一次泵变流量系统研究现状综述

【摘 要】 一次泵变流量系统随着变频器的发展才慢慢发展起来，发展时间较短。本文介绍了一次泵变流量系统中冷水机组效率的变化研究、不同控制方式对系统节能研究及系统的水力特性问题。

【关键词】 一次泵变流量系统 冷水机组效率 控制方式 水力特性

0引言

由于化石燃料成本上升和环境问题，降低供暖、通风和空调系统的能耗变得越来越重要，可持续能源和节能系统是许多国家政策的优先事项[1]。我国目前还处于发展中阶段，能源消耗量大是我国必须面对但又亟待解决的问题。其中建筑能耗在社会总能耗中占30%左右，中央空调系统能耗在建筑能耗中占50%以上，而在集中空调系统中，冷水泵和冷却水泵的能耗约占20%-30%[2]。空调系统设计是根据极端工况条件下来进行的，空调设备选型也是根据设计要求来进行的并且在施工过程中常常出现“选大不选小”的情况。大量研究表明空调系统全年大约90%的时间在部分负荷下运行，大马拉小车的现象经常发生造成了能源的大量浪费，因此如何使空调水系统在部分负荷下降低能耗是我们急需解决的问题。这对提高能源利用率，节约能源保护环境具有现实意义，对我国的生态文明建设起到了积极的推动作用。一次泵变流量系统是一种水泵变速运行的水系统形式，和传统空调系统不同的是通过冷水机组的循环水流量也是变化的。

1.冷水机组效率研究

一次泵变流量系统最大的特点是冷水机组也是变流量运行。虽然变流量对机组运行有着不利的影响[3]：①蒸发器（或冷凝器）内水流速改变会改变水侧放热系数αw ，影响传热。②管内流速太低，若水中含有有机物或盐，在流速小于1 m/s时，会造成管壁腐蚀。③避免由于冷水流量突然减小，引起蒸发器的冻结。但随着制造工艺的发达，各种冷水机组都有自动控制装置，根据流量的变化改变运行状况保持在高效率运行。冷水机组蒸发器水侧传热系数aw与水流速w的0.8次幂成正比，部分负荷时蒸发器的传热量大于所需冷量，并且生产厂家在其样本中通常都会给出蒸发器和冷凝器的允许流速变化范围，如美国某公司为1.06～3.66 m/s（样本上给出的冷水量相当于流速1.45 m/s）。由于进入蒸发器的冷媒流量是随负荷下降而改变的，如果冷水机组的冷水流量也是随负荷按比例变化，在蒸发器内是不会发生冻结的。因此对冷水机组的冷水系统进行变流量运行是完全可能的， 不会对冷水机组的安全运行产生影响[4]。

一次泵变流量系统由于冷水机组也是变流量运行，通常来说冷水机组循环水变流量时，机组cop会下降，看系统是否节能就要比较水泵变频所节约的能耗与机组cop下降所增加的能耗来判断。在此问题上也有很多研究。孙一坚通过实例说明变流量系统运行特性及节能效果在其具体实例中采用变频调速进行变流量运行全年可节电8万kWh左右，变频器投资1～2年即可回收。由于冷水机组的变流量控制在70%以内，不会对其安全运行造成影响[4]。GideonEdgardu Plessis在矿井冷却系统中开发了冷却辅助实时能量管理系统，在设计流量下，冷凝器水流量保持恒定，并在所有机器满载运行时，采用蒸发器水流控制，通过一系列试验评价了不同水流量对制冷机性能的影响得出了机组平均cop提高了10%[5]。孟彬彬等人从热力学角度分析了一次泵变流量运行对冷水机组COP值的影响，并得出结论：1）流量的减小导致了蒸发器传热数的降低，总相对传热系数大约和相对流量的0.2次幂成正比 ;2）在供回水温度不变的条件下流量变为设计流量的 60 %， 蒸发温度下降不到 1℃，COP 值降低的幅度不超过10%。李志生等人研究了定流量/变温差和变流量/定温差条件下冷水流量变化对机组性能的影响，结果表明，在一定范围内冷水机组制冷量与冷水流量呈线性关系变化，此时冷水机组的 COP 值基本保持稳定;在冷水机组允许的负荷条件下，定流量/变温差和变流量/定温差两种控制方式的平均COP差值小于5.1%[6]。这些研究都表明通常情况下变流量运行冷水机组的cop会下降，但下降的幅度不大。只要水泵节能效果发挥出来，整个系统节约能耗的潜力很大。

2.水泵控制方式研究

水泵变频运行理论上所耗功率与流量的三次方成正比。但是在实际工程中，此方法计算水泵变频调节后的运行能耗，往往不能得出正确结果，这是因为只有在管网特性曲线不变的条件下才能使用，水泵能耗受到多种因素的影响。

