一次泵變流量水系統(tǒng)模擬和存在問題分析

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簡介：  通過一次泵變流量水系統(tǒng)的模擬 分析 ，得到了水泵變流量情況下的節(jié)能率與部分負荷率和水泵相對于冷水機組功耗的關系，分析了水側變流量運行對冷水機組制冷性能的 影響 ，并給出了不考慮這一因素對于一次泵系統(tǒng)變流量節(jié)能分析所引起的偏差，指出 研究 和掌握冷水機組變流量下的制冷性能對于一次泵變流量系統(tǒng)的設計是至關重要的。對于工程改造中出現的一些帶有普遍性的 問題 進行了分析。

   關鍵字： 一次泵系統(tǒng) 變流量水系統(tǒng) 節(jié)能     0   引言   空調 冷凍 水和冷卻水經常在大流量、小溫差下運行。根據日本的經驗，VWV與VAV并列，是空調中僅次于全熱交換技術的節(jié)能措施。隨著近年來電力 電子 技術的 發(fā)展 和變頻器性價比的不斷提高，交流電機變頻調速技術的 應用 越來越廣，一次泵變流量水系統(tǒng)的研究因此也得到了一定的重視 [1]-[3] ，但在研究中也存在這定性的結論多，定量的研究和 計算 辦法少，可操作性較差的問題，因而影響了其在實際中的廣泛使用。雖然 冷凍 水和冷卻水的變流量運行對 冷凍 水泵和冷卻水泵的節(jié)能運行有利，但變流量運行對于冷水機組的制冷性能可能有一定影響，制冷機的制冷效率(COP)可能有一定程度的下降。因此，要保證在冷水機組安全的前提條件下實現節(jié)能運行，就要求 冷凍 水流量和冷卻水流量的變化有一定的限制，并滿足某種匹配關系。由于 目前 生產廠家一般沒有提供在不同的 冷凍 水出水溫度和冷卻水進水溫度下，冷水機組制冷量、輸入功率隨 冷凍 水流量和冷卻水流量變化的完整數據，因此關于一次泵變流量水系統(tǒng)的研究和設計受到了一定的影響；反過來，由于定量研究較少，也使得生產廠家沒有積極性進行相關數據的測試。相信一次泵變流量水系統(tǒng)研究的進一步深入，對于提高冷水機組在部分負荷工況下及變流量情形下的能效比的研究和節(jié)能技術的推廣將起到推動作用,從而形成空調水系統(tǒng)和制冷主機節(jié)能研究及其應用的良性互動。1 水側變流量對冷水機組性能的影響 在傳統(tǒng)的空調水系統(tǒng)設計中，通過冷水機組的 冷凍 水和冷卻水的流量基本保持不變。認為只有維持定流量，才能確保盤管的換熱效果，流量減小時，在換熱盤管表面可能會出現層流狀態(tài)，降低換熱效果；同時，流量過小時，蒸發(fā)器還會出現凍結的危險，當流速小于一定值時，水中若含有腐蝕性物質，會對盤管造成腐蝕。隨著控制技術的發(fā)展，冷水機組的控制系統(tǒng)越來越先進。目前，不同類型的冷水機組均能實現冷量的自動調節(jié)。冷水機組能量調節(jié)功能的進步使得其水側變流量設計成為可能，同時也凸顯水泵應改變以不變應萬變之策，而應以變應變。事實上，目前，多數冷水機組允許蒸發(fā)器流量在額定流量的50％～100％以內變化。當蒸發(fā)器采用變流量運行時，其流量隨著用戶負荷的變化而變化，當用戶負荷變小時，蒸發(fā)器的 冷凍 水流量變小，冷水機組的控制系統(tǒng)根據實際需冷量減小制冷劑流量，導致蒸發(fā)器盤管內制冷劑流速偏離了最佳流速值，冷水機組制冷系統(tǒng)的整體性能降低。衡量蒸發(fā)器變流量運行能否節(jié)能的標準不單是 冷凍 水泵運行時節(jié)能多少，而還應考慮蒸發(fā)器變流量運行造成冷水機組COP值下降而損失的能耗，再考慮變流量運行的負荷時間頻度。由于控制技術的進步，控制系統(tǒng)可以保證壓縮機始終在高效區(qū)運轉，使得冷水機組蒸發(fā)器變流量時的性能不會下降很多。冷水機組蒸發(fā)器變流量對其制冷性能的影響程度與壓縮機類型和制冷劑變流量的方式有關。 