空调系统冷冻水循环水泵的节能设计方法.docx

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空调系统冷冻水循环水泵的节能设计方法

空调系统冷冻水循环水泵的节能设计方法

（中国矿业大学力学与建筑工程学院建环11-2班郭浩）

摘要：

建筑空调系统的运行负荷仅为设计负荷的50%～70%左右，而冷冻水泵作为空调系统中最主要的耗能设备，在整个系统运行过程中存在相当大的节能改

造空间。

本文从空调系统的节能重要性以及重点阐述的冷冻水循环水泵的节能，分析了空调系统的运行工况，从运行工况中得出空调能耗的原因，从冷冻水泵的单台、多台串并联的运行情况进行水泵选型，并从冷冻水一次泵变频节能和二次泵变流量两个方面对冷冻水循环水泵的节能坐车进一步阐述。

对水泵的选型方法作一定了解。

关键词：

冷冻水泵节能优化水泵选型一次泵二次泵

1课题研究的意义

中国是一个能源生产和消费大国。

近年来节能减排已成为国家生活乃至全社会关注的焦点，也是能源可持续发展的必由之路。

我国建筑能耗也已迅速上升到社会总能耗的33%以上。

空调系统、照明系统、动力系统构成了现代建筑的三大重要“器官”。

暖通空调已占到总建筑能耗的50%～60%。

在空调系统中，主要能耗设备有冷水机组、水泵、末端设备等,其中空调水泵的能耗大约占冷水机组能耗的13%左右。

空调负荷是随气象因素等条件的变化而变化的,因此空调系统在大部分时间内工作于部分负荷状态。

建筑空调系统的运行负荷仅为设计负荷的50%～70%左右，而冷冻水泵作为空调系统中最主要的耗能设备，在整个系统运行过程中存在相当大的节能改造空间。

本文主要就空调系统中冷冻水循环水泵的节能设计进行探讨，从冷冻水循环水泵的运行工况、水泵组合方式、水泵选型以及冷冻水一次泵、二次泵的节能设计角度进行分析。

2冷冻水系统耗能分析

中央空调系统包括了“末端风系统”、“输配系统”、“冷水机组”，具有“多输入、多输出、强耦合”等特点。

无论是冷水机组、冷冻水泵，又或者末端、阀门的控制策略的变化，均有可能导致冷冻水系统、甚至是冷水机组运行工况发生波动。

图2.1空调系统运行示意图

从上图可以看出，冷冻水作为流动“能质”，在冷冻水输配系统中可视为从冷水机组出发后为起点，经过冷冻水泵、阀门、末端后，回到冷水机组蒸发器，此为一个循环。

冷水机组同时作为“能质”流动的起点和终点。

空调冷水机组主要包括了以下四部分：

蒸发器，冷凝器、压缩机以及气液换热器，其中冷冻水作为“能质”流经蒸发器与制冷剂进行热交换；压缩机为冷水机组的中枢元件，通过制冷剂工况的变化，在蒸发器和冷凝器之间传递热量；冷凝器则将热量传递给冷却水。

