是節(jié)能的。不同水泵控制方式的節(jié)能效果不同，在實(shí)際運(yùn)行中，水泵能耗與流量的三次方成正比在實(shí)際情況中是不可能實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)在變流量過后會(huì)出現(xiàn)一些特殊的水力特性，需要我們引起注意和研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Dong C， Huang GH， Cai YP， Liu Y. Robust planning of energy management systems with environmental and constraint-conservative considerations under multiple uncertainties. Energy Convers Manage 2013;65：471–86.

[2] 汪訓(xùn)昌.空調(diào)冷水系統(tǒng)的沿革與變流量一次泵水系統(tǒng)的實(shí)踐[ J] .暖通空調(diào)， 2006 ， 36（7）：32-40

[3] 高養(yǎng)田.空調(diào)變流量水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展.暖通空調(diào)， 1996 ， 26（3）

[4] 孫一堅(jiān).空調(diào)水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制[ J] .暖通空調(diào)，2001， 31（6）：5-7

[5] Plessis G E D ， Liebenberg L ， Mathews E H . Case study： The effects of a variable flow energy saving strategy on a deep-mine cooling system[J]. Applied Energy， 2013， 102（none）：700---709.

[6] 李志生，張國強(qiáng)， 劉建龍， et al. 基于冷水量變化的冷水機(jī)組性能測試與故障診斷[J]. 暖通空調(diào)， 2006， 36（8）.

[7] 周紅丹，符永正. 一次泵變流量系統(tǒng)不同控制方式的節(jié)能對(duì)比分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)， 2009， 28（1）：75-78.

[8] 孫一堅(jiān).空調(diào)水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制（續(xù)1）：水流量變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的影響[J]. 暖通空調(diào)， 2004， 34（7）：60-62.

[9] 徐亦波.空調(diào)冷熱水循環(huán)泵變轉(zhuǎn)速節(jié)能控制方法[J].暖通空調(diào)，2004， 34（9）：32-35.

[10] 姚國梁. 空調(diào)變頻水泵節(jié)能問題探討[J]. 暖通空調(diào)， 2004， 34（6）：32-34.

[11] 黃奕沄， 張玲. 壓差控制水泵變頻調(diào)節(jié)的工作特性探討[J].暖通空調(diào)，? ? 2006， 36（4）：75-78.

[12] 沈翔， 王建民. 也談空調(diào)冷熱水循環(huán)泵變頻節(jié)能問題——兼論《空調(diào)變頻水泵節(jié)能問題探討》和《空調(diào)冷熱水循環(huán)泵變轉(zhuǎn)速節(jié)能控制方法》兩文[J]. 暖通空調(diào)， 2006， 36（4）：47-49.

[13] 李蘇瀧. 一次泵系統(tǒng)冷水變流量節(jié)能控制研究[J].暖通空調(diào)， 2006， 36（7）.

[14] 江億. 管網(wǎng)可調(diào)性和穩(wěn)定性的定量分析[J]. 暖通空調(diào)， 1997（3）：1-7.

[15] 秦緒忠， 江億. 供熱空調(diào)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J]. 暖通空調(diào)， 2002， 32（1）.

作者簡介：何哲，19950805，男，湖南省漣源市，漢，碩士，中原工學(xué)院，建筑節(jié)能。