一次泵變流量系統研究現狀綜述

【摘 要】 一次泵變流量系統隨著變頻器的發展才慢慢發展起來，發展時間較短。本文介紹了一次泵變流量系統中冷水機組效率的變化研究、不同控制方式對系統節能研究及系統的水力特性問題。

【關鍵詞】 一次泵變流量系統 冷水機組效率 控制方式 水力特性

0引言

由于化石燃料成本上升和環境問題，降低供暖、通風和空調系統的能耗變得越來越重要，可持續能源和節能系統是許多國家政策的優先事項[1]。我國目前還處于發展中階段，能源消耗量大是我國必須面對但又亟待解決的問題。其中建筑能耗在社會總能耗中占30%左右，中央空調系統能耗在建筑能耗中占50%以上，而在集中空調系統中，冷水泵和冷卻水泵的能耗約占20%-30%[2]。空調系統設計是根據極端工況條件下來進行的，空調設備選型也是根據設計要求來進行的并且在施工過程中常常出現“選大不選小”的情況。大量研究表明空調系統全年大約90%的時間在部分負荷下運行，大馬拉小車的現象經常發生造成了能源的大量浪費，因此如何使空調水系統在部分負荷下降低能耗是我們急需解決的問題。這對提高能源利用率，節約能源保護環境具有現實意義，對我國的生態文明建設起到了積極的推動作用。一次泵變流量系統是一種水泵變速運行的水系統形式，和傳統空調系統不同的是通過冷水機組的循環水流量也是變化的。

1.冷水機組效率研究

一次泵變流量系統最大的特點是冷水機組也是變流量運行。雖然變流量對機組運行有著不利的影響[3]：①蒸發器（或冷凝器）內水流速改變會改變水側放熱系數αw ，影響傳熱。②管內流速太低，若水中含有有機物或鹽，在流速小于1 m/s時，會造成管壁腐蝕。③避免由于冷水流量突然減小，引起蒸發器的凍結。但隨著制造工藝的發達，各種冷水機組都有自動控制裝置，根據流量的變化改變運行狀況保持在高效率運行。冷水機組蒸發器水側傳熱系數aw與水流速w的0.8次冪成正比，部分負荷時蒸發器的傳熱量大于所需冷量，并且生產廠家在其樣本中通常都會給出蒸發器和冷凝器的允許流速變化范圍，如美國某公司為1.06～3.66 m/s（樣本上給出的冷水量相當于流速1.45 m/s）。由于進入蒸發器的冷媒流量是隨負荷下降而改變的，如果冷水機組的冷水流量也是隨負荷按比例變化，在蒸發器內是不會發生凍結的。因此對冷水機組的冷水系統進行變流量運行是完全可能的， 不會對冷水機組的安全運行產生影響[4]。

一次泵變流量系統由于冷水機組也是變流量運行，通常來說冷水機組循環水變流量時，機組cop會下降，看系統是否節能就要比較水泵變頻所節約的能耗與機組cop下降所增加的能耗來判斷。在此問題上也有很多研究。孫一堅通過實例說明變流量系統運行特性及節能效果在其具體實例中采用變頻調速進行變流量運行全年可節電8萬kWh左右，變頻器投資1～2年即可回收。由于冷水機組的變流量控制在70%以內，不會對其安全運行造成影響[4]。GideonEdgardu Plessis在礦井冷卻系統中開發了冷卻輔助實時能量管理系統，在設計流量下，冷凝器水流量保持恒定，并在所有機器滿載運行時，采用蒸發器水流控制，通過一系列試驗評價了不同水流量對制冷機性能的影響得出了機組平均cop提高了10%[5]。孟彬彬等人從熱力學角度分析了一次泵變流量運行對冷水機組COP值的影響，并得出結論：1）流量的減小導致了蒸發器傳熱數的降低，總相對傳熱系數大約和相對流量的0.2次冪成正比 ;2）在供回水溫度不變的條件下流量變為設計流量的 60 %， 蒸發溫度下降不到 1℃，COP 值降低的幅度不超過10%。李志生等人研究了定流量/變溫差和變流量/定溫差條件下冷水流量變化對機組性能的影響，結果表明，在一定范圍內冷水機組制冷量與冷水流量呈線性關系變化，此時冷水機組的 COP 值基本保持穩定;在冷水機組允許的負荷條件下，定流量/變溫差和變流量/定溫差兩種控制方式的平均COP差值小于5.1%[6]。這些研究都表明通常情況下變流量運行冷水機組的cop會下降，但下降的幅度不大。只要水泵節能效果發揮出來，整個系統節約能耗的潛力很大。

