空调系统循环水泵异步电动机节能控制方法研究

北京建筑工程学院 刘辛国

空调系统循环水泵异步电动机节能控制方法研究

北京建筑工程学院 刘辛国

本文阐述了空调水系统中冷却水循环水泵电机的压差控制、温差控制和变频控制这三种控制方式的原理，对这三种控制方式的节能效果进行了分析比较，结合实验操作和相关的数据处理，说明了负荷变化时三种运行方式的水泵节能情况。

水泵 电机 压差控制 温差控制 变频调速

在中央空调冷冻水循环系统中，冷冻水在冷冻机组中进行热交换，在冷冻泵的作用下，将温度降低了的冷冻水（称出水）加压后送入末端设备，使房间的温度下降，然后流回冷冻机组（称回水），如此反复循环（是一个闭式系统）；在冷却水循环系统中，冷却水吸收冷冻机组释放的热量，在冷却泵的作用下，将温度升高了的冷却水（称出水）压入冷却塔，在冷却塔中与大气进行热交换，然后温度降低了的冷却水（称进水）又流进冷冻机组，如此不断循环，（通常是一个开式系统）。

中央空调循环水系统的工作示意图如图1所示。

图1 中央空调循环水系统的示意图

我们建立了一个中央空调循环水系统直观且便于操作的双水泵模拟供水实验系统，可对冷冻水系统、冷却水系统进行模拟，可监测系统各点进出口温度、压力、流量，可对水泵电机进行变频控制、并可监测水泵电机功率、转速、转矩、电流等参数，通过模拟各种负荷情况下水泵运行实验，获得大量实验数据并对其进行分析，以下论述的循环水泵电机的三种控制方式都是实验内容，下述论证也是基于这些实验得到的。

空调水系统变流量水泵的控制方法主要有：压差控制、温差控制以及变频控制。压差控制方法又分为定压差控制法和变压差控制法。图2和图3分别为典型温差控制与压差控制原理图。

图2 温差控制水泵变转速原理图

图3 压差控制水泵变转速原理图

两图中 L—制冷机组 P—水泵 F—风机盘管 Tr—变频器

DT—温差控制器 DP—压差控制器 T1—回水温度传感器

T2—供水温度传感器 P1—回水压力传感器 P2—供水压力传感器

一、温差控制

对于温差控制方式，它是以冷冻水系统中供水管和回水管的温度值，或者供回水的温差作为控制器的采样输入信号的，本系统中供回水的温度值或者其温差值都是通过与PLC相连的温度扩展模块来检测并传送的，控制器将该输入的温度信号与内部预先设定的锁定值进行比较，得到实际运行系统需要的频率值来输出控制信号，从而控制冷冻水泵的转速，继而冷冻水系统管路中的的流量和扬程也随之变化以满足系统负载量变化的要求。

此外，当各支路正常运行所要求的压差各不相同，如果仅仅依靠唯一的定压差值来控制时，则要求该定压差值能保证所有空调用户都能正常运行，否则，有可能出现部分用户空调效果差或失效的现象。

温差控制法具体方式既是通过控制供、回水温差△t来控制水泵的运行。一般是保持制冷机组的供水温度不变（<7℃），供、回水温差恒定（△t=5℃），当空调负荷变化时，通过改变水泵的流量来调节供、回水温差，使之恒定不变。当空调负荷下降时，如果流量保持不变，回水温度下降，△t相应变小，此时通过温差控制器、变频器降低水泵转速，减少空调系统的水流量，让△t保持5℃。此时水泵能耗是以转速三次方的关系在递减（实际上稍有减少），从而起到节能降耗的作用。

温差控制方式的特点是：温度采样点离系统负载变化点有一定的距离，冷冻水在管道中流动过程中很容易受外界环境温度等的干扰。而且，只有当冷冻水经过一次循环以后，其进水和回水的温度变化才能反映出来，这就导致温度控制的及时性较差。温差控制方式虽能在一定程度上稳定系统总的供、回水温度，但不能根据系统负载量的变化来准确地分配各用户所需要的冷冻水量并提供适当的水压。从温度或温差控制的特点来看，这种方式比较适合于用户端不设调节阀或带有旁通管的冷冻水系统。