水泵节能潜力受水泵控制方式的影响 。水泵控制方式主要有恒定供回水干管间压差的干管压差控制法 、恒定系统最不利支路压差的末端压差控制法 、恒定系统供回水温差的温差控制法、最小阻力控制。周红丹研究了水泵在不同控制方式下系统流量分别为50%、70%、90%的能耗对比并得出三种控制方式下水泵能耗为干管压差控制﹥末端压差控制﹥温差控制[7]。孙一坚结合水流量变化对末端装置运行的影响分析了一级泵水系统采用温差控制在不同流量时水泵的能耗情况并和压差控制比较，采用压差控制法进行变流量控制， 其节能效果较差[8]。徐亦波通过定量计算明确了前者的节能效果优于后者。分析了最小阻力控制的可行性 ，认为最小阻力控制在系统构成和控制方法上均比定末端差压控制简单[9]。姚国梁对干管压差控制法和末端压差控制法分别进行了详细叙述得出了干管压差控制法“流量减少50%，功率降低87.5%”的推论是不可能的。末端压差控制法水泵消耗的功率既不与流量的一次方成正比，也不与流量的三次方成正比，应介于二者之间[10]。黄奕沄等人引入了控制压差比的概念，表示压差控制值與水泵进出口压差的比值，分析了在0-1之间不同取值水泵压差变频控制的特性;对比了一次泵和二次泵变频的值，指出相同条件下，一次泵变频的节能效果总是优于二次泵变频;最后导出了空调冷水泵变频扬程比和轴功率比的简化计算公式[11]，扬程比的计算公式与水泵性能曲线无关，有较高的实用价值：

式中N为水泵变频后的轴功率;N0为水泵设计轴功率;a为流量比，表示水泵变频后的流量与设计流量的比值; η0 为设计工况点水泵效率;η为水泵变频后的效率;H为水泵变频后的扬程;H0为水泵设计扬程。由此可以得出一次泵变流量系统，水泵能耗与流量的三次方成正比在实际情况中是不可能实现的。水泵的控制方式不同所节约的能耗也是不一样的。

3.水力特性分析

一次泵变流量系统由于在冷热源侧也实现了变流量，在运行中出现了其独有的水力特性。这一方面研究的较少，应该引起我们的重视沈翔[12]分析了末端压差控制仅仅依靠最不利环路中空调设备前后的静压差来控制冷热水循环泵的转速不一定可以满足各种运行工况下各个空调末端设备的供回水压差要求。在实际运行中，系统的最不利环路其实是变化的，应该为各个环路编写优先级，然后再布置测点，运行中优先级最高且末端设备处于使用时的管路为实际最不利环路。这样才能使系统的可靠性高，但是成本也会提高。李苏泷[13]对不同控制方法适合的场合进行了分析，温差控制法适用于用户端不设调节阀 、空调区域个性化要求不高的场合。空调区域有个性化要求时，不宜采用温差控制法，比较理想的控制方法是最小阻力控制法，但由于对系统自动化控制要求高在实际工程中很少使用宜采用末端压差控制方式。用户侧变流量调节时，系统由于“稳定性差”还存在动态水力失调，即某些支路的阀门改变开度时，引起其他支路的流量跟着改变的水力失调。江亿[14]定量的给出了各支路可调性和稳定性的定义及它们的具体计算方法与现场实测方法。可调性受管网的结构、水泵的特性的影响。研究了支路的阻力和该支路外管网其它部分对可调性Ri的影响。

式中为相对流量，K为阀门开度。在稳定性的研究中支路i的稳定性被定义为：当调节支路i的阀门，使该支路流量变化ΔGi时，若此支路与其他支路相互影响，由于支路i的调节，会导致各支路的流量都有一些变化。其中一部分支路不希望流量被改变 ，因此可以调整这些支路的阀门，使这些支路的流量恢复到原来的流量，但这又使支路i流量变化ΔGi ， 这两个流量变化之比称作支路 i 的稳定性KS：

秦绪忠等人则采用此方法对比了异程系统、同程系统、分布式变频泵系统 、混水系统以及环形管网的稳定性，对以后空调水系统的设计和运行调节提供了依据[15]。

4.总结

一次泵变流量系统中冷水机组完全可以正常运行，循环水流量的变化对冷水机组的效率有一定的影响，但影响不是很大，在特殊情况下还可能有益，只要水泵的节能效果发挥出来，系统总的来说是节能的。不同水泵控制方式的节能效果不同，在实际运行中，水泵能耗与流量的三次方成正比在实际情况中是不可能实现的。系统在变流量过后会出现一些特殊的水力特性，需要我们引起注意和研究。

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[12] 沈翔， 王建民. 也谈空调冷热水循环泵变频节能问题——兼论《空调变频水泵节能问题探讨》和《空调冷热水循环泵变转速节能控制方法》两文[J]. 暖通空调， 2006， 36（4）：47-49.

[13] 李苏泷. 一次泵系统冷水变流量节能控制研究[J].暖通空调， 2006， 36（7）.

[14] 江亿. 管网可调性和稳定性的定量分析[J]. 暖通空调， 1997（3）：1-7.

[15] 秦绪忠， 江亿. 供热空调水系统的稳定性分析[J]. 暖通空调， 2002， 32（1）.

作者简介：何哲，19950805，男，湖南省涟源市，汉，硕士，中原工学院，建筑节能。