变流量空调水系统水泵变频控制及能耗分析

曾伟

奥意建筑工程设计有限公司

0 引言

建筑物空调负荷随季节和时间的不同而变化，空调系统设计时，冷水主机容量、管网及循环水泵等设备一般按各项逐时逐项冷负荷的综合最大值设置[1]。据相关资料显示，空调系统一年中绝大部分时间是在40%～80%负荷范围内运行，满负荷运行的时间非常少[2]。冷冻水循环泵作为空调系统冷水输送的核心环节，其运行能耗约占空调系统总能耗的15%～20%[3]。因此，研究循环水泵的运行控制策略，对空调系统的节能具有重要意义。

变流量空调水系统是相对于定流量空调水系统而言，变流量空调水系统分为两种不同的形式：一种为空调末端设备变流量，主机定流量运行，循环水泵工频运行。第二种为空调末端设备及主机均变流量运行，循环水泵变频运行。本文讨论的变流量为第二种，根据末端空调负荷的变化，调节冷冻水循环水泵的运行频率，达到节约水泵运行能耗的目的。变流量空调水统相对定流量空调系统，控制较复杂，但节能效果明显。循环水泵的控制策略的合理性，直接影响到水系统的稳定性及水泵的运行能耗。

1 变流量空调系统水泵变频控制策略

1.1 定温差控制策略

定温差控制策略是指以系统供回水温差作为循环水泵变频控制的反馈信号，通过控制水泵的运行频率来维持供回水干管上的温差为定值。定温差的控制策略简化模型详见图1。

图1 定温差策略简化模型

1.2 定压差控制策略

定压差控制策略是指以系统某处的压差值作为循环水泵变频控制的反馈信号，通过控制循环水泵的运转频率维持系统中该处的压差为定值。根据选取维持压差值为定值的位置不同可分为干管定压差控制策略、最不利环路定压差控制策略及中间环路定压差控制策略。定压差控制策略简化模型详见图2。其中，干管定压差控制策略是通过控制水泵的运行频率来维持图2 中2 点和2’点间的压差值为定值。最不利环路定压差控制策略是通过控制水泵的运行频率维持图2 中3 点和3’点间的压差值为定值。维持4 点和4’点之间的压差值为定值的控制策略为中间环路定压差控制策略。

图2 定压差控制策略简化模型

2 变流量系统水泵变频控制策略对系统稳定性影响

经过设备的水流量与作用在末端的压头成正比，水流量与压头之间的关系详见式（1）。

式中：ΔP 为设备管段的资用压头，Pa；S 为计算管段的阻力数，Pa/(m3/h)2；V 为经过设备的水流量，m3/h。

水力稳定性是指环路中各设备在其他环路设备流量改变时保持自身流量不变的能力。通常用设备的设计流量和工况变化后能达到的实际流量的比值来衡量系统的水力稳定性，即：

式中：y 为水力稳定性系数；Vg为设备的实际流量，m3/h；Vm为设备的设计流量，m3/h。

当y＜1 时，设备的实际流量小于设计流量，设备处于欠流状态。当y＞1 时，设备的实际流量大于设计流量，设备处于过流状态。当y=1，实际流量与设计流量保持一致。

2.1 定温差控制策略对水系统稳定性影响

定温差控制策略的水力工况曲线详见图3，其中实线表示设计工况，虚线表示部分负荷时的水力工况曲线。从图3 中可看出，当部分负荷时，各环路的资用压头变小，实际流量Vg变小，设备的实际流量小于设计流量，y＜1，设备处于欠流状态。

图3 定温差控制策略水力工况曲线

2.2 干管定压差控制策略对水系统稳定性影响

干管定压差控制策略的水力工况曲线详见图4，其中实线表示设计工况，虚线表示部分负荷时水力工况曲线。从图4 中可看出，当系统负荷降低时，系统的总流量减少，干管内水的流速降低，干管的阻力损失减少。干管的资用压头ΔP0和ΔP2保持一致，最不利末端的资用压头ΔP′0小于ΔP′2。各环路的资用压头均变大，实际流量Vg变大，设备的实际流量大于设计流量，y＞1，设备处于过流状态。

图4 干管定压差控制策略水力工况曲线

2.3 最不利环路定压差控制策略对水系统稳定性的影响

最不利管环路定压差控制策略的水力工况曲线详见图5。图中实线表示设计工况、虚线表示部分负荷时水力工况曲线。从图5 中可看出，干管的资用压头ΔP0大于ΔP3，最不利末端的资用压头ΔP′0与ΔP′3保持一致。当系统处于部分负荷时，最不利环路流量能满足实际需求，其余各环路的资用压头均变小，实际流量Vg变小，设备的实际流量小于设计流量，y＜1，系统处于欠流状态。

