基于仿真模拟的冷却水泵变频控制研究

王佳韵

奥雅纳工程咨询（上海）有限公司

0 概述

传统上冷却水泵一般定频运行，当负荷侧变化时，冷却水泵流量保持不变，冷却塔进出水温相应变化，冷却水温差变小，冷机冷凝器出水温度降低。近年来由于对环保节能的要求提高，如 《绿色建筑节能评价标准》等国家规范一般对大功率设备的用电设备提出变频控制要求。然而冷却水泵如何变频，冷却水泵变频对整个系统节能是否有利，却成为比较有争议性的话题[1]。

常规冷却水泵变频的做法包括：

1）定温差变频——控制冷却水环路的温差，调节冷却水泵频率，使冷却水进出水温差不变。

2）根据冷机负荷变频——冷却泵的频率根据冷机负荷变化而调节，当冷机负荷率下降，水泵频率也随之等比下降。

通常来说，冷却水温每升高1 ℃，制冷效率就降低2%～3%。因此如果只考虑水泵变频节能，却不考虑水温变化对机组能效的影响，未必就能起到很好的节能效果。甚至因为水泵变频的低流量导致冷却水侧换热不充分，冷却水温度保持在较高水平，从而增大了冷机能耗，虽然减少了冷却水泵能耗，系统总能耗却增大，得不偿失。

本文将结合实际项目，采用由英国开发的建筑能耗模拟软件 Integrated Environmental Solution Virtual Environment 2021（下文将简称为VE）对建筑与空调系统进行仿真模拟，并由此分析冷却水泵变频是否对冷源系统总能耗带来正面影响。

1 研究方法与研究模型

1.1 建筑模型的建立

在 VE 中搭建项目的虚拟模型与空调系统构架，结合清华大学与中国气象局实测的 CSWD（Chinese Standard Weather Data）气象文件进行仿真模拟。

研究项目为上海一栋超高层酒店，建筑高度242.8 m，层高51 m，塔楼顶部为设备机房，裙房及塔楼34层以上部分酒店。宴会厅、餐厅、会议室等酒店功能区主要集中在裙房部分。酒店部分面积约26000 m2。由于已经有实际建筑图纸，模型将根据建筑图进行简化搭建。

墙体、屋面、幕墙等建筑的围护结构系数，将参考《公共建筑节能设计标准》G B50189中3.3节围护结构热工设计中夏热冬冷地区的甲类公共建筑围护结构热工性能限值选取。表 1为建筑模型的基本设置信息。

表1 建筑信息设定

所建立的模型截图如图 1所示，塔楼非酒店部分已简化处理。

图1 酒店项目简化模型

酒店主要功能房间包括：酒店客房、公共走道、宴会厅、多功能厅、会议室、餐饮、厨房。按经验选取设计参数，具体设定如表2：

表2 不同功能房间参数设定

根据以上设定的建筑物理信息，与房间设计参数，结合上海气象参数进行仿真模拟。可以得到本项目冷负荷峰值负荷 3956.31 kW，出现时刻为 8 月 2 日13:30。

1.2 系统模型的建立

根据仿真模拟所得峰值冷负荷，结合酒店自身需求，设置3台冷水机组。每台容量为：380RT。考虑裙房与塔楼距离的差距（酒店塔楼在34层以上），酒店空调水系统采用二次泵变流量系统。常规来说，从节能角度考虑，一般项目如冬季有供冷需求，则都会设置免费供冷板换，采用冬季的冷却水为免费冷源，为项目供冷。由于这个设计比较常见，本文仿真模拟时会将免费冷却系统一并考虑在内。

由于本文主要讨论冷却水侧的能耗，且二次泵流量与能耗由末端决定，一次泵定流量运行，启停与冷机连锁，冷冻水泵本身的运行与能耗对冷却侧鲜有影响，因此二次侧水泵配置与能耗，暂且在本文内不表。

根据峰值负荷，模型内整个冷源系统冷机与冷却侧配置如表3：

表3 冷水机组与冷却侧系统配置

酒店冷源24小时运行。对于末端系统的设定，由于对系统形式对冷源侧能耗影响不大，将统一简化为风机盘管 +独立新风系统，末端的运行时间表将参考《公共建筑建筑节能设计标准》G B50819，附录B中相关设定。

常规冷却水泵变频控制有两种模式：1）定温差变频。2）根据冷机负载率变频控制。本文将模拟三种工况下的8760小时的冷却水侧能耗与主机能耗，三种工况即：

1）冷却水泵定频运行模式：水泵定频运行，并与冷机、冷却塔连锁，当冷机及冷却塔台数减少，冷却水泵也相应关闭。

2）冷却水泵变频运行模式 1：控制冷却水环路的温差，调节冷却水泵频率，使冷却水进出水温差不变，保持在5℃。

3）冷却塔变频运行模式 2：冷却泵的频率根据冷机负荷变化而调节，水泵频率随着冷机负荷率下降等比下降。

根据描述的系统形式与主机配置，在VE中构建的仿真系统模型如图2：

图2 酒店冷源测模型

2 模拟结果分析

对于三种冷却水系统控制策略仿真模拟的主机与冷却水侧设备全年能耗总结如表4：

表4 不同控制模式冷却侧全年能耗对比

其中，这三种不同控制模下冷机与冷却水侧的分项能耗分别为表5：

表5 不同控制模式冷机与冷却侧能耗与差值

由表5可知，虽然采用冷却水泵变频控制策略导致冷机能耗增大了 4.4%～4.6%（50～53 kW），但冷却侧水泵+风机的能耗却减少了30%(约172～176 kW)。因此总得来说，冷却水变频控制带来的收益要大于损失。

