中央空调冷却水、冷冻水系统的变频节能分析

曹 华， 张九根

(南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 211816)

0 引 言

中央空调水系统的负载主要是制冷机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔风机[1]。其中冷却水泵和冷冻水泵的容量根据最大设计热负荷选定，且留有10%～20%的设计余量。在没有调速的系统中，水泵只能采用节流或回流的方式调节流量，不仅造成能量极大浪费，还造成空调末端负荷要求得不到满足。20世纪80年代初发展起来的变频调速技术是在不改变管路特性曲线的基础上改变泵的转速以调节流量[2]。在空调变流量水系统中，变频泵作为关键设备，能根据用户对负荷要求动态调节水泵驱动电机的输入频率，从而改变水泵转速，减少输送动力，起到节能目的。变频调速比节流控制更节能，但变频调速并非完全适用的，例如变频水泵选型不合适或运行控制不合理，水泵处于低扬程运行，效率很低。变频改造需要因地制宜，经过详细地水力计算和负荷波动统计，才能准确预测改进后的运行情况。

1 冷却泵、冷冻泵工作原理和循环水系统分析

1.1 中央空调水系统制冷原理

中央空调是以水为载冷剂实现制冷的系统，通过冷热源、水、空气的循环把末端房间的热量带至外界实现制冷功能。中央空调核心制冷过程是压缩式冷水机组采用冷冻剂循环制冷。空调水系统工作流程如图1所示。

图1 空调水系统工作流程

压缩机将液态制冷剂与蒸发器中的冷冻水热交换，制冷剂吸收冷冻水大量热在蒸发器中蒸发为气体，从而降低冷冻水温度，冷冻水在冷冻泵的驱动下在换热盘管中与空气逆流热交换达到降低室温的目的。蒸发为高温高压的制冷剂气体与冷凝器中的冷却水热交换，冷凝成中温气体，在冷却泵的驱动下冷却塔将高温冷却水与空气进行热交换，将热量散入大气环境中去，降低冷却水温度，进行下一个循环。由此可知，中央空调水系统能耗主要集中在冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵和风机上。

1.2 循环泵不同配置方式及节能分析

合理设计空调水系统是节能运行的关键。对冷水机组定流量负荷侧变流量的一级泵系统、二级泵系统进行节能分析。冷水机组定流量一级泵系统是在冷源侧和负荷侧之间的供水回管上设置电动二通阀，根据负荷要求调节阀门开度，使负荷侧环路按照变流量运行，由于不加入变频器，属于节流调节。整个水系统逻辑上分为冷源侧和负荷侧，负荷侧水循环总量随各用户负荷变化而变化。但循环泵的部分能量消耗在旁通水路上，因此一级泵系统适用于中小规模，流量和阻力较小的循环水系统。

从20世纪90年代初，变频器在水泵上的应用日益普及，二级变频泵已得到广泛使用。与一级泵相比，二级泵系统分为初级泵和次级泵，即二级泵在一级泵系统上加入次级泵进行变频调速，次级泵在设计上无论是总流量还是扬程上与原一级泵保持不变。次级泵流量应根据供冷回路的冷负荷综合最大值确定，其扬程为二次管路、管件阻力及末端设备之和[3]。加入平衡管将冷水系统分为冷水制备和冷水输送，形成一次和二次环路，负责冷水机组和负荷侧水量呈同步变流量运行。二级泵在节约能耗上有更大优势，次级泵与管路特性曲线图如图2所示。

图2 次级泵与管路特性曲线图

当采取节流调节方式，减小阀门开度，管路特性曲线由R0变为R1，流量由Q0降为Q1，工况点由A变为B。当次级泵采取变频调速，部分负荷时，减小水泵转速，变频泵转速由n0降为n1，流量同样由Q0降为Q1，工况点由A变为C，而扬程H0从降为H2。节流调节时，水泵消耗的功率正比于面积H1OQ1B，变频调节时，水泵消耗功率正比于H2OQ1C，显然变频调节比节流调节更节能。水泵效率基本不变，由图2中效率曲线1，可看出变频泵的机械效率，在适度流量调节范围内变频泵运行效率保持稳定[4]。

二级泵不仅在节约能耗上有优势，还能很好地解决水系统因非曲线特性造成的冷水机组与负荷侧流量控制不同步的问题。值得注意的是，二级泵扬程不宜选择过大，否则变频泵近端压差大于实际阻力，系统回水直接从平衡管进入供水管，造成供回水温差降低，而一般要保持温差在5～7℃[5]。实际工程中，初级泵流量要大于次级泵流量，则初级泵多余的水量可从平衡管回流到冷水机组，所以平衡管的管径要尽可能大，以减小旁通阻力。

2 循环水系统的节电量计算

目前关于空调变流量节能技术的定性结论多，定量研究和计算方法少，可操作性差，因而影响了在实际中的广泛使用。在工程改造中也存在一些问题，没有合理的节能核算方法，忽略了冷却水系统静压作用，普遍按照功率与流量的三次方定律进行计算，夸大了节能效果。科学的节电率计算，对水泵能耗及管路阻力的考虑，重新匹配水泵、优化管路，对变频改进十分必要。