图5 最不利环路定压差控制水力工况曲线

2.4 中间环路定压差控制策略对水系统稳定性影响

中间环路定压差控制策略的水力工况曲线详见图6。图中实线表示设计工况，虚线表示部分负荷时水力工况曲线。从图6 中可看出，当系统处于部分负荷时，干管的资用压头ΔP0大于ΔP4，最不利末端的资用压头ΔP′0小于ΔP′4。定压点前端的环路资用压头变小，实际流量Vg变小，设备的实际流量小于设计流量，y＜1，环路处于欠流状态。定压点后端的资用压头变大，实际流量Vg变大，设备的实际流量大于设计流量，y＞1，环路处于过流状态。

图6 中间位置定压差控制水力工况曲线

3 不同控制策略对各环路控制阀门选择的影响

为保证各环路的水力稳定性，使各支路设备不出现欠流和过流，需在各环路上设置控制阀，控制各设备的流量满足设计要求。在选择各支路控制阀门时，需考虑不同控制策略下各支用支用压头的变化对控制阀阀权度的影响，阀门阀权度的定义详见式（3）。

式中：S 为阀门的阀权度；ΔPmin为控制阀全开时的压力损失；ΔPmax为控制阀所在串联环路的总压力损失。

干管定压差控制策略，各环路资用压头变大，即ΔPmax变大，ΔPmin不变，各环路上控制阀的实际阀权度变小。阀权度变小，控制阀的调节性能减弱。为保证阀门控制的精确性，干管定压差控制策略，需采用阀权度大的控制阀门才能达到好的调节效果。

最不利环路定压差控制策略，各环路的资用压头变小，即ΔPmax变小，ΔPmin不变，各环路上的控制阀的实际阀权度变大。最不利环路定压差控制策略，采用阀权度较小的控制阀门，降低阀门阻力消耗循环水泵的能耗。

中间环路定压差控制策略，定压点前端环路的资用压头变小，即ΔPmax变小，定压点前端各环路上的控制阀的实际阀权度变大。定压点后端环路的资用压头变大，即ΔPmax变大，定压点后端各环路上的控制阀的阀权度变小。中间环路定压差控制策略时，定压点前端环路，采用阀权度小的控制阀，降低阀门阻力消耗循环水泵能耗。定压点后端环路，采用阀权度大的控制阀，防止了部分负荷时阀权度变小，降低阀门调节的精确性。

4 变流量系统水泵变频控制策略的选择

定温差控制策略是一种被动控制策略，从第2 节控制策略对系统水力稳定性影响的分析中可看出，采用定温差控制策略要求各环路的负荷按相同的规律同步变化（负荷成相同比例增加或减少），若变化规律不同会出现管网水力失衡，且负荷变化引起的温度变化有明显的滞后性，延迟时间较长。当末端负荷发生变化时，系统的水温至少要经过一个循环周期才能反馈到传感器中，不能精确的根据系统的需求控制水泵的运行频率，可能造成系统较大的波动性和较差的可靠性。因此，当系统各环路的负荷变化规律相同，且对负担区域的温度变化要求不严格时，可采用定温差控制策略。

定压差控制策略相比定温差控制策略，能对系统的实际需求及时反馈，不会出现时间的滞后性。为保证系统的可靠性及精确性，变流量系统建议采用定压差控制策略。

5 变流量系统不同控制策略的能耗分析

不同策略下水泵的运行状态点详见图7，其中0点为设计工况下的水泵的运行状态点，1 点为采用定温差控制策略时的水泵运行状态点，2 点为采用干管定压差控制策略的水泵运行状态点，3 点为采用最不利环路定压差控制策略的水泵运行状态点，4 点为采用中间环路定压差控制策略水泵运行状态点。

图7 不同控制策略下的水泵运行状态点

水泵的能耗和水泵的扬程和流量成正比，从图7中可看出，采用定温差控制策略时，水泵的能耗最低。因采用定温差控制策略，没有改变系统的管路特性，使水系统始终维持在相似变换的状态下，当水泵频率发生改变时，水泵的输送能耗同频率的三次方成正比，因而能够最大限度的节省系统的能耗。定压差控制策略中，干管定压差控制策略的能耗最高，中间环路定压差控制策略的能耗次之，最不利环路定压差控制策略的能耗最小。

6 结论

1）采用定温差控制策略和最不利环路定压差控制策略，系统各环路设备处于欠流状态。采用干管定压差控制策略，系统各环路设备处于过流状态。采用中间环路定压差控制策略，定压点前端环路设备处于欠流状态，定压点后端环路处于过流状态。

2）干管定压差控制策略，各环路需选择阀权度较大的控制阀门。最不利环路定压差控制策略，各环路需选择阀权度较小的控制阀门。中间定压差控制策略，定压点前端环路选用阀权度较小的控制阀门，定压点后端环路选用阀权度较大的控制阀门。

3）各控制策略中，定温差控制策略的能耗最小，最不利环路控制策略的能耗次之，干管定压差控制策略的能耗最大。

4）当系统负荷变化规律一致，且对控制精确度不高的变流量系统，建议选择定温差控制策略。对控制精确度及可靠性要求高的变流量系统，则建议采用定压差控制策略，其中优先选择最不利环路定压差控制策略。