文獻 3從熱力學角度對此進行了分析，認為即使 冷凍 水流量減至60％，冷水機組的COP的下降幅度也不超過10%。冷卻水進出口溫差變大時，雖然可以減小冷卻水泵的運行費用，然而，為了保證冷凝器內的熱交換，冷凝溫度必然要高于冷卻水的出口溫度，并且冷凝溫度與冷卻水出口溫度也要求有一低限。所以，要想加大冷卻水的進出口溫差，就必須提高冷卻水出口溫度（通常冷卻水進口溫度基本上是定值），這又將引起冷凝溫度的增加，降低了冷水機組的COP值。與蒸發(fā)器變流量相比，冷凝器變流量運行對冷凝溫度的影響較大，故導致冷水機組COP的變化較大，在給冷卻水泵安裝變頻器時，應詳細分析冷卻水變流量對冷水機組性能的影響，確定方案的可行性。    2   一次泵變流量系統(tǒng)節(jié)能模擬 分析   現將在部分負荷情況下變流量與定流量兩種情形的系統(tǒng)（冷水機組和水泵）能耗進行比較，設定流量情形冷水機組和水泵的輸入功率分別為   和   ，變流量情形為   和   ，對于冷水機組和水泵組成的系統(tǒng)而言，水泵變流量的節(jié)能率為（1）變流量與定流量兩種情形下的制冷量應相等（   ），因此，兩種情形下冷水機組的輸入功率與能效比（EER）的關系為（2）因此，節(jié)能率為（3）在部分負荷情況下，由于環(huán)境溫度和工況的改變，冷水機組的輸入功率   與名義工況下的輸入功率   相差較大，且關系較為復雜；而EER雖有改變，但變化幅度較小，一般不超過15% [4] 。設EER隨部分負荷率η（=Q/Q 0 ）的變化為線性變化（4）這里EER 0 為名義工況下的能效比，待定系數   與部分負荷率和機型有關，如不考慮部分負荷情況下能效比的變化，則取   。據能效比的定義，有，    （5）由(4)、(5)式，可將部分負荷情況下冷水機組的輸入功率   用名義工況下的輸入功率   和部分負荷率η來表示：（6）將（6）式代入（3）式，得（7）對于閉式系統(tǒng)，水泵的等效率曲線與管路特性曲線重合，在一定的調速范圍內，符合相似定律，（8）式中    和   分別為定流量和變流量情形下的水流量。在名義工況下，有    （9）式中   為名義工況下的溫差，若采用等溫差控制，則有 （10）因此，    （11）將（8）、（11）式代入（7）式，得（12）上式中最后一項是由于考慮了變流量運行對于冷水機組性能的 影響 而帶來的。變流量情形下，冷水機組的能效比將比定流量情形下的能效比略有下降， 目前 這方面實驗數據較少。為便于從 理論 上分析一次泵變流量情形下的節(jié)能與流量變化的關系，本文分別模擬以下兩種情況：流量變?yōu)轭~定流量的60%時，冷水機組的EER變?yōu)槎髁繒rEER的5%和10%，且EER與相對流量呈線性關系。這里為方便起見，不妨稱之為“5%影響曲線”和“10%影響曲線”，見圖1。對于“5%影響曲線”和“10%影響曲線”，分別有（13）(14) 為便于分析一次泵變流量情形下的節(jié)能與部分負荷率η和水泵相對主機的功耗   的關系，這里，假設 [4] (15)    圖2 “5%影響曲線”下的節(jié)能率 　圖3 “5%影響曲線”下的節(jié)能率   （相對功率為15%） （相對功率為25%）    圖4 “10%影響曲線”下的節(jié)能率　 圖5 “10%影響曲線”下的節(jié)能率   （相對功率為15%） （相對功率為25%）圖2和圖3分別給出了水泵相對主機的電功率    為15%和25%情況下，“5%影響曲線”下的節(jié)能率與部分負荷率（流量變化）的關系；圖4和圖5則分別給出了對應于“10%影響曲線”下的節(jié)能率。從圖中可以看出變流量對于冷水機組制冷性能的負面影響可能在相當程度上抵消水泵的調速節(jié)能，特別是當水泵相對主機的電功率比較小時。當水泵相對主機的電功率小于15%時，不考慮對主機影響的節(jié)能率 計算 （三次方定律）較考慮“5%影響曲線”時要高估50%以上，較考慮“10%影響曲線”時更要高估100%以上。