2.水泵控制方式研究

水泵變頻運行理論上所耗功率與流量的三次方成正比。但是在實際工程中，此方法計算水泵變頻調節后的運行能耗，往往不能得出正確結果，這是因為只有在管網特性曲線不變的條件下才能使用，水泵能耗受到多種因素的影響。

水泵節能潛力受水泵控制方式的影響 。水泵控制方式主要有恒定供回水干管間壓差的干管壓差控制法 、恒定系統最不利支路壓差的末端壓差控制法 、恒定系統供回水溫差的溫差控制法、最小阻力控制。周紅丹研究了水泵在不同控制方式下系統流量分別為50%、70%、90%的能耗對比并得出三種控制方式下水泵能耗為干管壓差控制﹥末端壓差控制﹥溫差控制[7]。孫一堅結合水流量變化對末端裝置運行的影響分析了一級泵水系統采用溫差控制在不同流量時水泵的能耗情況并和壓差控制比較，采用壓差控制法進行變流量控制， 其節能效果較差[8]。徐亦波通過定量計算明確了前者的節能效果優于后者。分析了最小阻力控制的可行性 ，認為最小阻力控制在系統構成和控制方法上均比定末端差壓控制簡單[9]。姚國梁對干管壓差控制法和末端壓差控制法分別進行了詳細敘述得出了干管壓差控制法“流量減少50%，功率降低87.5%”的推論是不可能的。末端壓差控制法水泵消耗的功率既不與流量的一次方成正比，也不與流量的三次方成正比，應介于二者之間[10]。黃奕沄等人引入了控制壓差比的概念，表示壓差控制值與水泵進出口壓差的比值，分析了在0-1之間不同取值水泵壓差變頻控制的特性;對比了一次泵和二次泵變頻的值，指出相同條件下，一次泵變頻的節能效果總是優于二次泵變頻;最后導出了空調冷水泵變頻揚程比和軸功率比的簡化計算公式[11]，揚程比的計算公式與水泵性能曲線無關，有較高的實用價值：

式中N為水泵變頻后的軸功率;N0為水泵設計軸功率;a為流量比，表示水泵變頻后的流量與設計流量的比值; η0 為設計工況點水泵效率;η為水泵變頻后的效率;H為水泵變頻后的揚程;H0為水泵設計揚程。由此可以得出一次泵變流量系統，水泵能耗與流量的三次方成正比在實際情況中是不可能實現的。水泵的控制方式不同所節約的能耗也是不一樣的。

3.水力特性分析

一次泵變流量系統由于在冷熱源側也實現了變流量，在運行中出現了其獨有的水力特性。這一方面研究的較少，應該引起我們的重視沈翔[12]分析了末端壓差控制僅僅依靠最不利環路中空調設備前后的靜壓差來控制冷熱水循環泵的轉速不一定可以滿足各種運行工況下各個空調末端設備的供回水壓差要求。在實際運行中，系統的最不利環路其實是變化的，應該為各個環路編寫優先級，然后再布置測點，運行中優先級最高且末端設備處于使用時的管路為實際最不利環路。這樣才能使系統的可靠性高，但是成本也會提高。李蘇瀧[13]對不同控制方法適合的場合進行了分析，溫差控制法適用于用戶端不設調節閥 、空調區域個性化要求不高的場合。空調區域有個性化要求時，不宜采用溫差控制法，比較理想的控制方法是最小阻力控制法，但由于對系統自動化控制要求高在實際工程中很少使用宜采用末端壓差控制方式。用戶側變流量調節時，系統由于“穩定性差”還存在動態水力失調，即某些支路的閥門改變開度時，引起其他支路的流量跟著改變的水力失調。江億[14]定量的給出了各支路可調性和穩定性的定義及它們的具體計算方法與現場實測方法。可調性受管網的結構、水泵的特性的影響。研究了支路的阻力和該支路外管網其它部分對可調性Ri的影響。

