基于仿真模擬的冷卻水泵變頻控制研究

王佳韻

奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

0 概述

傳統上冷卻水泵一般定頻運行，當負荷側變化時，冷卻水泵流量保持不變，冷卻塔進出水溫相應變化，冷卻水溫差變小，冷機冷凝器出水溫度降低。近年來由于對環保節能的要求提高，如 《綠色建筑節能評價標準》等國家規范一般對大功率設備的用電設備提出變頻控制要求。然而冷卻水泵如何變頻，冷卻水泵變頻對整個系統節能是否有利，卻成為比較有爭議性的話題[1]。

常規冷卻水泵變頻的做法包括：

1）定溫差變頻——控制冷卻水環路的溫差，調節冷卻水泵頻率，使冷卻水進出水溫差不變。

2）根據冷機負荷變頻——冷卻泵的頻率根據冷機負荷變化而調節，當冷機負荷率下降，水泵頻率也隨之等比下降。

通常來說，冷卻水溫每升高1 ℃，制冷效率就降低2%～3%。因此如果只考慮水泵變頻節能，卻不考慮水溫變化對機組能效的影響，未必就能起到很好的節能效果。甚至因為水泵變頻的低流量導致冷卻水側換熱不充分，冷卻水溫度保持在較高水平，從而增大了冷機能耗，雖然減少了冷卻水泵能耗，系統總能耗卻增大，得不償失。

本文將結合實際項目，采用由英國開發的建筑能耗模擬軟件 Integrated Environmental Solution Virtual Environment 2021（下文將簡稱為VE）對建筑與空調系統進行仿真模擬，并由此分析冷卻水泵變頻是否對冷源系統總能耗帶來正面影響。

1 研究方法與研究模型

1.1 建筑模型的建立

在 VE 中搭建項目的虛擬模型與空調系統構架，結合清華大學與中國氣象局實測的 CSWD（Chinese Standard Weather Data）氣象文件進行仿真模擬。

研究項目為上海一棟超高層酒店，建筑高度242.8 m，層高51 m，塔樓頂部為設備機房，裙房及塔樓34層以上部分酒店。宴會廳、餐廳、會議室等酒店功能區主要集中在裙房部分。酒店部分面積約26000 m2。由于已經有實際建筑圖紙，模型將根據建筑圖進行簡化搭建。

墻體、屋面、幕墻等建筑的圍護結構系數，將參考《公共建筑節能設計標準》G B50189中3.3節圍護結構熱工設計中夏熱冬冷地區的甲類公共建筑圍護結構熱工性能限值選取。表 1為建筑模型的基本設置信息。

表1 建筑信息設定

所建立的模型截圖如圖 1所示，塔樓非酒店部分已簡化處理。

圖1 酒店項目簡化模型

酒店主要功能房間包括：酒店客房、公共走道、宴會廳、多功能廳、會議室、餐飲、廚房。按經驗選取設計參數，具體設定如表2：

表2 不同功能房間參數設定

根據以上設定的建筑物理信息，與房間設計參數，結合上海氣象參數進行仿真模擬。可以得到本項目冷負荷峰值負荷 3956.31 kW，出現時刻為 8 月 2 日13:30。

1.2 系統模型的建立

根據仿真模擬所得峰值冷負荷，結合酒店自身需求，設置3臺冷水機組。每臺容量為：380RT。考慮裙房與塔樓距離的差距（酒店塔樓在34層以上），酒店空調水系統采用二次泵變流量系統。常規來說，從節能角度考慮，一般項目如冬季有供冷需求，則都會設置免費供冷板換，采用冬季的冷卻水為免費冷源，為項目供冷。由于這個設計比較常見，本文仿真模擬時會將免費冷卻系統一并考慮在內。

由于本文主要討論冷卻水側的能耗，且二次泵流量與能耗由末端決定，一次泵定流量運行，啟停與冷機連鎖，冷凍水泵本身的運行與能耗對冷卻側鮮有影響，因此二次側水泵配置與能耗，暫且在本文內不表。

根據峰值負荷，模型內整個冷源系統冷機與冷卻側配置如表3：

表3 冷水機組與冷卻側系統配置

酒店冷源24小時運行。對于末端系統的設定，由于對系統形式對冷源側能耗影響不大，將統一簡化為風機盤管 +獨立新風系統，末端的運行時間表將參考《公共建筑建筑節能設計標準》G B50819，附錄B中相關設定。

常規冷卻水泵變頻控制有兩種模式：1）定溫差變頻。2）根據冷機負載率變頻控制。本文將模擬三種工況下的8760小時的冷卻水側能耗與主機能耗，三種工況即：

1）冷卻水泵定頻運行模式：水泵定頻運行，并與冷機、冷卻塔連鎖，當冷機及冷卻塔臺數減少，冷卻水泵也相應關閉。

2）冷卻水泵變頻運行模式 1：控制冷卻水環路的溫差，調節冷卻水泵頻率，使冷卻水進出水溫差不變，保持在5℃。

3）冷卻塔變頻運行模式 2：冷卻泵的頻率根據冷機負荷變化而調節，水泵頻率隨著冷機負荷率下降等比下降。

根據描述的系統形式與主機配置，在VE中構建的仿真系統模型如圖2：

圖2 酒店冷源測模型

2 模擬結果分析

對于三種冷卻水系統控制策略仿真模擬的主機與冷卻水側設備全年能耗總結如表4：

表4 不同控制模式冷卻側全年能耗對比

其中，這三種不同控制模下冷機與冷卻水側的分項能耗分別為表5：

表5 不同控制模式冷機與冷卻側能耗與差值

由表5可知，雖然采用冷卻水泵變頻控制策略導致冷機能耗增大了 4.4%～4.6%（50～53 kW），但冷卻側水泵+風機的能耗卻減少了30%(約172～176 kW)。因此總得來說，冷卻水變頻控制帶來的收益要大于損失。