即使對于水泵相對主機的電功率較大的情形，也應該正確評估變流量對主機制冷性能的影響，否則，有可能做出錯誤的判斷。因此， 研究 和掌握冷水機組變流量下的制冷性能對于一次泵變流量系統(tǒng)的設計是至關重要的。3   工程中存在 問題 分析  一些變頻器生產廠家和自動化技術公司，在推動變頻調速技術 應用 于空調水系統(tǒng)中，經常走在暖通空調專業(yè)人員的前面，大部分后期工程改造（變頻調速系統(tǒng)的添置）往往由自動控制專業(yè)人員所主導。目前已有若干空調用戶，特別是飯店，被推薦在空調 冷凍 水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)中采用變頻泵。但由于集中空調系統(tǒng)有著不同于一般流體輸配系統(tǒng)的特點，在工程改造和節(jié)能核算中也存在一些問題。有的工程由于設計或施工方面的原因，水環(huán)路壓力本來就不平衡。而在進行變頻調速方案可行性論證時，有時僅僅關注供回水總管上的溫差和系統(tǒng)的運行時間，而沒有關心水環(huán)路壓力是否平衡。水環(huán)路壓力不平衡所造成的水力（熱力）失調，在額定的大流量情況下，有的環(huán)路溫差大，大多數環(huán)路溫差小，供回水總管或分集水器上的溫差還是較小，問題被掩蓋了；但在小流量情形，就暴露了出來，結果在水泵調速運行時，最不利環(huán)路上的空調區(qū)域往往達不到要求，流量偏?。ň褪枪芾砣藛T常常說的壓力不夠）。這就是許多空調變頻調速裝置形同虛設的一個主要原因。如何進行變頻調速系統(tǒng)控制，對于運行的節(jié)能效果影響很大。目前，大多數情形采用的是壓差控制和溫差控制。壓差控制反應快，傳感器成本低，但也有缺點：恒壓差控制，起不到節(jié)能的效果，如采用變壓差控制，壓差與流量的變化關系需試驗確定，且一般起碼要對最不利環(huán)路進行控制，布線較長，如是后期改造則要影響外觀效果，不受業(yè)主歡迎；溫差控制布線簡單，只要將傳感器布置在供回水總管或分集水器上即可，但其響應滯后，同樣成本下，溫度傳感器精度較低，且在原來系統(tǒng)水環(huán)路壓力不平衡的情況下，控制效果不好。兩種 方法 各有利弊 [5] 。幾乎所有節(jié)能核算辦法均沒有考慮到冷水機組水側變流量運行對于其COP的影響，大多數核算辦法只是簡單地（也許有商業(yè)方面的考慮）將變頻泵電流與工頻泵電流進行比較，并計及變頻泵地運行時間，而得出節(jié)能地效果（目前大多數變頻調速采用“一變多定”方案），沒有考慮到水泵機組在部分調速運行時，變頻泵電流下降，而工頻泵電流可能會有所上升。4   結論  一次泵變流量水系統(tǒng)是空調節(jié)能設計的重要方法，但其設計或改造，需要事前對系統(tǒng)進行細致的測試和調研，或需要生產廠家提供冷水機組制冷量、輸入功率隨 冷凍 水流量和冷卻水流量變化的完整數據。隨著對于一次泵變流量水系統(tǒng)研究的進一步深入，可以推廣PLC（可編程控制器）與變頻器組成一調速控制系統(tǒng)，充分考慮到冷水機組水側變流量運行對于其制冷性能的影響，實現冷水機組和水泵的一體化控制。參考  文獻   [1] 哈特曼. 冷水機利用變流量 冷凍 水的若干設計問題. 暖通空調. 1997（3）: 29-33   [2] Bahnfleth W, Peyer E. Comparative analysis of variable and constant primary-flow chilled-water-plant performance. HPAC Engineering. 2001, 73(4):41-50   [3] 孟彬彬，朱穎心，林波榮. 部分負荷下一次泵水系統(tǒng)變流量性能研究. 暖通空調.2002,32(6): 108-110   [4] ARI590-1992   [5] 朱孟標. 空調水系統(tǒng)節(jié)能研究. 南京理工大學碩士論文. 2004.3