冷冻水系统作为一个内部相互关联，与冷水机组也存在关联的系统，作为“能质”的冷冻水，由于其流量的变化必然对其他部件的能效产生影响。

但具体的影响是大还是小，在本章中通过理论分析，可出以下结论：

1）在冷水机组不能做到变流量运行的时候，冷冻水系统的变流量运行，尤其是一次冷冻水泵系统的变流量运行是不可行的。

然而，随着冷水机组工艺的发展，冷水系统的变流量运行，不会对冷水机组产生安全方面的隐患。

但流量的变化对冷水机组的蒸发器的传热量以及传热系数影响不大；但对冷水机组的蒸发温度以及COP的影响较大。

因此，冷冻水流量的改变，与主机具有相关性。

在进行冷冻水泵节能改造的节能量认定需要将冷水机组划分在边界内。

2）由于对冷冻水泵的节能改造导致的冷冻水流量的改变，对末端的传热系数变化较小，更不会影响空调末端的能耗值。

冷冻水泵与空调末端没有相关性。

3）在空调系统的运行过程中，阀门调节不可避免，更无法预计。

阀门的变化以及空调末端的启停以及电动二通阀的改变，均会一定程度上改变管网的特性曲线。

因此，在进行冷冻水泵改变流量后的能耗计算中，采用相似律进行分析，是不合理的，应该尽量避免。

通过本章的研究，可以明确冷冻水泵的节能改造，尤其是变频改造，对冷水机组的COP的影响非常大，因此，冷冻水泵与冷水机组具有明显的相关性；相反，与空调末端并没有较大的相关性，可不加以考虑。

同时，对阀门的研究讨论得出，由于阀门的变化，导致空调冷冻水管网曲线是不断变动，且不可预见的。

3冷冻水泵节能优化

3.1三种控制方式

冷冻水泵的运行控制策略包括了台数控制、变频控制、台数控制结合变频控制三种，分别如下：

（1）台数控制：

若空调系统有多台冷冻水泵，且均定频运行。

当冷冻水进水温度高于设定上限值时，增开一台冷冻水泵；当冷冻水进水温度低于设定下限值时，关闭一台冷冻水泵。

（2）变频控制：

若冷冻水泵为变频水泵，当冷冻水进水温度低于设定进水温度下限值时，冷冻水泵变频运行，通过改变冷冻水泵的电机频率，进而改变冷冻水流量。

（3）台数和变频控制：

当系统存在多台冷冻水泵，且均安装有变频装置。

则变频运行为优先，根据冷冻水的进水温度，调节冷冻水泵频率。

若冷冻水泵的输入频率值达到变频器设定频率值下限时，冷冻水泵的进水温度仍然无法满足冷冻水进水温度下限，则关闭一台冷冻水泵；若冷冻水泵的输入频率值达到工频时，冷冻水泵的进水温度仍然无法高于冷却水进水温度上限，则增开一台冷冻水泵。

3.2节能优化

冷冻水泵的节能改造措施，主要有更换小流量高效率的定频水泵，或者对水泵叶轮进行切削处理以降低流量；或者对单台水泵加装变频器；如果空调系统存在多台水泵并联运行，还需要进行泵组的优化等等。

针对这些节能改造措施，注意分析其运行工况的变化以及对冷冻水系统的影响。

首先，节能改造的首要目的是改变了管网的流量，一定程度上解决了“大流量小温差”的现象。

但要注意的是，节能改造后如果仅仅更换小流量高效率的定频水泵，或者对水泵叶轮进行切削处理无法解决建筑实际负荷在不停波动的状况。

因此，该措施只能针对建筑负荷波动比较小的情况。

对冷冻水系统的影响还有一个重要方面就是减小了冷冻水泵的运行能耗，但其节能率有限。

其次，进行变频改造，则主要解决的时候建筑长期处于部分负荷的情况，根据建筑的实际负荷，基于变频器的控制机理，调节冷冻水泵的叶轮转速，以达

到改变流量的目的。

不同的控制机理，其节能率是不一样的，就原理来讲，采用

温度控制的节能率最大；采用定压差控制，其节能率最低。

在实际中，有很多建筑存在着冷冻水泵并联运行的情况，泵组的优化需要考

虑对泵组中某一台或者几台水泵改造后，对整个泵组的影响。

在此基础上，可以

得出，若泵组假设只有两台水泵（实际情况中，两台水泵并联是最普遍的），则只对其中一台冷冻水泵进行变频改造，是不合理的；最好的改造方法是对两台冷冻水泵同时进行变频改造。

