空調系統循環水泵異步電動機節能控制方法研究

北京建筑工程學院 劉辛國

空調系統循環水泵異步電動機節能控制方法研究

北京建筑工程學院 劉辛國

本文闡述了空調水系統中冷卻水循環水泵電機的壓差控制、溫差控制和變頻控制這三種控制方式的原理，對這三種控制方式的節能效果進行了分析比較，結合實驗操作和相關的數據處理，說明了負荷變化時三種運行方式的水泵節能情況。

水泵 電機 壓差控制 溫差控制 變頻調速

在中央空調冷凍水循環系統中，冷凍水在冷凍機組中進行熱交換，在冷凍泵的作用下，將溫度降低了的冷凍水（稱出水）加壓后送入末端設備，使房間的溫度下降，然后流回冷凍機組（稱回水），如此反復循環（是一個閉式系統）；在冷卻水循環系統中，冷卻水吸收冷凍機組釋放的熱量，在冷卻泵的作用下，將溫度升高了的冷卻水（稱出水）壓入冷卻塔，在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后溫度降低了的冷卻水（稱進水）又流進冷凍機組，如此不斷循環，（通常是一個開式系統）。

中央空調循環水系統的工作示意圖如圖1所示。

圖1 中央空調循環水系統的示意圖

我們建立了一個中央空調循環水系統直觀且便于操作的雙水泵模擬供水實驗系統，可對冷凍水系統、冷卻水系統進行模擬，可監測系統各點進出口溫度、壓力、流量，可對水泵電機進行變頻控制、并可監測水泵電機功率、轉速、轉矩、電流等參數，通過模擬各種負荷情況下水泵運行實驗，獲得大量實驗數據并對其進行分析，以下論述的循環水泵電機的三種控制方式都是實驗內容，下述論證也是基于這些實驗得到的。

空調水系統變流量水泵的控制方法主要有：壓差控制、溫差控制以及變頻控制。壓差控制方法又分為定壓差控制法和變壓差控制法。圖2和圖3分別為典型溫差控制與壓差控制原理圖。

圖2 溫差控制水泵變轉速原理圖

圖3 壓差控制水泵變轉速原理圖

兩圖中 L—制冷機組 P—水泵 F—風機盤管 Tr—變頻器

DT—溫差控制器 DP—壓差控制器 T1—回水溫度傳感器

T2—供水溫度傳感器 P1—回水壓力傳感器 P2—供水壓力傳感器

一、溫差控制

對于溫差控制方式，它是以冷凍水系統中供水管和回水管的溫度值，或者供回水的溫差作為控制器的采樣輸入信號的，本系統中供回水的溫度值或者其溫差值都是通過與PLC相連的溫度擴展模塊來檢測并傳送的，控制器將該輸入的溫度信號與內部預先設定的鎖定值進行比較，得到實際運行系統需要的頻率值來輸出控制信號，從而控制冷凍水泵的轉速，繼而冷凍水系統管路中的的流量和揚程也隨之變化以滿足系統負載量變化的要求。

此外，當各支路正常運行所要求的壓差各不相同，如果僅僅依靠唯一的定壓差值來控制時，則要求該定壓差值能保證所有空調用戶都能正常運行，否則，有可能出現部分用戶空調效果差或失效的現象。

溫差控制法具體方式既是通過控制供、回水溫差△t來控制水泵的運行。一般是保持制冷機組的供水溫度不變（<7℃），供、回水溫差恒定（△t=5℃），當空調負荷變化時，通過改變水泵的流量來調節供、回水溫差，使之恒定不變。當空調負荷下降時，如果流量保持不變，回水溫度下降，△t相應變小，此時通過溫差控制器、變頻器降低水泵轉速，減少空調系統的水流量，讓△t保持5℃。此時水泵能耗是以轉速三次方的關系在遞減（實際上稍有減少），從而起到節能降耗的作用。

溫差控制方式的特點是：溫度采樣點離系統負載變化點有一定的距離，冷凍水在管道中流動過程中很容易受外界環境溫度等的干擾。而且，只有當冷凍水經過一次循環以后，其進水和回水的溫度變化才能反映出來，這就導致溫度控制的及時性較差。溫差控制方式雖能在一定程度上穩定系統總的供、回水溫度，但不能根據系統負載量的變化來準確地分配各用戶所需要的冷凍水量并提供適當的水壓。從溫度或溫差控制的特點來看，這種方式比較適合于用戶端不設調節閥或帶有旁通管的冷凍水系統。