由全年耗电量可进一步求得冷源与冷却侧的全年电费。单位电费根据上海非居民商业电价夏季为0.713元/kWh，非夏季为0.690元/kWh 计算。与定频模式相比，两种变频工况节省的能耗及电费，及相应的节能率、单位面积节电量总结为表6：

表6 不同控制模式总结对比表

对比表4，表 5及表6中变频模式1与变频模式2冷源与冷却水侧两种变频模式的全年耗电量，可知两者的结果几乎一致。这也很好理解，因为实际上控制频率与冷机部分负荷的比例不变，就相当于控制流量与部分负荷的比例不变，而负荷与流量、温差的关系为Q=cmΔt，最终也相当于控制温差保持不变。相对定频模式来说，两种变频控制模式的节能率均在 7%左右。冷却水泵变频控制策略带来的单位建筑面积节电量大约在4.73 kWh/m2。图 3为变频控制模式1、2每个月相对于定频控制模式减少的能耗比例。可以看出，在6～9月采用冷却水变频控制节能比例相对较低，均低于5%，平均仅4.25%。因此，可以说冷却水变频控制更适合全年供冷的项目类型。

图3 变频控制逐月节能比率

对于非全年供冷的建筑（如采用两管制空调水系统的项目），采用冷却水变频控制模式，节能潜力相对更小，但其收益依然可观。市面上知名品牌的变频器单价约在300～400元/kW，本项目在VE中设定的冷却水泵装机总用电量为66 kW。因此可以得出全年供冷与非全年供冷的项目为冷却水泵增加变频器的初投资计算得投资回收期分别为表7：

表7 不同供冷模式下投资回收期

不论是全年供冷或者仅夏季供冷的建筑，表 7 给出的投资回收期均在1年以内，而不同品牌的变频器的寿命则在 5～10年不等，由此可得出结论：冷却水泵变频控制是一项投资低，而收益高的性价比较高的节能措施。

3 冷却水泵变频控制的其他考虑

除从能耗的角度考虑是否采取冷却水泵变频控制的运行策略外，还有其他实际因素同样制约冷却塔变频控制的应用。仿真模拟中冷却塔为理想模型，其运行工况处于理想条件。因此，V E不能反应实际工况下，冷却塔流量下降对冷却塔本体热力性能的影响。冷却水流量过低对冷却水系统带来的负面影响有多篇论文[3-5]曾经论述，总结如下：

1）冷却水流速过低会加速水环路和设备管道的结垢。

2）冷却水量过低会导致冷却塔填料干涸，并导致填料结垢堵塞，降低冷却塔的换热效率和使用寿命。

3）在实际运行中，当冷却塔处理水量下降，淋水密度降低，冷却塔的冷却效果会急剧下降。

冷却水系统结垢问题，可以通过加药、软化处理或者增大补水量降低浓缩倍数实现，然而淋水密度过低带来的热力性能下降则不易解决。由此可知，冷却水流量不能过低。推荐的横流塔的淋水密度宜为20～26 m3/ (m2h)，逆流塔的淋水密度宜为 10～16 m3/ (m2h)[7]。如果按照严格按照规范推荐值限制冷却水流量变化，则允许的变化率横流塔约在0～23%左右，逆流塔在0～37.5%之间。目前市场上的主流厂家给出的冷却塔可以接受的流量下限推荐值横流塔为 70%，逆流塔为 50%，这是在采用调整布水器设计，可以让冷却塔更适应变流量系统的前提下能接受的冷却塔最小流量。

如果按照冷却塔变流量的下限值分别为70%（横流塔）和 50%（逆流塔）对计算结果重新进行修正，使用变频泵的系统全年能耗，节能率与投资回收期分别为表8：

表8 修正后冷却变流量控制节能率与投资回收期

由表8的结果可知，即便考虑了冷却塔实际能接受的最小流量，冷却水泵变频控制依然是节能的。采用逆流塔的冷却水系统，节能率 1.5%，节省费用 1.88万元，投资回收期为1.2年。对于采用横流塔的系统，限定了最冷却水系统低流量为 70%后，节能率降低到0.8%，投资回收期 2.4 年，相对于采用逆流塔系统，冷却水泵变频控制节能效果更差，也需要更长时间才能收回增加变频器安装的投资成本。

4 结论

从节能角度来看，毫无疑问，采用冷却水泵变频控制是节能的，冷却水流量减少对冷机性能的负面影响始终要小于水泵变频带来的节能收益。然而需要注意的是，冷却水流量过低会对冷却塔热力性能和使用寿命带来不利影响。实际应用中，冷却水泵变流量控制其流量变化范围不宜过大，相应的，其冷却水变频控制的节能潜力也因此受限，每平方米节省的耗电量大约在0.5～1 kW/m2之间。