雙泵并聯在大型冷水（熱泵）機組性能測試系統中的節能應用

黃維冬，錢雪峰，馬小津，賈甲，陳熙，李昀達

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

冷水（熱泵）機組的性能系數和制冷量成正相關的關系，隨著節能意識的提高，市場上大型的冷水（熱泵）機組得到了越來越廣泛的應用[1-2]。為提高產品的質量和技術水平，對大型冷水（熱泵）機組的性能測試系統需求也在不斷的增長。冷水（熱泵）機組的性能測試是其生產制造過程中能耗較大的一個環節[3]，有研究學者通過能量回收的方式優化冷水（熱泵）機組的性能測試系統[4-9]，減少系統投入的冷量和熱量，降低實驗系統的運行能耗。但分析并驗證測試系統循環水泵運行能耗的節能潛力的研究還很少。而水泵是系統的主要耗能設備，如何降低測試系統中水泵的運行能耗是其節能設計的關鍵點之一。

為提高冷水機組性能測試系統在低負荷下的綜合運行效率，降低冷水機組在研發測試中的能源消耗，本文設計了一套循環水泵采用雙泵并聯的冷水機組性能測試系統，并在不同制冷能力下，對比冷水機組性能測試系統采用單泵和雙泵并聯運行時的水泵功耗，以期通過優化冷水機組性能測試系統達到降低能源消耗的效果。

1 機組性能測試系統及誤差分析

根據 GB/T 10870—2014《蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組性能試驗方法》[10]，冷水（熱泵）機組的性能測試可以采取液體載冷劑法或液體制冷劑流量計法。工程實踐中，多采用液體載冷劑法進行性能測試[11-14]，圖1所示為測試系統原理，由進出水溫度和流量測出機組的實際制冷量。

圖1 液體載冷劑法測試系統原理

目前多數企業采用的水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統由冷媒水和冷卻水兩個水循環系統組成，被試機的冷媒水和冷卻水之間由兌水實現部分水的熱交換，多余熱量通過水箱配的冷源進行散熱。具體調節方式為：使用側的出水溫度通過兌水泵變頻，調節由使用側回路進入熱源側回路的水量來實現出水溫度的控制；熱源側的進水溫度通過加水泵變頻，調節由水箱到熱源側回路的水量來實現進水溫度的控制。被試機使用側和熱源側流量分別通過變頻器控制冷媒水泵和冷卻水泵進行調節。具體測試原理如圖2所示。

風冷冷水（熱泵）機組性能測試臺由一個水循環系統組成，測試機組時，通過水泵1的變頻調節控制被試機組所需要水流量，通過調節閥控制機組的出水溫度。通過變頻調節水泵2將恒溫水箱的水送入空氣處理機組與被試機組的冷凝熱風進行換熱，并將被試機組的冷凝熱負荷部分帶入恒溫水箱，這部分冷凝熱負荷與水泵1的回水所帶來的被試機組的冷量相互抵消，多余的熱量通過冷卻塔散掉。具體測試原理如圖3所示。在冷水（熱泵）機組的性能測試過程中不可避免地使用到水泵的變頻調節，且水泵的能耗為測試系統設備的主要能耗。

圖2 水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統原理

圖3 風冷冷水（熱泵）機組性能測試系統原理圖

為降低冷水（熱泵）機組性能測試過程中水泵能耗，將測試系統中的單臺循環水泵替換為雙泵并聯模式，其原理如圖4所示。

實驗過程中水泵能耗測試回路由電流互感器、功率計和計算機構成，測試結果的拓展不確定度為U(P)：

式中：

k——包含因子；

u1——重復測量引起的標準不確定度分項；

u2——功率測試系統允許誤差引起的標準不確定度分項。

u1計算如下：

u2由檢定證書給出測量的偏差值，按照相應概率分布，得到標準不確定度為0.5%。

圖4 雙泵并聯水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統

2 雙泵并聯模式分析

2.1 雙泵并聯模式的節能分析

變頻調速水泵主要由變頻器、電動機和水泵組成，變頻器用來改變電機的轉速，從而改變水泵的性能曲線，使水泵始終在高效區內運行，有利于在部分負荷運行狀態下降低能耗。每臺水泵都有其工作效率，對于定轉速水泵而言，工作點都選在其高效區內，對于變頻調速水泵來說，水泵的轉速改變，其性能曲線會相應發生變化。當管路的特性曲線不變時，水泵一直處在高效區運行，因此水泵的效率ηb可看成常數，但電機的效率ηd和變頻器效率ηb都不是定值，隨轉速的降低而減小。表1所示為水泵在不同的負荷狀態下的綜合效率η。