对于采用二通阀，尤其是采用温度调节阀而不设旁通管的系统，负荷减小时，由于空调末端的冷冻水进出水温差能基本上不变或变化很小（主要通过阀门开度来调节冷冻水流量，从而控制换热盘管的换热量温差基本不变），用其作为被控变量将很难获得好的控制效果。而对有旁通管的系统，当系统负荷变化时，在供回水总管压差控制下，旁通管上的旁通阀开度随之变化，旁通的温度较低的冷冻水与温度较高的用户端回水相混合，引起总的回水温度或供回水温差的变化，控制器根据这种变化发出指令调节泵的转速，以减小旁通流量来达到节能的目的。因此，采用温度或温差控制的空调冷冻水泵变频系统，要求所检测到的冷冻水温度或温差随负荷有较明显的变化。

二、压差控制

而对于差压控制方式，系统采用的是冷冻水循环系统中的压差信号，受外部环境温湿度的干扰较小，反应较快、较灵敏，一旦系统中某处压力产生变化时，系统能及时感应到并立刻采取控制动作。由于静压传递，系统中任何位置的负载量发生变化都能在出口压力检测点反映出来，而进出口的压差与系统的扬程、流量都有密切关系，可以比较准确地反映系统内部冷冻水的变化情况和系统负载量的变化，即实际系统中空调用户数量与位置的变化。

在压差控制方式中，系统是在水泵的进出口分别装了压力传感器，系统运行时，分别读取进口压力和出口压力值，取其压差∆P作为变频控制器的采样输入信号，从而决定变频器的频率，控制电机的转速。当系统的负载量改变时，由于相应管路上阀门开度的自动变化而引起管路上压差的改变，控制器检测到这一变化后，按照其内部预先设定的PID控制算法计算出该变化值，并产生输出信号控制冷冻水泵电机的运转转速，继而该管路的流量和扬程相应的发生变化来适应空调负荷的变化。

由于定压差控制法是通过恒定供、回水干管或者最远盘管与调节阀之间压差来控制水泵的运行。在实际工程设计中，设计人员往往简单地把生活给水设计中的恒压变量用于闭式循环的空调水系统控制。由于在开式给水系统中，系统静压起主要作用，管道特性对恒压影响较小，恒压变流量可以很好地满足节能运行要求；但是，在闭式循环中的空调水系统则不然，其原因有三个：①循环水泵仅仅提供系统的循环压力，而与系统静压无关；②变流量系统的循环压差是一个受多方面影响的多元函数，恒压差实际不能满足系统的运行要求；③系统循环流量变化与季节和室内负荷变化及运行方式有关。因此，在闭式循环空调水系统中采用恒压变流量控制时，只有在系统设计流量运行条件下，循环水泵在最高工作点运行，当系统在部分负荷运行时，由于水泵工作特性曲线与系统运行管道特性工作点偏移，水泵转速改变前后的工作点为非相似工况点，此时水泵运行轴功率变化实际上并不符合与流量变化成正比，与转速的三次方成正比关系。当循环水量变化时，水系统循环需要压差因系统循环水量减小而降低，恒压变流量控制则要求系统压差不变，就必定要系统末端部分环路及阀门来消耗掉多余的压差，造成能源浪费。

变压差控制法则是根据系统流量的变化，改变压差来控制水泵的运行。变压差流量系统控制的要点是通过监测系统，跟踪系统流量的变化来控制稳定其工作点。尽管变流量控制思想能够很好地与闭式循环水系统的管道特性一致，能够提高系统的稳定性和适应能力，但是，由于空调水系统是复杂的系统，在动态运行时，各点的压力都是变化的，这样，不利于变压差的确定，因此，实现起来是很困难的。

从上面的比较可以看出，单一地采用上述两种方法中的一种，都存在一定的弊端。但是，不管采用那种控制方法，水泵的转速不能根据流量的减小而无限地减小，当水泵的转速过小时，水泵的功率也很小。这样，从能量角度来分析，固然可以符合风机盘管冷量（夏季）供应的需求，但是，当水泵的功率很小时，其提供的扬程也小，从动力的角度分析，可能不能把冷水送到最不利环路末端的风机盘管。