常规空调系统中，一般冷却水系统为开式系统，冷冻水系统为闭式系统。根据水泵相似定律，水泵运行功耗与流量的三次方成正比，虽然冷却水、冷冻水的变流量运行对冷却泵和冷冻泵的节能有利，却忽视了变流量运行对冷水机组性能系数的影响，制冷机的制冷效率(COP)会下降。原因在于冷却水系统、冷冻水系统工作原理存在差异，在冷冻水组成的闭式循环系统中，水泵功率可按与流量的三次方进行计算。其中，由泵的相似定律可得到冷冻水泵变频运行时的耗功率为

P1=Γ3Pd

(1)

式中：Pd——冷冻水泵额定功率；

P1——部分负荷时冷冻泵功率；

Γ——冷水机组负荷率。

部分负荷变频运行时，冷冻水泵单位时间节电量为

ΔP1=Pd-P1=Pd(1-Γ3)

(2)

而由冷却水组成的开式循环系统，由于水塔与冷凝器存在高度差，故水的静压作用不可避免，变频泵的部分节能效果受水压高度影响，若按功率与流量三次方来计算，就会高估节能率。实际上变频泵的有效功率不仅克服由水压差引起的塔体扬程，还克服管路阻力等。

冷却水开式系统中，扬程与体积流量的关系为

H=H0+SG2

(3)

式中：H——冷却水泵扬程；

H0——静压头，其值为塔体扬程，约3m；

S——体积；

G——总流量。

将式(3)代入冷却水泵的轴功率计算式得

(4)

式中：Pq——冷却水泵额定功率；

P2——部分负荷时冷却泵功率；

G1——冷却水的流量。

其中，H0可忽略，故可简化为

(5)

部分负荷变频运行时，冷却水泵节电量为

(6)

与冷冻水系统相比，冷却水由于存在静压差，变频节能效果差,在冷却水系统上多耗的功为

(7)

文献[7-8]分别给出冷却水流量不变冷冻水流量变化时，冷冻水流量每下降10%，相应冷水机组COP值下降1.6%；冷冻水量不变冷却水量变化时，冷却水流量每下降10%，相应冷水机组COP值下降1.4%。

ΔCOP1=0.16(1-Γ)

(8)

ΔCOP2=0.14(1-Γ)

(9)

当冷却水系统、冷冻水系统流量同时变化时对冷水机组COP值的影响还没有定量给出，将二者影响叠加作为对冷水机组COP值的综合影响，则

ΔCOP=ΔCOP1+ΔCOP2=0.3-0.3Γ

(10)

冷水机组由于性能系数降低而多消耗的功率为

(11)

式中：Q——冷水机组瞬时制冷量。

(12)

(13)

上式为总节电量计算式，考虑了变流量运行对冷水机组性能的影响和冷却水系统静水压力的存在，而不是简单按功率与流量三次方来计算节电量。

冷却泵系统由于存在静水压差，相比冷冻泵多耗的能量在改造时应考虑在内。水泵功率在系统中所占比例越大，其节能效果越好。功率比10%为临界状态，当功率比<10%时，变频运行不但不节能反而更耗能[9]。原因在于变频泵对冷水机组性能系数的影响，冷水机组COP下降多耗的能量大于变频泵所节约的能量。

3 中央空调水系统变频控制改进方案

由于冷却水系统管路结构比较固定单一，可定为一次循环，最好使用进出口温差来调节，温度能较好地反映负荷波动情况。另外，一般冷却水设计温差为4～5℃，冷冻水设计温差为5～7℃[10]，相对而言，对冷却水系统采用温差控制难度较小。对于冷冻水系统，存在多种选择，主要采用温差和压差为控制量。对于温差作控制量，理论上若不考虑冷冻水在传输中的损失，制冷机出水温度和回水温度之差代表冷冻水从房间带走的热量，故以温差为主的控制方式，比压差控制能更好地反映系统供冷负荷[11]。但这种控制方式尚属于开环控制，受外界环境、气候因素影响，其扰动很大，效果不理想；对于压差作控制量，即以制冷主机的出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据，如图2所示，流量从Q0变为Q1时，工况点由A点变为B点，水泵扬程从H0变为H2，为了保持压力不变，将水泵转速从n0降为n1，通过水系统内压差变化来调节转速，进行压差控制。

本文根据冷却水、冷冻水系统的规模、系统阻力和管路流量要求进行改进。以冷冻水系统为例，根据系统规模大小，采用冷水机组定流量一级泵系统或采用冷水机组定流量二级泵系统。采用一种应用于二级泵系统中温度和压力联合控制的方法，冷冻泵控制方案流程图如图3所示。

图3 冷冻泵控制方案流程图

图3中，外环为温差调节，内环为压差调节。该控制模式下，由于冷冻水出水温度取决于蒸发器的运行参数(一般为7℃)，控制冷冻水回水温度即可控制温差。回水温度给定与实际回水温度的差值，经过温度调节器调节后，转换为压力参数，作为给定值，进入次级泵，比较给定压力与实际循环水压的偏差，经过压力调节器后作为变频器的频率设定信号。此系统可把冷冻水回水温度较好地控制在设定值，在满足空调主机工况不变的情况下，冷冻水系统节能最大。

