集中空调系统水泵变频调速运行模式节能设计

2022-05-19申建光史小兵

工业加热 2022年4期

申建光，史小兵

(1.西安市建筑设计研究院有限公司，陕西西安 710054；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049)

城市化发展背景下，办公楼、居住室内等建筑利用空调系统，创造更加适宜办公和居住的室内空气环境。而自21世纪以来，大多数国家都将能源资源利用、环境保护以及绿色生态等理念融合到发展中，而空调作为一项能源开销较大的设备，需要通过更加节能的方案，优化其整体实用性能[1]。因此传统方法结合文献[2]和文献[3]的研究内容，利用小波技术和PID控制技术，对水泵变频调速运行模式进行节能设计。但随着建筑面积的扩大，空调使用范围的扩宽，该设计存在不足之处，因此提出全新的集中空调系统水泵变频调速运行模式节能设计方法，再次对节能工作进一步优化，满足现代化发展进程中，对于节能工作的基本要求。

1 集中空调系统水泵变频调速运行模式节能设计

1.1 冷冻水机组变流量对水泵的影响分析

水泵是整个空调系统的核心，通过提高循环系统中冷却液的工作压力，确保发动机相关部件的冷却液循环状态，将发动机的运行温度控制在合理范围内[4]。当冷冻水机组运行时，水泵的调速模式受到影响，因此假设制冷剂容量不变，也就是排气量P的值不发生变化时，设置制冷量、功率、排除热量分别为Q、G和R，上述参数与蒸发温度和冷凝温度之间存在相关性，因此通过下列方程组进行描述。

(1)

式中：c1为蒸发器的蒸发温度，℃；c2为冷凝器的冷凝温度，℃。在空调水系统的工作过程中，冷冻水流量变化时，进入冷水机组的冷冻水进水温度，也会发生变化，直接影响冷却水泵的工作状态[5]。蒸发器作为空调系统中的核心设备，起到热量传递的作用[6]。但当冷冻水流量偏低时，水泵受冷水机组管路冻结的影响，出现运行困难的问题。因此通过式(2)计算冷水机组蒸发器的传热系数：

(2)

式中：α1、α2分别为蒸发器的外表面、内表面的换热系数，W/(m2·K)；Z1、Z2、Z3分别为油膜、管壁、污垢的阻热系数,k·m/W；S、S1、Si分别为外壁表面积、内壁面积以及内外壁的平均面积,m2。根据上述计算结果可知，影响传热系数的参数较多，当冷冻水流量变化时，直接影响该传热系数。但通常情况下，传热系数的变化程度极小，所以结合式(2)的计算结果，通过下列公式，确定冷却水泵的热负荷：

W=C1·S·Δc

(3)

式中：W为热负荷所求结果,W；Δc为制冷剂蒸发器与冷冻水进水温度之间的温差,℃。当冷却水泵处于部分负荷状态时，则传热系数为

(4)

式中：β为额定工况下蒸发器传热系数,W/(m2·K)；w为冷冻水流速,m/s；w′为部分负荷下的冷冻水流速，m/s。通过上述计算过程，分析冷冻水机组变流量对冷却水泵的影响程度。

1.2 优化配置冷水机组

根据上述影响分析结果，优化配置冷水机组。已知空调系统中的冷水机组总能耗比率最大，而水泵和其他设备的使用型号，都是根据冷热源负荷而选定的[7-8]，因此为了设计水泵变频调速节能运行模式，根据《采暖通风与空气调节设计规范》，要求冷水(热泵)机组制冷性能系数，不低于表1中的条件。

表1 冷水(热泵)机组制冷性能系数

为了强化水泵变频调速运行模式的节能效果，基于详细的空调所用区域的动态负荷，按照上一节的分析结果，选择适用于不同区域中的使用设备[9-10]。由表1中的参数可知，可供选择的方案是非常多的，但并不是选择所有功效最好的设备，就能实现最大程度的运行节能要求，因此根据制冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、以及冷却水泵的基本参数，建立一个冷水机组模拟系统，通过计算整个空调系统的全年运行能耗，分析水泵的变频调速运行模式存在的优势和不足，为调整水泵变频速率、强化运行模式节能效果，提供更加可靠的节能方案[11]。假设系统全年运行总能耗为H，则该值的计算公式为

H=H1+H2+H3+H4

(5)

式中：H1、H2、H3、H4分别为制冷机组、冷却塔、冷冻水泵和冷却水泵的全年运行总能耗,J。将运行负荷率划分为无数个区间，使用拟合函数确定各个硬件的耗功率，并统计各负荷区间的频数[12]。默认集中空调系统包含k种机组型号，每组型号的数量均为N，则节能设计下要求的全年运行能耗为

H=nk,s(gk,stk,s+gk,2tk,2+gk,3tk,3+gk,4tk,4)

(6)

式中：s为典型工况下的负荷率,%；nk,s为运行台数；gk,s、gk,2、gk,3和gk,4均为额定功率,W；tk,s、tk,2、tk,3以及tk,4分别为运行时间统计结果，h。按照上述过程，对冷水机组进行优化配置。