由表1可知，變頻水泵的綜合效率隨轉速的降低而減小，當水泵運行狀態下的流量低于額定運行流量的50%時，水泵的綜合效率大幅下降。而通常企業為滿足不同冷量段冷水（熱泵）機組性能的測試，所搭建的冷水（熱泵）機組性能測試系統測試范圍較廣，大型機組測試的頻率較低，使各調節水泵大部分時間都處于綜合效率較低的低頻率狀態運行。為提高冷水（熱泵）機組測試系統的節能潛力及水泵運行可靠性，將測試系統中的單臺循環水泵替換為雙泵并聯模式。通過水泵運行臺數優先控制策略可避免水泵長時間處于低頻率下運行[15-18]。

表1 不同負荷下水泵的綜合效率

2.2 雙泵并聯模式水泵的選型分析

利用雙泵并聯模式應注意選用特性曲線合適的水泵，否則不但起不到節能的效果，甚至會導致電機燒毀[19-20]。圖5所示d曲線是性能曲線為a的兩臺曲線較陡的水泵并聯后所得，e曲線是性能曲線為b的兩臺曲線較平坦的水泵并聯后所得，c曲線為管路特性曲線。由圖可知，特性曲線較陡的水泵并聯后的流量增量較大（ΔQa＞ΔQb），泵的特性曲線越陡，流量增量越大，越適合并聯工作。當水泵特性曲線越平坦，在使用雙泵并聯模式下切換使用單臺水泵調節時超流量現象可能性越大，容易造成電機燒毀。

圖5 水泵性能曲線對并聯后流量的影響

圖6所示為雙泵并聯運行相對單泵運行在不同管路特性下流量的增加情況。由圖6可知，管路阻力越小，ΔQ越大，越適合并聯工作，因此在管路系統設計時減少管路阻力，可以降低能耗。

圖6 水泵并聯后流量的增量隨管路特性的變化

3 實驗結果分析

本文以設計測試能力在400～2,000冷噸的水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統為例。

表2所示為不同模式下水泵的選型。實驗過程通過變頻水泵臺數優化控制的方法，將總流量與單臺水泵效率分為兩個區，監測工況所處分區，控制滿足系統負荷需求流量與壓差設定值對應的最佳運行臺數。

圖7所示為雙泵并聯模式和單泵運行模式時，水泵總功耗隨機組名義制冷量的變化。取置信概率P=0.95，k=2，計算得各次實驗水泵功耗測試拓展不確定度均小于2.010 kW。且由實驗對比可知：當測試機組的負荷大于測試系統設計上限60%左右時，兩種設計模式下水泵都處于高頻率下運行，使用雙泵并聯模式時水泵的總功耗與單泵模式偏差較小，在測試機組名義負荷為2,000 冷噸時相差最大，雙泵并聯相比單泵運行功耗增加4.0%。當測試機組的負荷低于測試上限的60%時，通過水泵運行臺數優先控制策略調整水泵實際運行臺數，此時雙泵并聯設計模式較單泵運行模式更節能，測試機組的負荷越接近測試系統設計下限時節能效果越明顯，在測試機組名義冷量為400冷噸時，雙泵并聯相比單泵運行功耗可降低35.9%。

表2 不同模式下水泵的選型

4 結論

本文研究了雙泵并聯應用于大型蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組的性能測試系統的節能潛力，實驗對比了被測試機組在400～2,000冷噸制冷能力下，采用單泵和雙泵并聯運行進行系統性能測試，得到如下結論：

1）當測試機組的負荷大于測試系統設計上限60%時，使用雙泵并聯模式時水泵的總功耗與單泵模式偏差較小，在最大測試能力下，雙泵并聯模式水泵功耗比單泵運行模式增加約4%；

2）當被測試機組的負荷低于測試系統上限的60%時，雙泵并聯模式較單泵運行模式節能，測試機組的負荷越接近測試系統設計下限時，節能效果愈加突顯，在測試系統測試下限時，雙泵并聯相比單泵運行總功耗可降低35.9%。