在冷冻水泵定频运行的情况下，只能采用压差旁通控制，通过冷水机组的流量不发生变化；在冷冻水泵变频情况下，由于流量变化需要冷冻水泵与末端联合控制。

因此，亦不考虑末端是否安装电磁二通阀。

因此，可将节能工况划分为以下几种：

表3.1节能工况的划分

工况

冷水机组

冷冻水泵

工况1

单台运行

1台变频水泵

工况2

单台运行

1台定频水泵

工况3

单台运行

2台变频水泵

工况4

单台运行

2台定频水泵

工况5

2台并联

2台变频水泵

工况6

2台并联

2台定频水泵

4冷冻水循环水泵的选型

4.1水泵选型的基本要求

水泵的选型是依据设计流量Go及相应的扬程H。

两个参数确定的，为了节省能耗，要求水泵在高效段η≥0.9ηmax运行，如图4.1所示。

图4.1

1水泵G-H性能曲线2.管网性能曲线3.水泵G-η曲线

同时在部分负荷情况下，系统的流量G应该在0-Go之间变化。

所以要求水系统水泵的高效段尽可能宽。

显而易见，较大设计流量Go的系统中，仅仅使用一台水泵是不合适的。

下面就较大设计流量Go情形下讨论水泵的选型。

4.2水泵选型方式的比较

（1）两台同型号水泵并联运行

如图4.2所示，对于某一Go、Ho，当采用二台相同水泵并联时，每一台水泵的扬程H相同，流量G各承担一半。

当Go属于并联工作的高效段n，且扬程H满足要求时，两台水泵都在高效段运行。

在工段，可关闭一台水泵，另一台水泵仍在高效段运行。

图4.2

1.单台水泵的G-H性能曲线2.并联水泵的G-H性能曲线3.单台水泵的η-G性能曲线Ⅰ段.单台水泵的高效段Ⅱ段，单台水泵的高效段

（2）两台不同型号的水泵并联运行

如图4.3所示，对于同一G0,H0，采用二台不同水泵并联时，要求这两台水泵处于高效段时的扬程很接近，且并联运行时，Go处于高效段Ⅲ段，那么可考虑这两台水泵并联。

当系统流量小时，关闭水泵a,b水泵可在高效段H段运行。

当系统流量更小时，关闭水泵a.b水泵仍可在高效段I段运行。

本文阐述的就是以这种方式并联的各种情况。

图4.3

1．a水泵的G-H性能曲线2.b水泵并联的G-H性能曲线3.a.b水泵并联的G-H性能曲线Ⅰ段.a水泵的高效段Ⅱ段，b水泵的高效段Ⅲ段，两台水泵并联的高效段

（3）三台同型号水泵并联运行

如图4所示，可以看出，为了满足系统冷负荷的变化，流量变化的调节范围可以更大，可分别通过三台水泵同时运行、停一台水泵两台水泵运行和停两台水泵一台水泵运行三种工作方式来实现流量调节，且水泵都在高效段运行。

1．1台水泵的G-H性能曲线2.2台水泵并联的G-H性能曲线3.3台水泵并联的G-H性能曲线

（4）三台不同型号的水泵并联运行

如图5所示，可以看出，与图4相比，流量变化的调节范围就更大，可分别用三台水泵两两并联、一台单机运行、三台水泵井联运行七种工作方式，仍能满足在高效段运行

1．a水泵的G-H性能曲线2.b水泵的G-H性能曲线3.c水泵的G-H性能曲线4.a.b.c水泵并联的G-H性能曲线

为了适应空调系统变负荷的需要，空调水泵必须具备良好的流量调节特性，在设计选型时常采用多台水泵并联运行。

本文通过分析得出:

在保持水泵在高速效率运行条件下，采用不同型号但高效段扬程相近的水泵并联时的流量调节范围可比同型号的水泵并联要宽些。

5空调冷冻水一次泵变频节能

一次泵变频技术有三方面:

水泵变频能耗、变频控制方式以及变频泵台数设置。

在当前的空调水系统设计中，二次泵水系统使用变频水泵得到了普遍的认可，而一次泵变频却始终得不到推广。

究其原因，不外乎有以下几点担心：

蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动，甚至导致机组运行不稳定，变流量会对制冷机运行产生不利影响。

因为水侧流量变化会致蒸发器（或冷凝器）的换热效率降低，并产生结冻危险，制冷机水侧变流量后，会明显下降，导致制冷机的能耗增大，结果会抵消水泵所节省的能量，使整个系统节能效果不突出，甚至不节能。

