一次泵變流量水系統(tǒng)模擬和存在問題分析

 

 關(guān)鍵字： 一次泵系統(tǒng) 變流量水系統(tǒng) 節(jié)能 

 

 0   引言   空調(diào) 冷凍 水和冷卻水經(jīng)常在大流量、小溫差下運(yùn)行。根據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，VWV與VAV并列，是空調(diào)中僅次于全熱交換技術(shù)的節(jié)能措施。隨著近年來電力 電子 技術(shù)的 發(fā)展 和變頻器性價(jià)比的不斷提高，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的 應(yīng)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(jié)論多，定量的研究和 計(jì)算 辦法少，可操作性較差的問題，因而影響了其在實(shí)際中的廣泛使用。雖然 冷凍 水和冷卻水的變流量運(yùn)行對 冷凍 水泵和冷卻水泵的節(jié)能運(yùn)行有利，但變流量運(yùn)行對于冷水機(jī)組的制冷性能可能有一定影響，制冷機(jī)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(jī)組安全的前提條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)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(guān)系。由于 目前 生產(chǎn)廠家一般沒有提供在不同的 冷凍 水出水溫度和冷卻水進(jìn)水溫度下，冷水機(jī)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(shù)據(jù)，因此關(guān)于一次泵變流量水系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)受到了一定的影響；反過來，由于定量研究較少，也使得生產(chǎn)廠家沒有積極性進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測試。相信一次泵變流量水系統(tǒng)研究的進(jìn)一步深入，對于提高冷水機(jī)組在部分負(fù)荷工況下及變流量情形下的能效比的研究和節(jié)能技術(shù)的推廣將起到推動作用,從而形成空調(diào)水系統(tǒng)和制冷主機(jī)節(jié)能研究及其應(yīng)用的良性互動。1 水側(cè)變流量對冷水機(jī)組性能的影響 在傳統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過冷水機(jī)組的 冷凍 水和冷卻水的流量基本保持不變。認(rèn)為只有維持定流量，才能確保盤管的換熱效果，流量減小時(shí)，在換熱盤管表面可能會出現(xiàn)層流狀態(tài)，降低換熱效果；同時(shí)，流量過小時(shí)，蒸發(fā)器還會出現(xiàn)凍結(jié)的危險(xiǎn)，當(dāng)流速小于一定值時(shí)，水中若含有腐蝕性物質(zhì)，會對盤管造成腐蝕。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，冷水機(jī)組的控制系統(tǒng)越來越先進(jìn)。目前，不同類型的冷水機(jī)組均能實(shí)現(xiàn)冷量的自動調(diào)節(jié)。冷水機(jī)組能量調(diào)節(jié)功能的進(jìn)步使得其水側(cè)變流量設(shè)計(jì)成為可能，同時(shí)也凸顯水泵應(yīng)改變以不變應(yīng)萬變之策，而應(yīng)以變應(yīng)變。事實(shí)上，目前，多數(shù)冷水機(jī)組允許蒸發(fā)器流量在額定流量的50％～100％以內(nèi)變化。當(dāng)蒸發(fā)器采用變流量運(yùn)行時(shí)，其流量隨著用戶負(fù)荷的變化而變化，當(dāng)用戶負(fù)荷變小時(shí)，蒸發(fā)器的 冷凍 水流量變小，冷水機(jī)組的控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需冷量減小制冷劑流量，導(dǎo)致蒸發(fā)器盤管內(nèi)制冷劑流速偏離了最佳流速值，冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)的整體性能降低。衡量蒸發(fā)器變流量運(yùn)行能否節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)不單是 冷凍 水泵運(yùn)行時(shí)節(jié)能多少，而還應(yīng)考慮蒸發(fā)器變流量運(yùn)行造成冷水機(jī)組COP值下降而損失的能耗，再考慮變流量運(yùn)行的負(fù)荷時(shí)間頻度。由于控制技術(shù)的進(jìn)步，控制系統(tǒng)可以保證壓縮機(jī)始終在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得冷水機(jī)組蒸發(fā)器變流量時(shí)的性能不會下降很多。冷水機(jī)組蒸發(fā)器變流量對其制冷性能的影響程度與壓縮機(jī)類型和制冷劑變流量的方式有關(guān)。 文獻(xiàn) 3從熱力學(xué)角度對此進(jìn)行了分析，認(rèn)為即使 冷凍 水流量減至60％，冷水機(jī)組的COP的下降幅度也不超過10%。冷卻水進(jìn)出口溫差變大時(shí)，雖然可以減小冷卻水泵的運(yùn)行費(fèi)用，然而，為了保證冷凝器內(nèi)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(jìn)出口溫差，就必須提高冷卻水出口溫度（通常冷卻水進(jìn)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(jī)組的COP值。與蒸發(fā)器變流量相比，冷凝器變流量運(yùn)行對冷凝溫度的影響較大，故導(dǎo)致冷水機(jī)組COP的變化較大，在給冷卻水泵安裝變頻器時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析冷卻水變流量對冷水機(jī)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(xiàn)將在部分負(fù)荷情況下變流量與定流量兩種情形的系統(tǒng)（冷水機(jī)組和水泵）能耗進(jìn)行比較，設(shè)定流量情形冷水機(jī)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(jī)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(yīng)相等（   ），因此，兩種情形下冷水機(jī)組的輸入功率與能效比（EER）的關(guān)系為（2）因此，節(jié)能率為（3）在部分負(fù)荷情況下，由于環(huán)境溫度和工況的改變，冷水機(jī)組的輸入功率   與名義工況下的輸入功率   相差較大，且關(guān)系較為復(fù)雜；而EER雖有改變，但變化幅度較小，一般不超過15% [4] 。