式中為相對流量，K為閥門開度。在穩定性的研究中支路i的穩定性被定義為：當調節支路i的閥門，使該支路流量變化ΔGi時，若此支路與其他支路相互影響，由于支路i的調節，會導致各支路的流量都有一些變化。其中一部分支路不希望流量被改變 ，因此可以調整這些支路的閥門，使這些支路的流量恢復到原來的流量，但這又使支路i流量變化ΔGi ， 這兩個流量變化之比稱作支路 i 的穩定性KS：

秦緒忠等人則采用此方法對比了異程系統、同程系統、分布式變頻泵系統 、混水系統以及環形管網的穩定性，對以后空調水系統的設計和運行調節提供了依據[15]。

4.總結

一次泵變流量系統中冷水機組完全可以正常運行，循環水流量的變化對冷水機組的效率有一定的影響，但影響不是很大，在特殊情況下還可能有益，只要水泵的節能效果發揮出來，系統總的來說是節能的。不同水泵控制方式的節能效果不同，在實際運行中，水泵能耗與流量的三次方成正比在實際情況中是不可能實現的。系統在變流量過后會出現一些特殊的水力特性，需要我們引起注意和研究。

【參考文獻】

[1] Dong C， Huang GH， Cai YP， Liu Y. Robust planning of energy management systems with environmental and constraint-conservative considerations under multiple uncertainties. Energy Convers Manage 2013;65：471–86.

[2] 汪訓昌.空調冷水系統的沿革與變流量一次泵水系統的實踐[ J] .暖通空調， 2006 ， 36（7）：32-40

[3] 高養田.空調變流量水系統設計技術發展.暖通空調， 1996 ， 26（3）

[4] 孫一堅.空調水系統變流量節能控制[ J] .暖通空調，2001， 31（6）：5-7

[5] Plessis G E D ， Liebenberg L ， Mathews E H . Case study： The effects of a variable flow energy saving strategy on a deep-mine cooling system[J]. Applied Energy， 2013， 102（none）：700---709.

[6] 李志生，張國強， 劉建龍， et al. 基于冷水量變化的冷水機組性能測試與故障診斷[J]. 暖通空調， 2006， 36（8）.

[7] 周紅丹，符永正. 一次泵變流量系統不同控制方式的節能對比分析[J]. 建筑熱能通風空調， 2009， 28（1）：75-78.

[8] 孫一堅.空調水系統變流量節能控制（續1）：水流量變化對空調系統運行的影響[J]. 暖通空調， 2004， 34（7）：60-62.

[9] 徐亦波.空調冷熱水循環泵變轉速節能控制方法[J].暖通空調，2004， 34（9）：32-35.

[10] 姚國梁. 空調變頻水泵節能問題探討[J]. 暖通空調， 2004， 34（6）：32-34.

[11] 黃奕沄， 張玲. 壓差控制水泵變頻調節的工作特性探討[J].暖通空調，? ? 2006， 36（4）：75-78.

[12] 沈翔， 王建民. 也談空調冷熱水循環泵變頻節能問題——兼論《空調變頻水泵節能問題探討》和《空調冷熱水循環泵變轉速節能控制方法》兩文[J]. 暖通空調， 2006， 36（4）：47-49.

[13] 李蘇瀧. 一次泵系統冷水變流量節能控制研究[J].暖通空調， 2006， 36（7）.

[14] 江億. 管網可調性和穩定性的定量分析[J]. 暖通空調， 1997（3）：1-7.

[15] 秦緒忠， 江億. 供熱空調水系統的穩定性分析[J]. 暖通空調， 2002， 32（1）.

作者簡介：何哲，19950805，男，湖南省漣源市，漢，碩士，中原工學院，建筑節能。