某單位空調(diào)循環(huán)水泵節(jié)能改造及經(jīng)濟性分析

李忠強

山東省榮軍總醫(yī)院 250013

摘要：本文通過對空調(diào)環(huán)泵系統(tǒng)循故障原因的實例分析，論證了循環(huán)水泵的合理選擇和變頻控制系統(tǒng)的應用是空調(diào)系統(tǒng)正常運行和節(jié)能的關鍵，并對空調(diào)系統(tǒng)變頻改造的經(jīng)濟性進行了計算，論證了其可行性。結果表明改造后的經(jīng)濟效益顯著，為今后空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供可靠的依據(jù)。

關鍵詞：節(jié)能降耗；變頻控制；水泵選擇

1、概述：

濟南某單位辦公樓，建筑面積14300㎡，總高度38.6m。空氣調(diào)節(jié)方式為冷熱源加風機盤管和新風裝置。夏季制冷采用單效溴化鋰中央空調(diào)機組，設計流量300m3/h，冬季采暖采用市政蒸汽，經(jīng)換熱器轉(zhuǎn)換為熱水，與夏季制冷共用一套動力、循環(huán)系統(tǒng)，冷熱系統(tǒng)以閥門作為轉(zhuǎn)換。

機組及換熱設備選定后，通過招標，確定上海某品牌循環(huán)水泵2臺，型號：FWG200-400（I）C，配用45KW電機，流量320 m3/h，揚程32m，一用一備。2006年夏機房設備投入使用，不久即發(fā)現(xiàn)冷凍水循環(huán)水泵電機噪聲較高，發(fā)熱較大。售后建議關閥門節(jié)流，但噪音大、發(fā)熱高未曾有效改善。隨后的使用過程中，電機軸承磨損率偏高，歷經(jīng)多次維修之后終于在2010年兩臺泵連續(xù)出現(xiàn)葉輪破損和一臺泵的泵體爆缸的事故。

經(jīng)實地測量，電機正常運行時電流高達116A，而銘牌標注正常電流為84A，電流超標38%，因而發(fā)熱過高，致使電機部件維修量偏大。經(jīng)技術人員分析，排除其他可能原因，確定主要是選用的水泵揚程過高，水泵在正常工作時的無功功耗偏大，致使水泵噪音加大，嚴重偏離最佳工況；閥門節(jié)流雖然能增加泵體的壓頭損失，滿足泵的揚程設定，但也使水泵泵體承壓過大，加上冷熱媒介的季節(jié)性轉(zhuǎn)換，縮短了泵體的使用壽命，最終使泵體爆缸，造成重大損失。

2、節(jié)能方案的確定

本節(jié)能改造方案，根據(jù)使用單位的要求，其一，要合理確定揚程，選擇水泵，確保水泵在最佳工況下工作。其二，采用節(jié)能降耗的變頻技術，響應國家節(jié)能減排的號召。其三，出于謹慎考慮，節(jié)能改造范圍不包含冷卻水循環(huán)泵和冷卻塔，但在控制裝置上預留接口。

1）、水泵選擇：一般來說，冷凍水循環(huán)水泵是在閉式回路中工作，處于系統(tǒng)回水的靜壓力作用之下，與開式系統(tǒng)相比，泵工作時應該比較省力，循環(huán)水泵的壓頭僅消耗在克服制冷機或熱交換器管道及附件、用戶散熱器等設備的阻力上，其公式如下[1]：

其中：H為水泵的揚程 單位：m H2O

1.1為安全系數(shù)

H1：制冷機或者換熱器的壓力損失

H2 ：管路系統(tǒng)的壓力損失，選取最不利循環(huán)管路計算

H3 ：室內(nèi)末端即風機盤管的壓力損失

經(jīng)現(xiàn)場實際勘測和準確計算后，最終確定揚程為23.6 mH2O。在考察多家水泵之后，確定選用采用節(jié)能專利技術的上海熊貓機械集團的abbd軸冷系列臥式離心循環(huán)泵，型號：AABD 200-315B，配用電機30KW，揚程24m，效率78%。