設(shè)EER隨部分負(fù)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(shù)   與部分負(fù)荷率和機(jī)型有關(guān)，如不考慮部分負(fù)荷情況下能效比的變化，則取   。據(jù)能效比的定義，有，    （5）由(4)、(5)式，可將部分負(fù)荷情況下冷水機(jī)組的輸入功率   用名義工況下的輸入功率   和部分負(fù)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(diào)速范圍內(nèi)，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(xiàng)是由于考慮了變流量運(yùn)行對于冷水機(jī)組性能的 影響 而帶來的。變流量情形下，冷水機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guān)系，本文分別模擬以下兩種情況：流量變?yōu)轭~定流量的60%時(shí)，冷水機(jī)組的EER變?yōu)槎�流量時(shí)EER的5%和10%，且EER與相對流量呈線性關(guān)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(fù)荷率η和水泵相對主機(jī)的功耗   的關(guān)系，這里，假設(shè) [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(jī)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(fù)荷率（流量變化）的關(guān)系；圖4和圖5則分別給出了對應(yīng)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(jī)組制冷性能的負(fù)面影響可能在相當(dāng)程度上抵消水泵的調(diào)速節(jié)能，特別是當(dāng)水泵相對主機(jī)的電功率比較小時(shí)。當(dāng)水泵相對主機(jī)的電功率小于15%時(shí)，不考慮對主機(jī)影響的節(jié)能率 計(jì)算 （三次方定律）較考慮“5%影響曲線”時(shí)要高估50%以上，較考慮“10%影響曲線”時(shí)更要高估100%以上。即使對于水泵相對主機(jī)的電功率較大的情形，也應(yīng)該正確評估變流量對主機(jī)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(jī)組變流量下的制冷性能對于一次泵變流量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。3   工程中存在 問題 分析  一些變頻器生產(chǎn)廠家和自動化技術(shù)公司，在推動變頻調(diào)速技術(shù) 應(yīng)用 于空調(diào)水系統(tǒng)中，經(jīng)常走在暖通空調(diào)專業(yè)人員的前面，大部分后期工程改造（變頻調(diào)速系統(tǒng)的添置）往往由自動控制專業(yè)人員所主導(dǎo)。目前已有若干空調(diào)用戶，特別是飯店，被推薦在空調(diào) 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(diào)系統(tǒng)有著不同于一般流體輸配系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)或施工方面的原因，水環(huán)路壓力本來就不平衡。而在進(jìn)行變頻調(diào)速方案可行性論證時(shí)，有時(shí)僅僅關(guān)注供回水總管上的溫差和系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，而沒有關(guān)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(diào)，在額定的大流量情況下，有的環(huán)路溫差大，大多數(shù)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(jié)果在水泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)，最不利環(huán)路上的空調(diào)區(qū)域往往達(dá)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(diào)變頻調(diào)速裝置形同虛設(shè)的一個(gè)主要原因。如何進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)控制，對于運(yùn)行的節(jié)能效果影響很大。目前，大多數(shù)情形采用的是壓差控制和溫差控制。壓差控制反應(yīng)快，傳感器成本低，但也有缺點(diǎn)：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(guān)系需試驗(yàn)確定，且一般起碼要對最不利環(huán)路進(jìn)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(yīng)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(jī)組水側(cè)變流量運(yùn)行對于其COP的影響，大多數(shù)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(jìn)行比較，并計(jì)及變頻泵地運(yùn)行時(shí)間，而得出節(jié)能地效果（目前大多數(shù)變頻調(diào)速采用“一變多定”方案），沒有考慮到水泵機(jī)組在部分調(diào)速運(yùn)行時(shí)，變頻泵電流下降，而工頻泵電流可能會有所上升。4   結(jié)論  一次泵變流量水系統(tǒng)是空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)的重要方法，但其設(shè)計(jì)或改造，需要事前對系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的測試和調(diào)研，或需要生產(chǎn)廠家提供冷水機(jī)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(shù)據(jù)。隨著對于一次泵變流量水系統(tǒng)研究的進(jìn)一步深入，可以推廣PLC（可編程控制器）與變頻器組成一調(diào)速控制系統(tǒng)，充分考慮到冷水機(jī)組水側(cè)變流量運(yùn)行對于其制冷性能的影響，實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組和水泵的一體化控制。參考  文獻(xiàn)   [1] 哈特曼. 冷水機(jī)利用變流量 冷凍 水的若干設(shè)計(jì)問題. 暖通空調(diào). 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(fù)荷下一次泵水系統(tǒng)變流量性能研究. 暖通空調(diào).2002,32(6): 108-110

 

[4] ARI590-1992

 

[5] 朱孟標(biāo). 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能研究. 南京理工大學(xué)碩士論文. 2004.3