對于采用二通閥，尤其是采用溫度調節閥而不設旁通管的系統，負荷減小時，由于空調末端的冷凍水進出水溫差能基本上不變或變化很小（主要通過閥門開度來調節冷凍水流量，從而控制換熱盤管的換熱量溫差基本不變），用其作為被控變量將很難獲得好的控制效果。而對有旁通管的系統，當系統負荷變化時，在供回水總管壓差控制下，旁通管上的旁通閥開度隨之變化，旁通的溫度較低的冷凍水與溫度較高的用戶端回水相混合，引起總的回水溫度或供回水溫差的變化，控制器根據這種變化發出指令調節泵的轉速，以減小旁通流量來達到節能的目的。因此，采用溫度或溫差控制的空調冷凍水泵變頻系統，要求所檢測到的冷凍水溫度或溫差隨負荷有較明顯的變化。

二、壓差控制

而對于差壓控制方式，系統采用的是冷凍水循環系統中的壓差信號，受外部環境溫濕度的干擾較小，反應較快、較靈敏，一旦系統中某處壓力產生變化時，系統能及時感應到并立刻采取控制動作。由于靜壓傳遞，系統中任何位置的負載量發生變化都能在出口壓力檢測點反映出來，而進出口的壓差與系統的揚程、流量都有密切關系，可以比較準確地反映系統內部冷凍水的變化情況和系統負載量的變化，即實際系統中空調用戶數量與位置的變化。

在壓差控制方式中，系統是在水泵的進出口分別裝了壓力傳感器，系統運行時，分別讀取進口壓力和出口壓力值，取其壓差?P作為變頻控制器的采樣輸入信號，從而決定變頻器的頻率，控制電機的轉速。當系統的負載量改變時，由于相應管路上閥門開度的自動變化而引起管路上壓差的改變，控制器檢測到這一變化后，按照其內部預先設定的PID控制算法計算出該變化值，并產生輸出信號控制冷凍水泵電機的運轉轉速，繼而該管路的流量和揚程相應的發生變化來適應空調負荷的變化。

由于定壓差控制法是通過恒定供、回水干管或者最遠盤管與調節閥之間壓差來控制水泵的運行。在實際工程設計中，設計人員往往簡單地把生活給水設計中的恒壓變量用于閉式循環的空調水系統控制。由于在開式給水系統中，系統靜壓起主要作用，管道特性對恒壓影響較小，恒壓變流量可以很好地滿足節能運行要求；但是，在閉式循環中的空調水系統則不然，其原因有三個：①循環水泵僅僅提供系統的循環壓力，而與系統靜壓無關；②變流量系統的循環壓差是一個受多方面影響的多元函數，恒壓差實際不能滿足系統的運行要求；③系統循環流量變化與季節和室內負荷變化及運行方式有關。因此，在閉式循環空調水系統中采用恒壓變流量控制時，只有在系統設計流量運行條件下，循環水泵在最高工作點運行，當系統在部分負荷運行時，由于水泵工作特性曲線與系統運行管道特性工作點偏移，水泵轉速改變前后的工作點為非相似工況點，此時水泵運行軸功率變化實際上并不符合與流量變化成正比，與轉速的三次方成正比關系。當循環水量變化時，水系統循環需要壓差因系統循環水量減小而降低，恒壓變流量控制則要求系統壓差不變，就必定要系統末端部分環路及閥門來消耗掉多余的壓差，造成能源浪費。

變壓差控制法則是根據系統流量的變化，改變壓差來控制水泵的運行。變壓差流量系統控制的要點是通過監測系統，跟蹤系統流量的變化來控制穩定其工作點。盡管變流量控制思想能夠很好地與閉式循環水系統的管道特性一致，能夠提高系統的穩定性和適應能力，但是，由于空調水系統是復雜的系統，在動態運行時，各點的壓力都是變化的，這樣，不利于變壓差的確定，因此，實現起來是很困難的。

從上面的比較可以看出，單一地采用上述兩種方法中的一種，都存在一定的弊端。但是，不管采用那種控制方法，水泵的轉速不能根據流量的減小而無限地減小，當水泵的轉速過小時，水泵的功率也很小。這樣，從能量角度來分析，固然可以符合風機盤管冷量（夏季）供應的需求，但是，當水泵的功率很小時，其提供的揚程也小，從動力的角度分析，可能不能把冷水送到最不利環路末端的風機盤管。

