空调系统的能耗主要有三部分:制冷系统、水系统、风系统能耗。当今冷水机组的满负荷能效比、部分符合的调节性能及效率等方面已经达到相当高的水平。风系统中变风量系统领域已经有较多的论述, 故本文着重讨论水路输送及冷却塔方面的节能设计。水系统的能耗一般占空调系统总能耗的20%左右。
变频一、二次泵系统适用于系统大、空调负荷变化大、各输送环路阻力差异大等场合。变频技术的使用, 使得取消传统定频水系统的压差旁通成为可能, 较少供、回水混合, 可以有效地减少空调能耗。通常的变频一、二次泵系统如图1所示。其中一次泵为定流量, 二次泵为变流量。但一、二次环路水量平衡以及二次泵供水量与需求量平衡对于系统而言, 则显得更为重要。具体设计中通常遇到一、二次泵水量平衡、频率控制、台数设置、变频流量控制等问题。
图中虚线为连通一、二次环路的平衡管。该管一般不设阀或虽设阀但运行时开启。该管通常存在着“盈亏”现象。
图2为设置4台冷水机组定频一次泵和变频二次泵的流量-负荷关系图。图中阶梯状曲线为一次泵流量曲线, 斜线为二次泵流量曲线。点A为一次泵流量和二次泵流量平衡点, 此时平衡管内水不流动。点B为二次泵流量大于一次泵流量即“盈”点, 此时平衡管内水流流向二次泵入口处。点C为二次泵流量小于一次泵流量, 即“亏”点, 此时平衡管内水流流向一次泵入口处。
“盈亏”现象对系统带来很大影响。“盈”时, 未经处理的冷冻水径直流向二次供水环路, 将提高冷冻水供水温度, 使末端设备出力降低。“亏”时, 处理过的冷冻水径直流回冷水机组, 使得回水温度降低, 将降低冷水机组效率。“盈亏”现象将导致一、二次泵承担“空载水流”, 带来能量损失, 严重时将超出变频二次泵节约的能耗。必须指出, 当冷水机组台数较少时, “盈亏”现象所带来的损失大于冷水机组较多时的损失。
要解决“盈亏”现象所带来的问题, 通常可在平衡管上设置流向指示流量计 (如图3所示) 并控制一次泵变频以使水系统处于图2所示的平衡点A。当出现“盈”现象, A、C点闭合且流量计流量为一台泵流量的50%时, 应再投入一台冷水机组和一次泵, 由于投入一台泵后, 水流量骤增, 系统将很快呈“亏”现象, 此时即应调低所有一次泵频率, 使水系统处于图2中所示平衡点A。当出现“亏”现象时, A、B点闭合, 应调低一次泵频率至所设定的最低频率, 流量计流量仍达到一台泵50%时, 应关闭一台冷水机组和一次泵, 以此反复。
冷水机组在60%冷冻水流量情况下尚能安全运行, 故应限制变频一次泵最低流量为冷水机组流量的60%。
对于三相异步电动机, 水泵转速和电动机频率之间的关系如下。
式中n1为电动机同步转速;f1为交流电频率;m为电动机极数。取电动机工频频率50Hz, 根据式 (1) 以及水泵相似定律可得:
式中H为水泵扬程;下标0表示额定工况, 下标1表示f1工况下的参数。
当f1取30Hz时, H1=0.36H0, 即水泵提供的扬程仅为额定工况的36%, 此时大多数异程布置的二次环路水力失衡严重, 某些末端设备无水可供。通过对多个工程比较, 笔者认为一般f1最低取41Hz, 此时水泵的杨程、流量和轴功率分别为额定工况时的67%, 82%和55%, 水力失衡尚容易控制在允许范围内。
最低频率极大地限制了变频二次泵的使用, 特别应指出的是若一级泵采用变频调节, 由于受最小流量限制, 其频率调节也应受到最低频率限制。
如上所述, 若变频二次泵采用单台配置时, 当末端需求下降较多, 而水泵频率受到最低频率限制无法下降时, 供水量仍大于需求量。此时应引入多台变频二次泵并联系统, 即引入二次泵台
数控制加频率控制, 一般以三台为宜, 以下分析也按3台进行。
