空调一次泵变频变流量的系统节能与控制分析

　　摘要：介绍了空调水系统节能的重要性及一次泵变频变流量水系统的原理，分析了一次泵变频变流量水系统运行的关键技术，并且对其进行了节能与控制分析。
　　关键词：水泵；变流量；节能；控制
　　1、概述
　　随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，空调在生产生活中的普及应用，空调能耗占生产生活总能耗的比重越来越高。调查表明，目前我国空调能耗约占建筑物总能耗的30％～50％，水泵能耗在其中占有很高的比例。因此，空调水系统的节能技术具有很大的节能空间。
　　空调水系统的发展经历了一次泵定流量系统，二次泵变流量系统及一次泵变频变流量系统等三个阶段，随着制冷机组控制技术的发展，近年来一次泵变频变流量不断得到应用。在集中空调系统中，一次泵变频变流量水系统是指末端风柜（或盘管）使用比例积分（或电动二通）调节阀，根据室内回风温度的变化调整其开度（或状态），从而引起系统分配环路的流量变化，形成供、回水干管之间的压力差变化，水泵的变频调速器根据供、回水干管之间的压力差变化调整水泵的转数，从而改变供、回水干管之间的压力差及通过水泵、冷水机组蒸发器的冷水流量，此系统中的旁通阀变为辅助性的，这就是一次泵变频变流量水系统。在这种系统中，当冷水机组处于部分负荷时，冷水机组的冷水流量随着负荷的变化而减小，从而可以使水泵的动力消耗随着负荷的变化同时减小。
　　2、关键技术
　　2.1、冷水机组的流量范围；由于受传热效率等因素的影响,为了安全运行和防止蒸发器结冰,一次水流量必须控制在一定范围内,因此需要选择最小流量尽可能低的冷水机组。机组蒸发器最小流量由其类型、回程以及管束尺寸决定。同时对不同的机组效率也对应不同的蒸发器最小流量。一般机组效率越高,机组蒸发器流量变化的范围就越窄。目前离心机的最小流量一般都能达到设计流量的30%左右。
　　2.2、冷水机组的部分负荷特性?；经过对国内外主要冷水机组生产厂商调查发现，冷水机组负荷为50%~100%的范围内,蒸发器分别为定流量和变流量的冷水机组效率几乎是相同的,在蒸发器可变范围内机组负荷与流量压降基本成线性关系。
　　2.3、旁通控制阀?；旁通控制阀的选型一定要合理。阀门的流量必须满足单台冷水机组的最小流量，并且应具有线性控制特性，即流量与阀门的开度成线性关系。当系统压力减小，阀门仍然可以正常打开，当系统压力升高,阀门应具有正确的关断能力，并且在设计压力下不渗漏。阀门还必须有弹簧复位功能，当系统关闭或流量测定装置失灵时,为了确保冷水机组的安全运行，阀门自动复位到开启状态。
　　同时应尽量缩短流量测定的信号和阀门控制信号的时间滞后，以提高反应和控制速度。
　　2.4、可允许流量变化率?；可允许流量变化率(即冷水机组所允许的，每分钟相对设计流量的变化率)是一次泵变频变流量系统中冷水机组选型的重要参数。?在系统发生加减冷水机组时会出现最大的流量变化,当系统在一台机组运行的状态下,加载另一台机组的瞬间,两台机组的流量各自减少和增加了50%。当机组内流量减少50%的瞬间，机组会计算出温差需要加倍，这意味着冷冻水的出水温度要大大降低，甚至降到零度以下。在这种情况下，机组会根据温度判断蒸发
　　器将结冰，于是机组控制器会做出停机或卸载的指令。实际上，阀门打开需要一定时间，并不是瞬时完成的，但是在短时间内完成如此大的流量变化仍然存在上述危险。解决这一问题的通常做法是：在加载一台冷水机组之前必须先卸载正在运行的机组。但是对于出水温度精度要求较高的工艺性空调来说，不能有很长的卸载时间。因此，在机组选型时，可允许流量变化率的值越高越好。在一般的一次泵变频变流量系统中，可允许流量变化率应至少取25%~30%。这意味着加载一台冷水机组后,大约需要1.5min系统就可以稳定下来。