5.1水泵变频能耗

采用变频技术关键是要看其节能多少,也即采用变频后水泵能耗越小越好"现在的研究中都不约而同的提到与节流调节法和旁通控制相比,在部分负荷时,降低水泵转速可以节约大量能源。

当转速降低一半,流量也减少一半,管路的阻力损失H随着水泵转速n成平方比关系减小,所耗功率降为原功率的1/8。

水泵的特性曲线越陡,并联运行时增量越大,反之,泵的特性曲线越平坦,增量越小,越不适宜并联工作;管路阻抗越小,并联后增量越大,越适宜水泵的并联工作,曲线为陡降型的泵与曲线缓升型的管路结合,并联后的增量较大。

管路压降是计算水泵能耗的重要参数之一。

水泵变频后,由于管路中冷水的流态可能发生变化,系统中的阀门开度的变化,系统的阻力特性也随之改变,也即管路特性曲线发生变化,但也只是进行了定性的分析,未对管路压降的确定进行定量分析。

5.2变频控制方式

一次泵变频技术的关键是确定合理的变频控制方式,水泵变频控制方式主要

有温差控制方式和压差控制方式。

1.温差控制方式

温差控制的原理为当空调负荷减小时,供回水温差减小,系统通过温差传感器将这一信号传递给变频器,控制水泵减速运行,减少水流量,使温差增大到传感器的温差设定值,反之控制水泵增速运行,使温差减小到传感器的温差设定值。

温差控制存在反应慢、易受干扰、不能根据负荷变化准确分配各用户所需的冷冻水量、不能提供适当的水压且稳定性和可靠性较差的缺点。

冷冻水泵采用温差控制在工程中出现的不多,主要原因是这类设计有一定限制,外网各空调用户均需按同一规律性同步变化,否则容易出现管网水力失衡问题,影响空调品质,并且温差控制方式需要测试点冷冻水温差随负荷变化有较明显的变化。

以上较一致的表明温差控制方式存在很多不足且运用中有诸多限制。

2.压差控制方式

压差控制方式的原理为部分负荷下,室内温控器根据室内温度的变化来改变动调节阀的开度,从而引起供回水管压差的变化,压差传感器将这一信号传送给变频器,与设定值进行比较,从而控制水泵的转速。

压差控制方式的优点是反应灵敏,一旦系统中某处压力产生变化,系统能及时感知并采取动作,适合于用户端采用二通阀的系统。

空调系统在运行时水系统流量在很大范围内变化,实际最不利环路可能从一个支路变为另一个支路,靠唯一的压差设定值,有可能会出现部分用户空调效果差或失效的现象,为保证系统正常运行,通常可以在几个有可能是最不利环路的供回水管上安装压差传感器,实际运行时根据其最小的压差控制水泵转速"研究只是定性的说在可能的最不利环路上安装压差传感器,而到底怎么样才算是可能的最不利环路,实际当中应该定量的对各个时刻冷冻水系统进行分析,通过计算得到最不利环路。

采用变压差控制能最大限度的降低压差设定值,从而减少阀门的节流损失,具有更好的节能效果,但需复杂的控制系统和相应的控制算法。

变压差控制具体做法为:

a.任何时候所有的阀门开启度都小于90%,此状态连续保持十分钟,把压差设定值减少10%;b.任何时候所有的阀门开启度都大于95%,此状态连续保持8分钟,则压差设定值增加10%。

5.3变频泵台数设置

空调系统的冷冻水系统通常是多台水泵并联运行,变频泵台数的设置方式有部分水泵变频和全部水泵变频两种,对于这两种并联变频运行方式的研究主要有:

不同方式的优缺点以及水泵的启停方式。

并联水泵全部变频调速可以使水泵都在高效率工况下运行,节能效果最好,并且操作简单,但初投资较大;采用部分变频工作时虽然初投资较少但节能效果较差。

部分水泵变频的运行方式,由于出口压力不一致,导致能耗增加,变速泵易磨损,而且水泵启动顺序的切换逻辑过于复杂;随着变频泵的减速,变频后工频泵的流量大于变频前工频泵的流量,当工频泵超出水泵的最大流量时,造成水泵过载。