在内环压差控制环节中，采用多泵并联的恒压供水系统。其最基本的模式是采用变频泵固定运行方式： 其中一台泵是变频泵，其余为工频泵，根据流量的变化，由控制器控制工频泵的自动投入或退出。以3台水泵组成的给水系统为例，变频泵固定运行方式如图4所示。

图4 变频泵固定运行方式

本文提出变频泵循环运行方式，如图5所示。在低流量时，变频器带动一台水泵运行，随流量的变化调节水泵转速；当流量变大，变频泵频率到达50Hz时，变频泵切换到工频运行，同时变频器带动下一台水泵软起动；随着流量进一步增大，以后各台水泵软起动以此类推。当流量突然减小须停泵时，最先转为工频运行的水泵先停。相对于变频泵固定运行方式，这种运行方式的优点在于： (1) 泵起动全部采用变频器软起动方式，压力上升平稳，对电网、水泵、管路、阀门无冲击。(2) 通过优化调度，可随意安排起动顺序，节约大量电能。(3) 当变频泵出现故障，通过控制器的切换，使变频器带动其余水泵变频运行。

图5 变频泵循环运行方式

以ABB公司的ADS401型变频器和Siemens公司的CPU224型可编程序控制器组成的变频泵循环运行方式为例，介绍循环运行无扰动切换的实现。系统由变频器、监频监相控制器、可编程序控制器、接触器、继电器、转换开关等组成。当流量增大时，变频器输出频率升至工频电源频率，系统进入切换等待；当变频器输出相位与工频电源相位一致时，监频监相控制器输出同相信号，可编程序控制器通过切换接触器把变频泵从变频电源切至工频电源，实现无扰动切换。切换的步骤一般为： (1) 变频器停机；(2) 在输出侧进行切换；(3) 在切换完成后，变频器带另一台水泵重新起动。以图5中变频泵由2号泵转为1号泵为例： (1) 继电器KA断开，变频器自由停机；(2) 断 开接触器KM4，闭合KM3,2号水泵切换至工频电源；(3) 闭合KM2，闭合KA，变频器带1号泵开始运行。

某系统由3台18.5kW 的电动机各带1台冷冻泵并联组成的冷冻水循环系统，由3台 18.5kW 的电动机各带1台冷却泵组成的冷却水循环系统，应用上述变频器和可编程序控制器组成的变频泵循环运行方式对电动机进行变频调速控制。两套系统均42Hz，原系统所有技术指标都不变，通过在电源进线侧用测电流方法计算节电率，变频泵改进前后的测试参数如表1所示。

表1 变频泵改进前后测试参数 A

以1号冷却泵电动机为例，固定运行方式消耗的功率为

P= 1.732UIcosα=1.732×380×27.3×

0.9kW=16.17kW

改进后消耗的功率为

P′= 1.732UI′cosα=1.732×380×16.1×

0.9kW=9.54kW

(P-P′)/P=(16.17-9.51)/16.17=41%

冷冻水和冷却水系统经技术改进后，实际节电率约41%。

4 结 语

冷却水、冷冻水系统不同程度影响着冷水机组制冷效率。根据系统规模、管路阻力大小选择一级泵系统还是二级泵系统，且二级泵系统中次级泵合理的变频改进能节约大量能耗。压差控制在水系统中的应用最普遍，相对而言，温差控制能更好地反映负荷的波动性，但受环境、气候因素影响大。在变频控制策略上综合压差控制与温差控制优点，对变频泵运行方式作进一步的改进，可显著提高空调水系统的节能效果。

【参考文献】

[1] 郑滨辉.模糊控制在中央空调变频节能及其末端房间的应用研究[D].杭州： 浙江大学，2012.

[2] 王子荣,周春冬.有关变频水泵节能技术的分析[J].黑龙江科技信息，2013(7): 20.

[3] 张承维.变频调速技术用于中央空调系统节能[D].贵阳： 贵州大学，2008.

[4] 胡书琴，张九根.变频节能技术在中央空调水系统中的应用研究[J].电气应用，2007,26(9)： 128-131.

[5] 王冷非.变流量空调冷水系统的分析和比较[J].暖通空调，2013，43(4)： 36- 40．

[6] 班广生，刘忠伟，余鹏.建筑采暖与空调节能设计与研究[M].北京： 中国建筑工业出版社： 2011.

[7] 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[J].暖通空调，2002，32(6)： 108-110.

[8] 封小梅，简弃非，左政．冷却水系统变流量的全年工况节能分析建筑科学[J].建筑科学，2010，26(4)： 80-84.

[9] 陈金山,冀兆良,施杨.空调水系统变频节能改造全年节电率预测方法探讨[J].制冷与空调，2013，13(1)： 27-30.

[10] 赵太新.变频调速在中央空调系统节能中的应用[J].节能技术，2008，26(1)： 60- 63.

[11] 郭杰.中央空调水系统的变频改造[J].化工准备技术，2013，34(1)： 55-57.