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建筑环境与能源应用工程专业科研创新
空调系统冷冻水循环水泵的节能设计方法
(中国矿业大学力学与建筑工程学院建环11-2班郭浩)
摘要:建筑空调系统的运行负荷仅为设计负荷的50%~70%左右,而冷冻水泵作为空调系统中最主要的耗能设备,在整个系统运行过程中存在相当大的节能改
造空间。本文从空调系统的节能重要性以及重点阐述的冷冻水循环水泵的节能,分析了空调系统的运行工况,从运行工况中得出空调能耗的原因,从冷冻水泵的单台、多台串并联的运行情况进行水泵选型,并从冷冻水一次泵变频节能和二次泵变流量两个方面对冷冻水循环水泵的节能坐车进一步阐述。对水泵的选型方法作一定了解。
关键词:冷冻水泵节能优化水泵选型一次泵二次泵
1课题研究的意义
中国是一个能源生产和消费大国。近年来节能减排已成为国家生活乃至全社会关注的焦点,也是能源可持续发展的必由之路。我国建筑能耗也已迅速上升到社会总能耗的33%以上。
空调系统、照明系统、动力系统构成了现代建筑的三大重要“器官”。暖通空调已占到总建筑能耗的50%~60%。在空调系统中,主要能耗设备有冷水机组、水泵、末端设备等,其中空调水泵的能耗大约占冷水机组能耗的13%左右。空调负荷是随气象因素等条件的变化而变化的,因此空调系统在大部分时间内工作于部分负荷状态。建筑空调系统的运行负荷仅为设计负荷的50%~70%左右,而冷冻水泵作为空调系统中最主要的耗能设备,在整个系统运行过程中存在相当大的节能改造空间。
本文主要就空调系统中冷冻水循环水泵的节能设计进行探讨,从冷冻水循环水泵的运行工况、水泵组合方式、水泵选型以及冷冻水一次泵、二次泵的节能设计角度进行分析。
2冷冻水系统耗能分析
中央空调系统包括了“末端风系统”、“输配系统”、“冷水机组”,具有“多输入、多输出、强耦合”等特点。无论是冷水机组、冷冻水泵,又或者末端、阀门的控制策略的变化,均有可能导致冷冻水系统、甚至是冷水机组运行工况发生波动。
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3冷冻水泵节能优化

冷冻水泵的运行控制策略包括了台数控制、变频控制、台数控制结合变频控制三种,分别如下:
(1)台数控制:若空调系统有多台冷冻水泵,且均定频运行。当冷冻水进水温度高于设定上限值时,增开一台冷冻水泵;当冷冻水进水温度低于设定下限值时,关闭一台冷冻水泵。
(2)变频控制:若冷冻水泵为变频水泵,当冷冻水进水温度低于设定进水温度下限值时,冷冻水泵变频运行,通过改变冷冻水泵的电机频率,进而改变冷冻水流量。
(3)台数和变频控制:当系统存在多台冷冻水泵,且均安装有变频装置。则变频运行为优先,根据冷冻水的进水温度,调节冷冻水泵频率。若冷冻水泵的输入频率值达到变频器设定频率值下限时,冷冻水泵的进水温度仍然无法满足冷冻水进水温度下限,则关闭一台冷冻水泵;若冷冻水泵的输入频率值达到工频时,冷冻水泵的进水温度仍然无法高于冷却水进水温度上限,则增开一台冷冻水泵。

冷冻水泵的节能改造措施,主要有更换小流量高效率的定频水泵,或者对水泵叶轮进行切削处理以降低流量;或者对单台水泵加装变频器;如果空调系统存在多台水泵并联运行,还需要进行泵组的优化等等。
针对这些节能改造措施,注意分析其运行工况的变化以及对冷冻水系统的影响。首先,节能改造的首要目的是改变了管网的流量,一定程度上解决了“大流量小温差”的现象。但要注意的是,节能改造后如果仅仅更换小流量高效率的定频水泵,或者对水泵叶轮进行切削处理无法解决建筑实际负荷在不停波动的状况。因此,该措施只能针对建筑负荷波动比较小的情况。对冷冻水系统的影响还有一个重要方面就是减小了冷冻水泵的运行能耗,但其节能率有限。
其次,进行变频改造,则主要解决的时候建筑长期处于部分负荷的情况,根据建筑的实际负荷,基于变频器的控制机理,调节冷冻水泵的叶轮转速,以达
到改变流量的目的。不同的控制机理,其节能率是不一样的,就原理来讲,采用
温度控制的节能率最大;采用定压差控制,其节能率最低。
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在实际中,有很多建筑存在着冷冻水泵并联运行的情况,泵组的优化需要考
虑对泵组中某一台或者几台水泵改造后,对整个泵组的影响。在此基础上,可以
得出,若泵组假设只有两台水泵(实际情况中,两台水泵并联是最普遍的),则只对其中一台冷冻水泵进行变频改造,是不合理的;最好的改造方法是对两台冷冻水泵同时进行变频改造。
在冷冻水泵定频运行的情况下,只能采用压差旁通控制,通过冷水机组的流量不发生变化;在冷冻水泵变频情况下,由于流量变化需要冷冻水泵与末端联合控制。因此,亦不考虑末端是否安装电磁二通阀。
因此,可将节能工况划分为以下几种:

工况
冷水机组
冷冻水泵
工况1
单台运行
1台变频水泵
工况2
单台运行
1台定频水泵
工况3
单台运行
2台变频水泵
工况4
单台运行
2台定频水泵
工况5
2台并联
2台变频水泵
工况6
2台并联
2台定频水泵
4冷冻水循环水泵的选型

水泵的选型是依据设计流量Go及相应的扬程H。两个参数确定的,为了节省能耗,要求水泵在高效段η≥,。
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1水泵G--η曲线
同时在部分负荷情况下,系统的流量G应该在0-Go之间变化。所以要求水系统水泵的高效段尽可能宽。显而易见,较大设计流量Go的系统中,仅仅使用一台水泵是不合适的。
下面就较大设计流量Go情形下讨论水泵的选型。

(1)两台同型号水泵并联运行
,对于某一Go、Ho,当采用二台相同水泵并联时,每一台水泵的扬程H相同,流量G各承担一半。当Go属于并联工作的高效段n,且扬程H满足要求时,两台水泵都在高效段运行。在工段,可关闭一台水泵,另一台水泵仍在高效段运行。

---G性能曲线ⅠⅡ段,单台水泵的高效段
(2)两台不同型号的水泵并联运行
,对于同一G0,H0,采用二台不同水泵并联时,要求这两台水泵处于高效段时的扬程很接近,且并联运行时,Go处于高效段Ⅲ段,那么可考虑这两台水泵并联。当系统流量小时,关闭水泵a,b水泵可在高效段H段运行。当系统流量更小时,。本文阐述的就是以这种方式并联的各种情况。
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---H性能曲线ⅠⅡ段,b水泵的高效段Ⅲ段,两台水泵并联的高效段
(3)三台同型号水泵并联运行
如图4所示,可以看出,为了满足系统冷负荷的变化,流量变化的调节范围可以更大,可分别通过三台水泵同时运行、停一台水泵两台水泵运行和停两台水泵一台水泵运行三种工作方式来实现流量调节,且水泵都在高效段运行。
---H性能曲线
(4)三台不同型号的水泵并联运行
如图5所示,可以看出,与图4相比,流量变化的调节范围就更大,可分别用三台水泵两两并联、一台单机运行、三台水泵井联运行七种工作方式,仍能满足在高效段运行
---H性能曲线
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-H性能曲线
为了适应空调系统变负荷的需要,空调水泵必须具备良好的流量调节特性,在设计选型时常采用多台水泵并联运行。本文通过分析得出:在保持水泵在高速效率运行条件下,采用不同型号但高效段扬程相近的水泵并联时的流量调节范围可比同型号的水泵并联要宽些。
5空调冷冻水一次泵变频节能
一次泵变频技术有三方面:水泵变频能耗、变频控制方式以及变频泵台数设置。
在当前的空调水系统设计中,二次泵水系统使用变频水泵得到了普遍的认可,而一次泵变频却始终得不到推广。究其原因,不外乎有以下几点担心:蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动,甚至导致机组运行不稳定,变流量会对制冷机运行产生不利影响。因为水侧流量变化会致蒸发器(或冷凝器)的换热效率降低,并产生结冻危险,制冷机水侧变流量后,会明显下降,导致制冷机的能耗增大,结果会抵消水泵所节省的能量,使整个系统节能效果不突出,甚至不节能。

采用变频技术关键是要看其节能多少,也即采用变频后水泵能耗越小越好"现在的研究中都不约而同的提到与节流调节法和旁通控制相比,在部分负荷时,降低水泵转速可以节约大量能源。
当转速降低一半,流量也减少一半,管路的阻力损失H随着水泵转速n成平方比关系减小,所耗功率降为原功率的1/8。水泵的特性曲线越陡,并联运行时增量越大,反之,泵的特性曲线越平坦,增量越小,越不适宜并联工作;管路阻抗越小,并联后增量越大,越适宜水泵的并联工作,曲线为陡降型的泵与曲线缓升型的管路结合,并联后的增量较大。
管路压降是计算水泵能耗的重要参数之一。水泵变频后,由于管路中冷水的流态可能发生变化,系统中的阀门开度的变化,系统的阻力特性也随之改变,也即管路特性曲线发生变化,但也只是进行了定性的分析,未对管路压降的确定进行定量分析。