为防止变速泵减速时,工频泵过载,应在工频泵出口设置调节阀,变频泵出口设置逆止阀。

6空调冷冻水二次泵变流量

二次泵系统分为机组侧定流量循环和负荷侧变流量循环,负荷侧变流量循环节省了部分负荷下水泵的输送动力。

一次泵系统初投资低,但要求系统设备承压能力高,二次泵系统初投资高,运行管理比一次泵系统要复杂,但运行费用相对较低。

6.1二次泵流量调节方式

6.1.1节流调节

当用户负荷变化时,通过关小或开大用户侧二通阀的开度来达到流量调节的调节方式叫节流调节,节流调节是通过提高系统管路阻力,改变水泵的工作点来实现的。

如图5.1,该系统的二次泵是由3台水泵并联供水的,两台水泵、两台制冷机和旁通管组成一次泵循环,三台水泵、用户侧和旁通管构成二次泵循环,每台水泵都是定速运行的。

当用户负荷减少时,关小用户侧二通阀,导致流经用户侧的水流量减少,同时二通阀前后压差增大,为防止二通阀因前后压差过大而损坏,在二次泵出口安装出口压力控制阀V,压差控制器根据检测到的供回水管压差来调节出口压力控制阀的开度以避免二通阀因前后压差过大而损坏。

当用户侧流量小于水泵运行的最低流量时,水泵运行时可能会出现喘振现象,为了避免这种现象,可以在二次泵的出口和入口之间安装旁通阀VZ,当用户侧流量小于水泵运行的最低流量时,开启旁通阀VZ,多余的流量从旁通阀流过。

一次泵循环是定流量运行的,当用户侧流量减少时,多余的流量从旁通管经过。

图6.1

6.1.2台数控制

对图5.1所示的系统进行改进,增加水泵台数控制功能,如图5.2,二次泵台数用供回水管压差控制法控制,当用户负荷减少时,压差控制器检测到的压差增大,当大于设定值时,关掉一台二次泵,于是压差会减小。

当用户负荷增大时,压差控制器检测到的压差会减小,当小于设定值时,开启一台二次泵,于是压差会增大。

一次泵台数用旁通管流量控制法,程序控制器根据安装在旁通管上的流量计检测到的流量来启停一次泵,当用户负荷从满负荷逐渐减小时,旁通管自左至右的流量会逐渐增大,当流量达到一台一次泵的流量时,程序控制器会关闭一台一次泵和制冷机;当用户负荷逐渐增加时,旁通管向右的流量会逐渐减少,用户负荷继续增加时,旁通管向右的流量会减少至零,接着会出现自右向左的流量,当向左的流量达到一台一次泵的流量时,程序控制器会启动一台一次泵和制冷机。