多台变频二次泵并联供水系统变频水泵频率控制一般有两种方式;一种方式采用控制精度差的工频泵+变频泵并联输出方式, 该种方式由于工频泵扬程与变频泵扬程存在着很大的差异, 并联运行时水量增幅很小, 甚者变频泵流量为零;故一般仅用于简单的开式供水系统;另一种为全变频控制, 即1台变频器同时控制多台水泵或者多台水泵各设变频器同步变频, 这种方式控制精度高, 泵与泵并联输出相互干扰小, 故被广泛使用。
变频二次泵控制通常采用压差控制法, 如图3所示, 该压差的测量点一般设置在系统最不利环路上, 末端进出水压差为△р。但由于末端设备自身控制需求, 该△р是不稳定的, 甚至可能末端设备不使用而使得该△р=0, 故采用压差控制法受到很大的限制。特别当引入二次泵台数控制加频率控制时, 更为如此。
本文中笔者引入动态压力点控制频率+台数控制法, 具体步骤如下 (以3台变频泵为例) :
首先进行水力计算, 应使得变频二次泵在最低频率限制工况下的扬程能克服最不利环路阻力, 并在最不利环路末端设备进水管处设压力传感器, 令该点压力为pd。pd值为动态值, 随着水泵扬程、流量的改变而改变。pd值输入控制器。控制器存储该值, 并按时间周期 (比如1min) 将最新测得pd值与该值进行比较, 当pd值增大时, 系统需求小, 水泵减频;当pd值减小时, 系统需求大, 水泵增频。
当三台水泵投入运行时, 水泵频率调至46Hz时, 意味着变频泵减少的流量已达其中1台水泵的72%, 应停下1台水泵。
当2台水泵投入运行时, 水泵频率调至41Hz时, 意味着变频泵减少的流量已达其中1台水泵的72%, 应停下1台水泵。
当1台水泵投入运行时, 水泵频率降至限制频率41Hz时, 开启设于二次泵出口处与一级泵进口处的压差傍路装置电动阀, 多余的水经旁通装置旁通至回水管, 旁通压差调整为当时水泵出口压力与进口压力之差。
当1台水泵投入运行时, 系统需求大时, 具体体现为该台水泵已至工频运行。若此时pd值降低, 应投入1台水泵, 投入时2台水泵同时按41Hz频率输出, 此时水泵总流量为1台泵流量128%, 如此类推, 一直至3台泵同时运行为止。
冷水机组的详细技术资料当中同样给出最小冷却水流量 (一般可以达到冷凝器额定流量的60%以下) 。因此冷却水泵完全可以采用与冷冻水同样的一次泵变流量系统。同时冷却水的流量一般比冷冻水大20%, 对于通常的系统, 冷水机组在地下室, 冷却他在屋面, 冷却水泵变频的节能效果更加明显。
给冷却塔散热风扇实质是轴流风机, 它的功耗比与转速比是立方关系, 只要能满足冷却塔的散热要求, 变频后的节能效果非常明显。通常, 给冷却风扇的电机配备变频器, 在冷却水的回水总管上设置高敏感度的温度传感器温控器对温度传感器传来的信号进行分析、运算, 并根据预设的程序控制变频器的运行。在某25层的办公及客房的综合楼的实测, 两台15k W的冷却塔, 当冷水机组实际制冷量为1180k W时, 冷却塔的功耗为7k W。同时由于风机转速的降低, 冷却塔的噪声及飘水均有明显的改善。
(1) 空调水系统中, 冷冻水做一、二次泵变频控制、冷却水泵变频控制、冷却塔风扇变频控制, 节能效果非常明显。
(2) 变频水泵应设最低频率限制, 满足供水最不利环路阻力需求。
(3) 变频二次泵单台设置时水量调节在低负荷时无法满足要求, 应多台并联设置。
(4) 变频二次泵系统在最低频率限制下其最不利环路满足水力要求条件下设一动态压力点进行频率控制, 依据泵组中每台泵频率值进行台数控制。
摘要：探讨中央空调水系统的节能途径, 重点分析一、二次泵变频设计当中容易出现的问题及解决方案。
关键词：节能,变流量,一次泵,二次泵,冷却塔
[1] 机械工业部.机械设计手册第12分册通用设备[M].2版.北京:机械工业出版社, 1997.
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[3] 陈沛霖, 岳孝方, 编著.空调与制冷技术手册[M].2版.上海:同济大学出版社, 1999.
