某单位空调循环水泵节能改造及经济性分析

李忠强

山东省荣军总医院 250013

摘要：本文通过对空调环泵系统循故障原因的实例分析，论证了循环水泵的合理选择和变频控制系统的应用是空调系统正常运行和节能的关键，并对空调系统变频改造的经济性进行了计算，论证了其可行性。结果表明改造后的经济效益显著，为今后空调系统的节能改造提供可靠的依据。

关键词：节能降耗；变频控制；水泵选择

1、概述：

济南某单位办公楼，建筑面积14300㎡，总高度38.6m。空气调节方式为冷热源加风机盘管和新风装置。夏季制冷采用单效溴化锂中央空调机组，设计流量300m3/h，冬季采暖采用市政蒸汽，经换热器转换为热水，与夏季制冷共用一套动力、循环系统，冷热系统以阀门作为转换。

机组及换热设备选定后，通过招标，确定上海某品牌循环水泵2台，型号：FWG200-400（I）C，配用45KW电机，流量320 m3/h，扬程32m，一用一备。2006年夏机房设备投入使用，不久即发现冷冻水循环水泵电机噪声较高，发热较大。售后建议关阀门节流，但噪音大、发热高未曾有效改善。随后的使用过程中，电机轴承磨损率偏高，历经多次维修之后终于在2010年两台泵连续出现叶轮破损和一台泵的泵体爆缸的事故。

经实地测量，电机正常运行时电流高达116A，而铭牌标注正常电流为84A，电流超标38%，因而发热过高，致使电机部件维修量偏大。经技术人员分析，排除其他可能原因，确定主要是选用的水泵扬程过高，水泵在正常工作时的无功功耗偏大，致使水泵噪音加大，严重偏离最佳工况；阀门节流虽然能增加泵体的压头损失，满足泵的扬程设定，但也使水泵泵体承压过大，加上冷热媒介的季节性转换，缩短了泵体的使用寿命，最终使泵体爆缸，造成重大损失。

2、节能方案的确定

本节能改造方案，根据使用单位的要求，其一，要合理确定扬程，选择水泵，确保水泵在最佳工况下工作。其二，采用节能降耗的变频技术，响应国家节能减排的号召。其三，出于谨慎考虑，节能改造范围不包含冷却水循环泵和冷却塔，但在控制装置上预留接口。

1）、水泵选择：一般来说，冷冻水循环水泵是在闭式回路中工作，处于系统回水的静压力作用之下，与开式系统相比，泵工作时应该比较省力，循环水泵的压头仅消耗在克服制冷机或热交换器管道及附件、用户散热器等设备的阻力上，其公式如下[1]：

其中：H为水泵的扬程 单位：m H2O

1.1为安全系数

H1：制冷机或者换热器的压力损失

H2 ：管路系统的压力损失，选取最不利循环管路计算

H3 ：室内末端即风机盘管的压力损失

经现场实际勘测和准确计算后，最终确定扬程为23.6 mH2O。在考察多家水泵之后，确定选用采用节能专利技术的上海熊猫机械集团的abbd轴冷系列卧式离心循环泵，型号：AABD 200-315B，配用电机30KW，扬程24m，效率78%。

2）、根据已有的制冷机的日常运行负荷状况和采暖期的相关数据，采用当前先进的模糊控制+PID变频控制系统，通过适时调节制冷机出水温度及供回水温差和循环水泵的变频调速来实现节能降耗。根据相似定律，以不同转速运行的同一台水泵，满足下列公式[2]：

这三个公式表示同一台水泵，当转速n 变化时，其它性能参数将按上述比例关系而变，式中：

Q0、H0、N0—泵在额定转速n0下的流量、扬程和轴功率；

Q1、H1、N1—泵在转速 n1下的流量、扬程和轴功率；

显然，通过调节用电频率，会引起电机输出功率非线性的显著变化，使节能成为可行。由于目前空调系统设计时常对循环水系统考虑较多的满负荷余量，一般按现场最大冷量需求量来考虑的，其冷却水泵，冷冻水泵都是按单台设备的最大工況来考虑的，在实际使用中有90%多的时间，冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下[3]。近几年来，以模糊控制+PLC精确调节为主导的变频调节方案显示了较大的优越性，因而得到越来越广泛的应用。根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统，输出相应的电流频率，使循环泵的转速随负荷变化，实现了整个空调系统在运行期间的节能降耗。以下为相关的理论节电数据（表1）：

表1：水泵转速与节电的关系表

水泵转速与节电的关系表

转速n（%） 频率f（Hz） 温差⊿t（%） 扬程H（%） 轴功率P（%） 节电率（%）

100 50 100 100 100 0

90 45 111 81 72.9 27.1

80 40 125 64 51.2 48.8

70 35 143 49 34.3 65.7

60 30 167 36 21.6 78.4

50 25 200 25 12.5 87

可见，水泵转速下降10%，节电率达到27.1%，节电效果非常显著

图1：控制系统架构图：

图2：水泵控制原理图：

要注意的是，制冷与供热的控制参数应分别设置。由于夏季制冷与冬季采暖负荷不同，对于通过末端的流量和压力要求也不同。该方案在保证末端设备冷、热水流量供给的情况下，分别确定一个变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频循环水泵的频率调节是通过安装在回水主管上的温度传感器检测回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，当回水温度高于设定温度时频率无级上调最大达到50HZ。反之频率无级下调最低达到最低运行频率。

3）、通过变频改造，中央空调系统实现了以下特点：

a、采用变频器闭环控制，可按需要进行软件组态并设定温度进行PID调节，使电机输出功率随荷载的变化而变化，在满足使用要求的前提下达到最大限度的节能。

b、由于降速运行和软启运，减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，减少了维修维护工作量，并减少了对电网冲击，提高了系统的可靠性。

c、系统具有各种保护措施，使系统的运转率和安全可靠性大大提高。

d、变频调速闭环控制系统与原工频控制系统互为互锁，不影响原系统的运行，且在变频调速闭环控制系统检修或故障时，原工频控制系统照样可以正常运行。

3、最后，针对变频节能改造的相关费用进行经济性分析。根据施工决算，以上变频改造加水泵更换，连设备带施工费用合计为：15.768万元。制冷季按每年6月1日至9月15日，共计107天，水泵日使用24小时；采暖季按每年11月15日至来年3月15日，共计122天，水泵24小时运转。则节能改造前用电：（107天*24小时/天+122天*24小时/天）*45KW，更换水泵无变频时用电：（107天*24小时/天+122天*24小时/天）*30KW，