三、变频控制

采用交流变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的有效途经之一。如图4给出了阀门调节和变频调速控制两种状态的扬程-流量（H-Q）关系。

图4 水泵扬程-流量（H-Q）关系曲线

图4中，曲线①为泵在转速为n1时的Q-H性能曲线，曲线②为泵在转速为n2时的Q-H性能曲线，曲线③为阀门关小时的管组特性，曲线④为阀门正常时的管组特性。A、B、C为水泵的工况点。水泵是一种平方转矩负载，其流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比。在流体力学中，泵消耗的轴功率为：

式中

ρ，P——为电动机的轴功率（kW）——为液体的密度（）

H——为扬程（m）

Q——为流量（m3/s）

ηc——为传动装置效率

ηf——为泵的效率

由表达式（1）可知，轴功率与Q、H的乘积成正比。在工况点A，轴功率P1与Q1、H1的乘积（即面积AH1OQ1）成正比，根据工艺要求，当流量需从Q1变为Q2时，如采用调节阀门的方法（相当于增加管网阻力），使管阻特性曲线从曲线④变到曲线③，系统由原来的工况点A变到工况点B运行，从图示可以看出，压头反而增加为H2，轴功率与面积BH2OQ2成正比，显然减少不多。如果采用转速调节，转速由n1降到n2，泵在转速为n2时的Q-H性能曲线如曲线②所示，可见在同样流量Q2时，压头H3大幅度降低，功率（与面积CH3OQ2成正比）明显减少，节省的功率与面积BH2H3C成正比，很显然节能效果显著，即便考虑到因转速的降低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等，但是节电效果仍十分明显。此外，电机消耗的功率不仅决定于泵，还和调速的方法有关，如果电动机的滑差损耗很大，节电效果就大打折扣了。变频调速器是一种高效调速装置，它与滑差调速、液力耦合调速不同，没有滑差损耗，本身的固有损失仅为1%～2%，因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的轴功率。对于泵、风机等流体机械，流量或风量是与转速成正比的，而轴功率是与转速的三次方成正比的，因此：

式中：nz、PZ、Qz分别为泵的额定转速、额定轴功率和额定流量。

结合式（1）和式（2）可知，如果采用变频调速时，变频器消耗功率为：

如果采用阀门调节，电动机消耗功率近似为：

从式（3）和式（4）可以看出，当流量Q变为额定流量的50%时，采用变频调速时消耗的功率为0.125Pz，采用阀门调节流量时，电动机消耗功率为0.7Pz，节电率为82.1%。节电效果时相当可观的。中央空调系统是一个非常复杂的控制系统，风机、压缩机、冷冻机组和冷却塔风机均可采用变频调速来控制。

一般来说，中央空调系统的最大负载能力是按照天气最热，负荷最大的条件来设计的，并且留有10%～20%的设计裕量，这样就存在着很大能量冗余，但实际的空调系统极少在这些极限条件下工作，所以存在很大的节能空间。根据有关资料统计，中央空调系统在97%的时间运行在70%负荷以下，并时刻波动着，所以实际负荷总不能达到设计的满负荷，特别是冷气需求量少的情况下，主机负荷最低。为了保证有较好的运行状态和较高的运行效率，我们就希望主机能在一定范围内根据负载的变化来加载或卸载，但与之相配套的冷却水泵却仍在高负荷状态下运行，这样就存在很大的能量损耗，同时还会带来以下一系列问题：①水流量过大使循环水系统的温差降低，恶化了主机的工作条件、引起主机热交换效率下降，造成额外的电能损失；②由于水泵流量过大，通常都是通过调整管道上的阀门开度来调节冷却水和冷冻水流量，因此阀门上存在着很大的能量损失；③水泵通常采用Y-△起动，电动机的起动电流仍然较大，会对供电系统带来一定冲击；④传统的水泵起、停控制不能实现软起、软停，在水泵起动和停止时，会出现水锤现象，对管网造成较大冲击，增加管网阀门的冒泡滴漏现象。由此可见，由于中央空调冷却水、冷冻水系统运行效率低、能耗较大、存在许多弊端，并且属于长期运行的设备，因此，对其进行节能技术改造是完全必要的。

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[2]陈沛霖．近年空调技术现状[J]．暖通空调，1996．

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