图6.2

当用户负荷很低,水流量小于一台二次泵的最低流量时,开启旁通阀VZ,让多余的流量从旁通阀流过,避免水泵在低于最低流量下运行。

这种控制方式较纯粹的节流控制要节能,但由于这种控制方式还需要节流和旁通的辅助,其节能幅度不大,虽然节流和旁通的幅度没有纯粹的节流控制的大。

6.1.3转速控制

根据水泵的相似定律,水泵的功率与转速的三次方成正比,可见,当部分负荷时,改变水泵的转速有很大的节能潜力。

目前,水泵的调速方法有很多,有驱动电机极数改变实现电机转速的改变,从而实现水泵的调速,可控硅串级调速,液力藕合器无级调速,变频调速等

其中，变频调速在市场上应用最广,无特别指明,本文所述的调速是指变频调速。

在转速控制的二级泵系统中,压差控制器根据供回水的压差来控制二次泵的转速,当用户负荷减小时,压差增大,压差控制器降低水泵的转速,反之,提高水泵的转速。

当水泵转速降低时,其功率减小,同时流量和扬程也减小,因此,在采用转速控制的系统中,要确保水泵提供的扬程满足系统的要求。

空调水循环系统,虽然属于闭式系统,但末端设备运行要求一定的压差,因此水泵转速过低时,其产生的扬程不能满足要求。

普通的供水系统属于开式系统,存在静压差,因此,水泵运行时,其产生的扬程至少要克服静压差,因此,其转速不能过低。

一个流体输配系统的输送水泵存在一个最低转速,在该转速下,其产生的扬程是系统运行所需的最低扬程,称这个最低转速是该系统水泵的下限转速,下限转速与水泵的性能曲线和系统管路特性曲线有关。

6.1.4台数与转速联合控制

单纯的台数控制不能满足流量的连续变化,要以节流和旁通为辅助调节方式才能达到要求,有相当一部分电耗浪费在节流阀和旁通管上,这不符合节能的要求。

单纯的转速控制虽然在较大的流量段能实现连续调节,但在流量很低时,由于系统对扬程的要求,水泵还是需要在下限转速上运行,加上变频器和电机低频率运行时效率会降低,这导致部分能耗的浪费。

为了解决单纯的台数控制和转速控制的缺点,出现合两者的控制方法,即台数与转速联合控制。

当两台水泵定速运行不能满足系统流量要求,而三台水泵定速运行流量大于系统流量要求时,可以采用控制三台水泵的转速,以达到系统流量要求。

当系统流量减小至两台水泵定速运行流量以下时,停掉一台水泵,控制两台水泵的转速,以满足系统流量。

当系统流量增加至两台水泵定速运行流量以上时,增开一台水泵,控制三台水泵的转速。

水泵的台数与转速联合控制方式克服了单纯的台数控制方式和转速控制方式的缺点,目前,实际工程中的流体输配系统的节能运行都是采用这种控制方式的,很有必要深入了解这种控制方式。

6.1.5变频特点

（1）空调冷冻水泵变频调速运行时,管路系统的特性曲线不再与满负荷或设计负荷时的相似抛物线重合,而要随负荷变化而变化,从而导致冷冻水泵的扬程不与转速或流量的平方成正比。

因此在空调系统中,不能直接应用泵的相似定律或比例定律来确定变速泵的工况点。

（2）冷冻水泵变频采用压差控制时,冷冻水泵变频运行的工作点的轨迹不再是一条恒定的抛物线,而是随空调用户变化而变化的一簇抛物线,追踪每一负荷下的准确工况点将变得很困难,但可以确定冷冻水泵的变频运行区间即上、下限。

（3）在一个较简单的空调系统（或Se不变的系统）中,可以通过/等效静扬程0获得冷冻水管路的等效管路系统特性曲线。

应用该等效特性曲线,可以较为方便地确定变频冷冻水泵的工况点和获得实际的总的管路系统特性曲线,还可以清楚地反映出冷冻水泵变频运行时工况点随流量变化的轨迹或趋势。

（4）在一般的空调系统中,变频冷冻水泵的功耗既不是与流量的三次方成正比,也不是如文献[5]所得出的与流量的一次方成正比,而是有着比较复杂的变化规律,其变化过程与空调负荷及用户的位置有着密切的关系。

计算冷冻水泵的耗功和节能量时应加以重视,否则就会夸大或贬低冷冻水泵的变频节能效果。

7总结

本文根据空调水系统运行的特性,研究水系统节能运行的各种控制策略，着重于冷冻水循环水泵的节能运行设计。

通过认识到当前空调系统的节能的重要意义，分析影响空调水系统耗能的主要因素，并有针对性的在冷却水、冷冻水、冷水以及空调末端进行节能措施改造。

对冷冻水一次泵变频节能以及二次泵变流量节能做了重点阐述。

通过对本次空调系统冷冻水循环水泵节能的方法设计，让我进一步深刻认识到空调系统的原理和对我们社会生活的重要意义，对今后的学习生活有巨大的促进。

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