　　3、节能分析
　　对空调系统来说，在大部分运行时间系统的负荷在75%左右。对一次泵定流量系统来说，若总是维持100%的设计流量，则会造成大流量小温差现象，为了保持空调区域的恒温，则压差旁通管内有大量冷冻水量流过，必然导致水泵的能耗被白白浪费。对于二次水泵系统来说，由于二次水泵采用变频调节，能耗比一次水泵定流量系统有所降低，但由于其一次水侧仍保持定流量运行，仍会造成部分水泵能耗浪费。
　　一次泵变频变流量系统中水量根据末端负荷的变化来调节，只有在低于冷水机组最小允许流量时压差旁通阀才打开，以维持冷水机组最小允许流量运行，因此最大限度地节省了水泵的能耗。下面将通过具体的计算对一次泵变频变流量系统中的能耗进行分析。为了让水泵随负荷的变化实现变流量运行，采用加装变频器改变水泵转速的方式。水泵电机的转速满足下列公式：
　　N=60f/p（1）
　　式中：N—电机转速
　　f—供电频率（变频器的输出频率）
　　P—电机的极对数。
　　根据水泵的相似定律，水泵的流量、扬程、功率和转速之间存在以下关系：
　　Q1/Q0=（N1/N0）（2）
　　H1/H0=（N1/N0）2（3）
　　W1/W0=（N1/N0）3（4）
　　式中：Q0、H0、W0、N0—额定工况下水泵的流量、扬程、轴功率和转速；Q1、H1、W1、N1—水泵转速为N1下水泵的流量、扬程、轴功率。
　　当Q1/Q0=0.7时，W1/W0=（N1/N0）3＝（Q1/Q0）3＝（0.7）3=0.34由上式可得当流量变为额定流量的70%时，水泵的实际轴功率仅为额定功率的35%左右，水泵运行能耗下降65%左右。可以看到通过变频调速的方式来改变水泵转速可以为水泵运行节省大量的电耗。
　　一次泵变频技术要求冷水机组的水流量是可变，在满足不低于其蒸发器最小流量要求范围内可以正常运行。目前国内外许多冷水机组生产厂家的产品都能够实现变流量运行，从而为一次泵变频变流量技术提供了广阔的应用空间。
　　4、控制分析
　　在空调一次泵变频变流量系统中，采用一次泵变频变流量水泵组是最简单有效的变频变流量控制方式，按照系统的组成形式与需要可使系统总水量在10%—100%之间变化。水泵组的输出流量是靠改变并联运行的水泵台数和水泵频率来实现的，水泵并联的台数不宜过多，一般水泵并联台数不超过5台，其中一台水泵由变频柜控制（变频控制柜可控制其中任何一台水泵），从而使空调一次泵变频变流量的控制成为现实。
　　空调一次泵变频变流量泵组除了水泵组、变频控制柜以外，还包括温度流量传感器、DDC控制器、旁通控制阀、比例积分（或电动二通）调节阀等设备组成。通过传感器获取水系统运行参数，经过DDC智能控制器分析处理后转换为控制指令，控制水泵的运行和阀门的开闭。空调一次泵变频变流量水泵组系统的DDC控制器能够控制旁通控制阀的开度以保证冷水机组的最小流量，同时发送信号到冷水机组自带的控制系统，冷水机组能够根据系统回水温度的变化来调整制冷量的输出。冷水机组自带的最小流量感测和保护装置能够对冷水机组进行控制，保护其正常运行。因此使冷水机组能够在变流量条件下稳定运行。
　　5、结论
　　(1)随着制冷机技术与自控技术的发展，冷水机组变流量运行的安全性已可以得到保障，突破了冷水机组定流量的设计理念；
　　(2)一次泵变频变流量系统利用变频装置，根据末端负荷变化调节系统水流量，最大限度地降低了水泵的能耗，与传统的一次泵定流量系统和二次泵系统相比具有很大的节能优势，对空调水系统的节能具有很大意义；
　　(3)目前，一次泵变频变流量技术的推广尚处在起步阶段，应用的工程实例还很少，因此，一次泵变频变流量节能技术具有很大的节能空间。