2）、根據(jù)已有的制冷機的日常運行負荷狀況和采暖期的相關數(shù)據(jù)，采用當前先進的模糊控制+PID變頻控制系統(tǒng)，通過適時調(diào)節(jié)制冷機出水溫度及供回水溫差和循環(huán)水泵的變頻調(diào)速來實現(xiàn)節(jié)能降耗。根據(jù)相似定律，以不同轉(zhuǎn)速運行的同一臺水泵，滿足下列公式[2]：

這三個公式表示同一臺水泵，當轉(zhuǎn)速n 變化時，其它性能參數(shù)將按上述比例關系而變，式中：

Q0、H0、N0—泵在額定轉(zhuǎn)速n0下的流量、揚程和軸功率；

Q1、H1、N1—泵在轉(zhuǎn)速 n1下的流量、揚程和軸功率；

顯然，通過調(diào)節(jié)用電頻率，會引起電機輸出功率非線性的顯著變化，使節(jié)能成為可行。由于目前空調(diào)系統(tǒng)設計時常對循環(huán)水系統(tǒng)考慮較多的滿負荷余量，一般按現(xiàn)場最大冷量需求量來考慮的，其冷卻水泵，冷凍水泵都是按單臺設備的最大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下[3]。近幾年來，以模糊控制+PLC精確調(diào)節(jié)為主導的變頻調(diào)節(jié)方案顯示了較大的優(yōu)越性，因而得到越來越廣泛的應用。根據(jù)負荷變化的反饋信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出相應的電流頻率，使循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速隨負荷變化，實現(xiàn)了整個空調(diào)系統(tǒng)在運行期間的節(jié)能降耗。以下為相關的理論節(jié)電數(shù)據(jù)（表1）：

表1：水泵轉(zhuǎn)速與節(jié)電的關系表

水泵轉(zhuǎn)速與節(jié)電的關系表

轉(zhuǎn)速n（%） 頻率f（Hz） 溫差⊿t（%） 揚程H（%） 軸功率P（%） 節(jié)電率（%）

100 50 100 100 100 0

90 45 111 81 72.9 27.1

80 40 125 64 51.2 48.8

70 35 143 49 34.3 65.7

60 30 167 36 21.6 78.4

50 25 200 25 12.5 87

可見，水泵轉(zhuǎn)速下降10%，節(jié)電率達到27.1%，節(jié)電效果非常顯著

圖1：控制系統(tǒng)架構圖：

圖2：水泵控制原理圖：

要注意的是，制冷與供熱的控制參數(shù)應分別設置。由于夏季制冷與冬季采暖負荷不同，對于通過末端的流量和壓力要求也不同。該方案在保證末端設備冷、熱水流量供給的情況下，分別確定一個變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻循環(huán)水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在回水主管上的溫度傳感器檢測回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減，當回水溫度高于設定溫度時頻率無級上調(diào)最大達到50HZ。反之頻率無級下調(diào)最低達到最低運行頻率。

3）、通過變頻改造，中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了以下特點：

a、采用變頻器閉環(huán)控制，可按需要進行軟件組態(tài)并設定溫度進行PID調(diào)節(jié)，使電機輸出功率隨荷載的變化而變化，在滿足使用要求的前提下達到最大限度的節(jié)能。

b、由于降速運行和軟啟運，減少了振動、噪音和磨損，延長了設備維修周期和使用壽命，減少了維修維護工作量，并減少了對電網(wǎng)沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。

c、系統(tǒng)具有各種保護措施，使系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高。

d、變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)互為互鎖，不影響原系統(tǒng)的運行，且在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修或故障時，原工頻控制系統(tǒng)照樣可以正常運行。

3、最后，針對變頻節(jié)能改造的相關費用進行經(jīng)濟性分析。根據(jù)施工決算，以上變頻改造加水泵更換，連設備帶施工費用合計為：15.768萬元。制冷季按每年6月1日至9月15日，共計107天，水泵日使用24小時；采暖季按每年11月15日至來年3月15日，共計122天，水泵24小時運轉(zhuǎn)。則節(jié)能改造前用電：（107天*24小時/天+122天*24小時/天）*45KW，更換水泵無變頻時用電：（107天*24小時/天+122天*24小時/天）*30KW，