一次泵变流量水系统模拟和存在问题分析

 

 关键字： 一次泵系统 变流量水系统 节能 

 

 0   引言   空调 冷冻 水和冷却水经常在大流量、小温差下运行。根据日本的经验，VWV与VAV并列，是空调中仅次于全热交换技术的节能措施。随着近年来电力 电子 技术的 发展 和变频器性价比的不断提高，交流电机变频调速技术的 应用 越来越广，一次泵变流量水系统的研究因此也得到了一定的重视 [1]-[3] ，但在研究中也存在这定性的结论多，定量的研究和 计算 办法少，可操作性较差的问题，因而影响了其在实际中的广泛使用。虽然 冷冻 水和冷却水的变流量运行对 冷冻 水泵和冷却水泵的节能运行有利，但变流量运行对于冷水机组的制冷性能可能有一定影响，制冷机的制冷效率(COP)可能有一定程度的下降。因此，要保证在冷水机组安全的前提条件下实现节能运行，就要求 冷冻 水流量和冷却水流量的变化有一定的限制，并满足某种匹配关系。由于 目前 生产厂家一般没有提供在不同的 冷冻 水出水温度和冷却水进水温度下，冷水机组制冷量、输入功率随 冷冻 水流量和冷却水流量变化的完整数据，因此关于一次泵变流量水系统的研究和设计受到了一定的影响；反过来，由于定量研究较少，也使得生产厂家没有积极性进行相关数据的测试。相信一次泵变流量水系统研究的进一步深入，对于提高冷水机组在部分负荷工况下及变流量情形下的能效比的研究和节能技术的推广将起到推动作用,从而形成空调水系统和制冷主机节能研究及其应用的良性互动。1 水侧变流量对冷水机组性能的影响 在传统的空调水系统设计中，通过冷水机组的 冷冻 水和冷却水的流量基本保持不变。认为只有维持定流量，才能确保盘管的换热效果，流量减小时，在换热盘管表面可能会出现层流状态，降低换热效果；同时，流量过小时，蒸发器还会出现冻结的危险，当流速小于一定值时，水中若含有腐蚀性物质，会对盘管造成腐蚀。随着控制技术的发展，冷水机组的控制系统越来越先进。目前，不同类型的冷水机组均能实现冷量的自动调节。冷水机组能量调节功能的进步使得其水侧变流量设计成为可能，同时也凸显水泵应改变以不变应万变之策，而应以变应变。事实上，目前，多数冷水机组允许蒸发器流量在额定流量的50％～100％以内变化。当蒸发器采用变流量运行时，其流量随着用户负荷的变化而变化，当用户负荷变小时，蒸发器的 冷冻 水流量变小，冷水机组的控制系统根据实际需冷量减小制冷剂流量，导致蒸发器盘管内制冷剂流速偏离了最佳流速值，冷水机组制冷系统的整体性能降低。衡量蒸发器变流量运行能否节能的标准不单是 冷冻 水泵运行时节能多少，而还应考虑蒸发器变流量运行造成冷水机组COP值下降而损失的能耗，再考虑变流量运行的负荷时间频度。由于控制技术的进步，控制系统可以保证压缩机始终在高效区运转，使得冷水机组蒸发器变流量时的性能不会下降很多。冷水机组蒸发器变流量对其制冷性能的影响程度与压缩机类型和制冷剂变流量的方式有关。 文献 3从热力学角度对此进行了分析，认为即使 冷冻 水流量减至60％，冷水机组的COP的下降幅度也不超过10%。冷却水进出口温差变大时，虽然可以减小冷却水泵的运行费用，然而，为了保证冷凝器内的热交换，冷凝温度必然要高于冷却水的出口温度，并且冷凝温度与冷却水出口温度也要求有一低限。所以，要想加大冷却水的进出口温差，就必须提高冷却水出口温度（通常冷却水进口温度基本上是定值），这又将引起冷凝温度的增加，降低了冷水机组的COP值。与蒸发器变流量相比，冷凝器变流量运行对冷凝温度的影响较大，故导致冷水机组COP的变化较大，在给冷却水泵安装变频器时，应详细分析冷却水变流量对冷水机组性能的影响，确定方案的可行性。    2   一次泵变流量系统节能模拟 分析   现将在部分负荷情况下变流量与定流量两种情形的系统（冷水机组和水泵）能耗进行比较，设定流量情形冷水机组和水泵的输入功率分别为   和   ，变流量情形为   和   ，对于冷水机组和水泵组成的系统而言，水泵变流量的节能率为（1）变流量与定流量两种情形下的制冷量应相等（   ），因此，两种情形下冷水机组的输入功率与能效比（EER）的关系为（2）因此，节能率为（3）在部分负荷情况下，由于环境温度和工况的改变，冷水机组的输入功率   与名义工况下的输入功率   相差较大，且关系较为复杂；而EER虽有改变，但变化幅度较小，一般不超过15% [4] 。设EER随部分负荷率η（=Q/Q 0 ）的变化为线性变化（4）这里EER 0 为名义工况下的能效比，待定系数   与部分负荷率和机型有关，如不考虑部分负荷情况下能效比的变化，则取   。据能效比的定义，有，    （5）由(4)、(5)式，可将部分负荷情况下冷水机组的输入功率   用名义工况下的输入功率   和部分负荷率η来表示：（6）将（6）式代入（3）式，得（7）对于闭式系统，水泵的等效率曲线与管路特性曲线重合，在一定的调速范围内，符合相似定律，（8）式中    和   分别为定流量和变流量情形下的水流量。在名义工况下，有    （9）式中   为名义工况下的温差，若采用等温差控制，则有 （10）因此，    （11）将（8）、（11）式代入（7）式，得（12）上式中最后一项是由于考虑了变流量运行对于冷水机组性能的 影响 而带来的。变流量情形下，冷水机组的能效比将比定流量情形下的能效比略有下降， 目前 这方面实验数据较少。为便于从 理论 上分析一次泵变流量情形下的节能与流量变化的关系，本文分别模拟以下两种情况：流量变为额定流量的60%时，冷水机组的EER变为定流量时EER的5%和10%，且EER与相对流量呈线性关系。这里为方便起见，不妨称之为“5%影响曲线”和“10%影响曲线”，见图1。对于“5%影响曲线”和“10%影响曲线”，分别有（13）(14) 为便于分析一次泵变流量情形下的节能与部分负荷率η和水泵相对主机的功耗   的关系，这里，假设 [4] (15)