1.3 调整水泵变频速率强化运行模式节能效果

完成前两节的准备工作后，调整水泵变频速率，强化运行模式节能效果。集中空调的节能设计的最终目的，是满足用户制冷、制热需求，同时最大限度地节约用电量，因此在节能设计水泵变频速运行模式时，需要遵循如下原则：第一，要满足节能要求，避免存在“大流量小温差”的情况；第二，要保证水泵与其他设备之间的匹配程度，满足一定的负荷分配方式；第三，要满足一定的稳定性，确保空调系统可以长期运行；第四，要求水泵变频调速运行模式，具有较高的智能化水平，可以根据使用环境的基本特征，及时调整水泵变频速率[13]。因此参考水泵基本结构及特点，遵循热力学第一定律，强化运行模式，该定律的一般表达式为

F=L×γ×Δc′

(7)

式中：L为水流量,t/h；γ为水的比热容,J/(kg·K)；Δc′为空调的供回水温差,℃；L为水泵在变频调速过程中的负荷,W。根据上述结果，利用定子绕组供电的频率调整水泵的电机转速。因此采用一种新式的变频技术，根据L的实际计算结果，调节水泵变频速率，保护水泵工作状态的同时减少能源浪费。根据水泵相似律，设置水泵流量、扬程、轴功率以及电机转速分别为B、D、V和f，则四组参数之间的关系，可以通过下列公式进行描述：

(8)

根据式(8)可以看出，水泵的扬程与流量之间存在二次方正比；水泵的轴功率与流量之间存在三次方正比；而水泵的流量与转速之间成正比关系[14]。由此可知，转速的值影响水泵电机的耗电量，因此计算电机磁场的转速为

(9)

式中：r为三相交流电源频率,Hz；J为电机磁极对数,f/h。根据上述计算可知，J值越大，f0的值就会越小，因此根据转差率λ，计算交流异步电动机转速：

(10)

根据上述计算可知，当J值越小时，转速f0与频率r成正比关系，通过平滑调整频率r，稳定调节水泵电机转速，达到强化水泵变频调速运行模式节能效果这一目的，至此实现对集中空调系统水泵变频调速运行模式的节能设计[15]。

2 实验与分析

2.1 设置节能配置方案

选用两组冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵等设备，按照此次提出的设计方法，制备两组不同的节能方案，配置冷水机组，选择其中更加合理的配置结构。此次设置以某一办公建筑为应用背景，给出两组冷水机组配置方案，如表2和表3所示。

表2 第一组冷水机组配置方案

表3 第二组冷水机组配置方案

根据上述设置内容可知，方案一的总投资费用为522.6万元，方案二的投资费用为541.6万元。可知两组方案的总费用之间没有过大的投入差异。因此根据此次研究的节能方法，计算两组方案的平均负载率，设定实验测试所需的运行策略，结果如表4所示。

表4 两组方案的运行策略

按照表4内容，运行不同方案下的集中空调系统，通过比较不同的水泵变频调速运行模式，测试两组方案的节能效果。

2.2 计算系统总能耗、比较全年运行电耗值

根据厂家提供的负荷数据，计算制冷机组在各个负荷段的实际功率，通过拟合的形式得到制冷机组部分性能的二次多项式，结果如图1所示。

图1 制冷机组部分性能的负荷性能曲线

根据图1中得到的拟合公式，计算不同负荷需求下，水泵在变频调速状态下的实际功率，结果如表5所示。

表5 不同负荷需求下的实际功率

结合表2、表3以及表5中的数据，计算冷水机组全年运行能耗。当实验中的空调系统负荷率为90%、运行时间为65 h时，制冷机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵运行能耗分别为84 825、4 290、10 901、11 856 kW。根据式(5)和式(6)，得到运行总能耗为111 872 kW。保证基础测试条件不变，分析方案二应用下，两组制冷机组部分性能的二次多项式，结果如图2和图3所示。

图2 600RT离心机组的负荷性能曲线

图3 900RT离心机组的负荷性能曲线

以同样的方式计算不同负荷需求下，水泵在变频调速状态下的实际功率。而后利用式(5)和式(6)，计算系统运行状态下，所需要的总能耗。根据上述两种方案的应用效果，得到不同的能耗数据，以此计算两种方案全年运行的电耗，比较结果如表6所示。

表6 两组方案全年运行电耗比较

根据上述测试结果可知，方案二的节能配置方案更加满足节能设计要求。因此按照方案二，优化设计集中空调系统水泵变频调速的节约运行模式。

2.3 节能效果测试

为了比较不同设计方法之间的差异性，将此次提出的节能设计方法作为实验组，将两种传统节能设计方法作为对照组，比较不同冷负荷需求下，三组方法的电耗情况，结果如图4所示。

图4 不同应用空间内的电耗测试结果

根据图4中的三组测试结果可知，面对建筑面积较小的测试区域时，三种设计方法下的水泵变频调速运行模式，智能化效果更佳，电耗被控制在一个较为稳定的区间内。当测试区域的面积增大时，面对不同程度的冷负荷需求，实验组的电耗值增加，但与对照组相比其值最低。当测试区域的建筑面积达到最大时，实验组的电耗值虽然有大幅度提升，但远远低于各个冷负荷需求阶段下，对照组的电耗。可见此次节能设计下的空调系统，很好地加强了水泵变频调速运行模式的智能化工作方式，将电耗值控制在最低。