由全年耗電量可進一步求得冷源與冷卻側的全年電費。單位電費根據上海非居民商業電價夏季為0.713元/kWh，非夏季為0.690元/kWh 計算。與定頻模式相比，兩種變頻工況節省的能耗及電費，及相應的節能率、單位面積節電量總結為表6：

表6 不同控制模式總結對比表

對比表4，表 5及表6中變頻模式1與變頻模式2冷源與冷卻水側兩種變頻模式的全年耗電量，可知兩者的結果幾乎一致。這也很好理解，因為實際上控制頻率與冷機部分負荷的比例不變，就相當于控制流量與部分負荷的比例不變，而負荷與流量、溫差的關系為Q=cmΔt，最終也相當于控制溫差保持不變。相對定頻模式來說，兩種變頻控制模式的節能率均在 7%左右。冷卻水泵變頻控制策略帶來的單位建筑面積節電量大約在4.73 kWh/m2。圖 3為變頻控制模式1、2每個月相對于定頻控制模式減少的能耗比例。可以看出，在6～9月采用冷卻水變頻控制節能比例相對較低，均低于5%，平均僅4.25%。因此，可以說冷卻水變頻控制更適合全年供冷的項目類型。

圖3 變頻控制逐月節能比率

對于非全年供冷的建筑（如采用兩管制空調水系統的項目），采用冷卻水變頻控制模式，節能潛力相對更小，但其收益依然可觀。市面上知名品牌的變頻器單價約在300～400元/kW，本項目在VE中設定的冷卻水泵裝機總用電量為66 kW。因此可以得出全年供冷與非全年供冷的項目為冷卻水泵增加變頻器的初投資計算得投資回收期分別為表7：

表7 不同供冷模式下投資回收期

不論是全年供冷或者僅夏季供冷的建筑，表 7 給出的投資回收期均在1年以內，而不同品牌的變頻器的壽命則在 5～10年不等，由此可得出結論：冷卻水泵變頻控制是一項投資低，而收益高的性價比較高的節能措施。

3 冷卻水泵變頻控制的其他考慮

除從能耗的角度考慮是否采取冷卻水泵變頻控制的運行策略外，還有其他實際因素同樣制約冷卻塔變頻控制的應用。仿真模擬中冷卻塔為理想模型，其運行工況處于理想條件。因此，V E不能反應實際工況下，冷卻塔流量下降對冷卻塔本體熱力性能的影響。冷卻水流量過低對冷卻水系統帶來的負面影響有多篇論文[3-5]曾經論述，總結如下：

1）冷卻水流速過低會加速水環路和設備管道的結垢。

2）冷卻水量過低會導致冷卻塔填料干涸，并導致填料結垢堵塞，降低冷卻塔的換熱效率和使用壽命。

3）在實際運行中，當冷卻塔處理水量下降，淋水密度降低，冷卻塔的冷卻效果會急劇下降。

冷卻水系統結垢問題，可以通過加藥、軟化處理或者增大補水量降低濃縮倍數實現，然而淋水密度過低帶來的熱力性能下降則不易解決。由此可知，冷卻水流量不能過低。推薦的橫流塔的淋水密度宜為20～26 m3/ (m2h)，逆流塔的淋水密度宜為 10～16 m3/ (m2h)[7]。如果按照嚴格按照規范推薦值限制冷卻水流量變化，則允許的變化率橫流塔約在0～23%左右，逆流塔在0～37.5%之間。目前市場上的主流廠家給出的冷卻塔可以接受的流量下限推薦值橫流塔為 70%，逆流塔為 50%，這是在采用調整布水器設計，可以讓冷卻塔更適應變流量系統的前提下能接受的冷卻塔最小流量。

如果按照冷卻塔變流量的下限值分別為70%（橫流塔）和 50%（逆流塔）對計算結果重新進行修正，使用變頻泵的系統全年能耗，節能率與投資回收期分別為表8：

表8 修正后冷卻變流量控制節能率與投資回收期

由表8的結果可知，即便考慮了冷卻塔實際能接受的最小流量，冷卻水泵變頻控制依然是節能的。采用逆流塔的冷卻水系統，節能率 1.5%，節省費用 1.88萬元，投資回收期為1.2年。對于采用橫流塔的系統，限定了最冷卻水系統低流量為 70%后，節能率降低到0.8%，投資回收期 2.4 年，相對于采用逆流塔系統，冷卻水泵變頻控制節能效果更差，也需要更長時間才能收回增加變頻器安裝的投資成本。

4 結論

從節能角度來看，毫無疑問，采用冷卻水泵變頻控制是節能的，冷卻水流量減少對冷機性能的負面影響始終要小于水泵變頻帶來的節能收益。然而需要注意的是，冷卻水流量過低會對冷卻塔熱力性能和使用壽命帶來不利影響。實際應用中，冷卻水泵變流量控制其流量變化范圍不宜過大，相應的，其冷卻水變頻控制的節能潛力也因此受限，每平方米節省的耗電量大約在0.5～1 kW/m2之間。