三、變頻控制

采用交流變頻技術控制水泵的運行，是目前中央空調系統節能改造的有效途經之一。如圖4給出了閥門調節和變頻調速控制兩種狀態的揚程-流量（H-Q）關系。

圖4 水泵揚程-流量（H-Q）關系曲線

圖4中，曲線①為泵在轉速為n1時的Q-H性能曲線，曲線②為泵在轉速為n2時的Q-H性能曲線，曲線③為閥門關小時的管組特性，曲線④為閥門正常時的管組特性。A、B、C為水泵的工況點。水泵是一種平方轉矩負載，其流量與其轉速成正比，泵的揚程與其轉速的平方成正比。在流體力學中，泵消耗的軸功率為：

式中

ρ，P——為電動機的軸功率（kW）——為液體的密度（）

H——為揚程（m）

Q——為流量（m3/s）

ηc——為傳動裝置效率

ηf——為泵的效率

由表達式（1）可知，軸功率與Q、H的乘積成正比。在工況點A，軸功率P1與Q1、H1的乘積（即面積AH1OQ1）成正比，根據工藝要求，當流量需從Q1變為Q2時，如采用調節閥門的方法（相當于增加管網阻力），使管阻特性曲線從曲線④變到曲線③，系統由原來的工況點A變到工況點B運行，從圖示可以看出，壓頭反而增加為H2，軸功率與面積BH2OQ2成正比，顯然減少不多。如果采用轉速調節，轉速由n1降到n2，泵在轉速為n2時的Q-H性能曲線如曲線②所示，可見在同樣流量Q2時，壓頭H3大幅度降低，功率（與面積CH3OQ2成正比）明顯減少，節省的功率與面積BH2H3C成正比，很顯然節能效果顯著，即便考慮到因轉速的降低而引起效率的降低及附加控制裝置的效率的影響等，但是節電效果仍十分明顯。此外，電機消耗的功率不僅決定于泵，還和調速的方法有關，如果電動機的滑差損耗很大，節電效果就大打折扣了。變頻調速器是一種高效調速裝置，它與滑差調速、液力耦合調速不同，沒有滑差損耗，本身的固有損失僅為1%～2%，因此變頻器的輸入功率在任何速度下都近似等于泵的軸功率。對于泵、風機等流體機械，流量或風量是與轉速成正比的，而軸功率是與轉速的三次方成正比的，因此：

式中：nz、PZ、Qz分別為泵的額定轉速、額定軸功率和額定流量。

結合式（1）和式（2）可知，如果采用變頻調速時，變頻器消耗功率為：

如果采用閥門調節，電動機消耗功率近似為：

從式（3）和式（4）可以看出，當流量Q變為額定流量的50%時，采用變頻調速時消耗的功率為0.125Pz，采用閥門調節流量時，電動機消耗功率為0.7Pz，節電率為82.1%。節電效果時相當可觀的。中央空調系統是一個非常復雜的控制系統，風機、壓縮機、冷凍機組和冷卻塔風機均可采用變頻調速來控制。

一般來說，中央空調系統的最大負載能力是按照天氣最熱，負荷最大的條件來設計的，并且留有10%～20%的設計裕量，這樣就存在著很大能量冗余，但實際的空調系統極少在這些極限條件下工作，所以存在很大的節能空間。根據有關資料統計，中央空調系統在97%的時間運行在70%負荷以下，并時刻波動著，所以實際負荷總不能達到設計的滿負荷，特別是冷氣需求量少的情況下，主機負荷最低。為了保證有較好的運行狀態和較高的運行效率，我們就希望主機能在一定范圍內根據負載的變化來加載或卸載，但與之相配套的冷卻水泵卻仍在高負荷狀態下運行，這樣就存在很大的能量損耗，同時還會帶來以下一系列問題：①水流量過大使循環水系統的溫差降低，惡化了主機的工作條件、引起主機熱交換效率下降，造成額外的電能損失；②由于水泵流量過大，通常都是通過調整管道上的閥門開度來調節冷卻水和冷凍水流量，因此閥門上存在著很大的能量損失；③水泵通常采用Y-△起動，電動機的起動電流仍然較大，會對供電系統帶來一定沖擊；④傳統的水泵起、停控制不能實現軟起、軟停，在水泵起動和停止時，會出現水錘現象，對管網造成較大沖擊，增加管網閥門的冒泡滴漏現象。由此可見，由于中央空調冷卻水、冷凍水系統運行效率低、能耗較大、存在許多弊端，并且屬于長期運行的設備，因此，對其進行節能技術改造是完全必要的。

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