 

 图2 “5%影响曲线”下的节能率 　图3 “5%影响曲线”下的节能率

 

（相对功率为15%） （相对功率为25%）

 

 图4 “10%影响曲线”下的节能率　 图5 “10%影响曲线”下的节能率

 

（相对功率为15%） （相对功率为25%）图2和图3分别给出了水泵相对主机的电功率    为15%和25%情况下，“5%影响曲线”下的节能率与部分负荷率（流量变化）的关系；图4和图5则分别给出了对应于“10%影响曲线”下的节能率。从图中可以看出变流量对于冷水机组制冷性能的负面影响可能在相当程度上抵消水泵的调速节能，特别是当水泵相对主机的电功率比较小时。当水泵相对主机的电功率小于15%时，不考虑对主机影响的节能率 计算 （三次方定律）较考虑“5%影响曲线”时要高估50%以上，较考虑“10%影响曲线”时更要高估100%以上。即使对于水泵相对主机的电功率较大的情形，也应该正确评估变流量对主机制冷性能的影响，否则，有可能做出错误的判断。因此， 研究 和掌握冷水机组变流量下的制冷性能对于一次泵变流量系统的设计是至关重要的。3   工程中存在 问题 分析  一些变频器生产厂家和自动化技术公司，在推动变频调速技术 应用 于空调水系统中，经常走在暖通空调专业人员的前面，大部分后期工程改造（变频调速系统的添置）往往由自动控制专业人员所主导。目前已有若干空调用户，特别是饭店，被推荐在空调 冷冻 水系统和冷却水系统中采用变频泵。但由于集中空调系统有着不同于一般流体输配系统的特点，在工程改造和节能核算中也存在一些问题。有的工程由于设计或施工方面的原因，水环路压力本来就不平衡。而在进行变频调速方案可行性论证时，有时仅仅关注供回水总管上的温差和系统的运行时间，而没有关心水环路压力是否平衡。水环路压力不平衡所造成的水力（热力）失调，在额定的大流量情况下，有的环路温差大，大多数环路温差小，供回水总管或分集水器上的温差还是较小，问题被掩盖了；但在小流量情形，就暴露了出来，结果在水泵调速运行时，最不利环路上的空调区域往往达不到要求，流量偏小（就是管理人员常常说的压力不够）。这就是许多空调变频调速装置形同虚设的一个主要原因。如何进行变频调速系统控制，对于运行的节能效果影响很大。目前，大多数情形采用的是压差控制和温差控制。压差控制反应快，传感器成本低，但也有缺点：恒压差控制，起不到节能的效果，如采用变压差控制，压差与流量的变化关系需试验确定，且一般起码要对最不利环路进行控制，布线较长，如是后期改造则要影响外观效果，不受业主欢迎；温差控制布线简单，只要将传感器布置在供回水总管或分集水器上即可，但其响应滞后，同样成本下，温度传感器精度较低，且在原来系统水环路压力不平衡的情况下，控制效果不好。两种 方法 各有利弊 [5] 。几乎所有节能核算办法均没有考虑到冷水机组水侧变流量运行对于其COP的影响，大多数核算办法只是简单地（也许有商业方面的考虑）将变频泵电流与工频泵电流进行比较，并计及变频泵地运行时间，而得出节能地效果（目前大多数变频调速采用“一变多定”方案），没有考虑到水泵机组在部分调速运行时，变频泵电流下降，而工频泵电流可能会有所上升。4   结论  一次泵变流量水系统是空调节能设计的重要方法，但其设计或改造，需要事前对系统进行细致的测试和调研，或需要生产厂家提供冷水机组制冷量、输入功率随 冷冻 水流量和冷却水流量变化的完整数据。随着对于一次泵变流量水系统研究的进一步深入，可以推广PLC（可编程控制器）与变频器组成一调速控制系统，充分考虑到冷水机组水侧变流量运行对于其制冷性能的影响，实现冷水机组和水泵的一体化控制。参考  文献   [1] 哈特曼. 冷水机利用变流量 冷冻 水的若干设计问题. 暖通空调. 1997（3）: 29-33

 

[2] Bahnfleth W, Peyer E. Comparative analysis of variable and constant primary-flow chilled-water-plant performance. HPAC Engineering. 2001, 73(4):41-50

 

[3] 孟彬彬，朱颖心，林波荣. 部分负荷下一次泵水系统变流量性能研究. 暖通空调.2002,32(6): 108-110

 

[4] ARI590-1992

 

[5] 朱孟标. 空调水系统节能研究. 南京理工大学硕士论文. 2004.3