一次泵变频技术的关键是确定合理的变频控制方式,水泵变频控制方式主要
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有温差控制方式和压差控制方式。

温差控制的原理为当空调负荷减小时,供回水温差减小,系统通过温差传感器将这一信号传递给变频器,控制水泵减速运行,减少水流量,使温差增大到传感器的温差设定值,反之控制水泵增速运行,使温差减小到传感器的温差设定值。温差控制存在反应慢、易受干扰、不能根据负荷变化准确分配各用户所需的冷冻水量、不能提供适当的水压且稳定性和可靠性较差的缺点。
冷冻水泵采用温差控制在工程中出现的不多,主要原因是这类设计有一定限制,外网各空调用户均需按同一规律性同步变化,否则容易出现管网水力失衡问题,影响空调品质,并且温差控制方式需要测试点冷冻水温差随负荷变化有较明显的变化。以上较一致的表明温差控制方式存在很多不足且运用中有诸多限制。

压差控制方式的原理为部分负荷下,室内温控器根据室内温度的变化来改变动调节阀的开度,从而引起供回水管压差的变化,压差传感器将这一信号传送给变频器,与设定值进行比较,从而控制水泵的转速。
压差控制方式的优点是反应灵敏,一旦系统中某处压力产生变化,系统能及时感知并采取动作,适合于用户端采用二通阀的系统。
空调系统在运行时水系统流量在很大范围内变化,实际最不利环路可能从一个支路变为另一个支路,靠唯一的压差设定值,有可能会出现部分用户空调效果差或失效的现象,为保证系统正常运行,通常可以在几个有可能是最不利环路的供回水管上安装压差传感器,实际运行时根据其最小的压差控制水泵转速"研究只是定性的说在可能的最不利环路上安装压差传感器,而到底怎么样才算是可能的最不利环路,实际当中应该定量的对各个时刻冷冻水系统进行分析,通过计算得到最不利环路。
采用变压差控制能最大限度的降低压差设定值,从而减少阀门的节流损失,具有更好的节能效果,但需复杂的控制系统和相应的控制算法。变压差控制具体做法为:%,此状态连续保持十分钟,把压差设定值减少10%;%,此状态连续保持8分钟,则压差设定值增加10%。

空调系统的冷冻水系统通常是多台水泵并联运行,变频泵台数的设置方式有部分水泵变频和全部水泵变频两种,对于这两种并联变频运行方式的研究主要有:不同方式的优缺点以及水泵的启停方式。
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并联水泵全部变频调速可以使水泵都在高效率工况下运行,节能效果最好,并且操作简单,但初投资较大;采用部分变频工作时虽然初投资较少但节能效果较差。部分水泵变频的运行方式,由于出口压力不一致,导致能耗增加,变速泵易磨损,而且水泵启动顺序的切换逻辑过于复杂;随着变频泵的减速,变频后工频泵的流量大于变频前工频泵的流量,当工频泵超出水泵的最大流量时,造成水泵过载。为防止变速泵减速时,工频泵过载,应在工频泵出口设置调节阀,变频泵出口设置逆止阀。
6空调冷冻水二次泵变流量
二次泵系统分为机组侧定流量循环和负荷侧变流量循环,负荷侧变流量循环节省了部分负荷下水泵的输送动力。一次泵系统初投资低,但要求系统设备承压能力高,二次泵系统初投资高,运行管理比一次泵系统要复杂,但运行费用相对较低。


当用户负荷变化时,通过关小或开大用户侧二通阀的开度来达到流量调节的调节方式叫节流调节,节流调节是通过提高系统管路阻力,改变水泵的工作点来实现的。
,该系统的二次泵是由3台水泵并联供水的,两台水泵、两台制冷机和旁通管组成一次泵循环,三台水泵、用户侧和旁通管构成二次泵循环,每台水泵都是定速运行的。当用户负荷减少时,关小用户侧二通阀,导致流经用户侧的水流量减少,同时二通阀前后压差增大,为防止二通阀因前后压差过大而损坏,在二次泵出口安装出口压力控制阀V,压差控制器根据检测到的供回水管压差来调节出口压力控制阀的开度以避免二通阀因前后压差过大而损坏。当用户侧流量小于水泵运行的最低流量时,水泵运行时可能会出现喘振现象,为了避免这种现象,可以在二次泵的出口和入口之间安装旁通阀VZ,当用户侧流量小于水泵运行的最低流量时,开启旁通阀VZ,多余的流量从旁通阀流过。一次泵循环是定流量运行的,当用户侧流量减少时,多余的流量从旁通管经过。
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