變流量空調水系統水泵變頻控制及能耗分析

曾偉

奧意建筑工程設計有限公司

0 引言

建筑物空調負荷隨季節和時間的不同而變化，空調系統設計時，冷水主機容量、管網及循環水泵等設備一般按各項逐時逐項冷負荷的綜合最大值設置[1]。據相關資料顯示，空調系統一年中絕大部分時間是在40%～80%負荷范圍內運行，滿負荷運行的時間非常少[2]。冷凍水循環泵作為空調系統冷水輸送的核心環節，其運行能耗約占空調系統總能耗的15%～20%[3]。因此，研究循環水泵的運行控制策略，對空調系統的節能具有重要意義。

變流量空調水系統是相對于定流量空調水系統而言，變流量空調水系統分為兩種不同的形式：一種為空調末端設備變流量，主機定流量運行，循環水泵工頻運行。第二種為空調末端設備及主機均變流量運行，循環水泵變頻運行。本文討論的變流量為第二種，根據末端空調負荷的變化，調節冷凍水循環水泵的運行頻率，達到節約水泵運行能耗的目的。變流量空調水統相對定流量空調系統，控制較復雜，但節能效果明顯。循環水泵的控制策略的合理性，直接影響到水系統的穩定性及水泵的運行能耗。

1 變流量空調系統水泵變頻控制策略

1.1 定溫差控制策略

定溫差控制策略是指以系統供回水溫差作為循環水泵變頻控制的反饋信號，通過控制水泵的運行頻率來維持供回水干管上的溫差為定值。定溫差的控制策略簡化模型詳見圖1。

圖1 定溫差策略簡化模型

1.2 定壓差控制策略

定壓差控制策略是指以系統某處的壓差值作為循環水泵變頻控制的反饋信號，通過控制循環水泵的運轉頻率維持系統中該處的壓差為定值。根據選取維持壓差值為定值的位置不同可分為干管定壓差控制策略、最不利環路定壓差控制策略及中間環路定壓差控制策略。定壓差控制策略簡化模型詳見圖2。其中，干管定壓差控制策略是通過控制水泵的運行頻率來維持圖2 中2 點和2’點間的壓差值為定值。最不利環路定壓差控制策略是通過控制水泵的運行頻率維持圖2 中3 點和3’點間的壓差值為定值。維持4 點和4’點之間的壓差值為定值的控制策略為中間環路定壓差控制策略。

圖2 定壓差控制策略簡化模型

2 變流量系統水泵變頻控制策略對系統穩定性影響

經過設備的水流量與作用在末端的壓頭成正比，水流量與壓頭之間的關系詳見式（1）。

式中：ΔP 為設備管段的資用壓頭，Pa；S 為計算管段的阻力數，Pa/(m3/h)2；V 為經過設備的水流量，m3/h。

水力穩定性是指環路中各設備在其他環路設備流量改變時保持自身流量不變的能力。通常用設備的設計流量和工況變化后能達到的實際流量的比值來衡量系統的水力穩定性，即：

式中：y 為水力穩定性系數；Vg為設備的實際流量，m3/h；Vm為設備的設計流量，m3/h。

當y＜1 時，設備的實際流量小于設計流量，設備處于欠流狀態。當y＞1 時，設備的實際流量大于設計流量，設備處于過流狀態。當y=1，實際流量與設計流量保持一致。

2.1 定溫差控制策略對水系統穩定性影響

定溫差控制策略的水力工況曲線詳見圖3，其中實線表示設計工況，虛線表示部分負荷時的水力工況曲線。從圖3 中可看出，當部分負荷時，各環路的資用壓頭變小，實際流量Vg變小，設備的實際流量小于設計流量，y＜1，設備處于欠流狀態。

圖3 定溫差控制策略水力工況曲線

2.2 干管定壓差控制策略對水系統穩定性影響

干管定壓差控制策略的水力工況曲線詳見圖4，其中實線表示設計工況，虛線表示部分負荷時水力工況曲線。從圖4 中可看出，當系統負荷降低時，系統的總流量減少，干管內水的流速降低，干管的阻力損失減少。干管的資用壓頭ΔP0和ΔP2保持一致，最不利末端的資用壓頭ΔP′0小于ΔP′2。各環路的資用壓頭均變大，實際流量Vg變大，設備的實際流量大于設計流量，y＞1，設備處于過流狀態。

圖4 干管定壓差控制策略水力工況曲線

2.3 最不利環路定壓差控制策略對水系統穩定性的影響

最不利管環路定壓差控制策略的水力工況曲線詳見圖5。圖中實線表示設計工況、虛線表示部分負荷時水力工況曲線。從圖5 中可看出，干管的資用壓頭ΔP0大于ΔP3，最不利末端的資用壓頭ΔP′0與ΔP′3保持一致。當系統處于部分負荷時，最不利環路流量能滿足實際需求，其余各環路的資用壓頭均變小，實際流量Vg變小，設備的實際流量小于設計流量，y＜1，系統處于欠流狀態。

圖5 最不利環路定壓差控制水力工況曲線

2.4 中間環路定壓差控制策略對水系統穩定性影響

中間環路定壓差控制策略的水力工況曲線詳見圖6。圖中實線表示設計工況，虛線表示部分負荷時水力工況曲線。從圖6 中可看出，當系統處于部分負荷時，干管的資用壓頭ΔP0大于ΔP4，最不利末端的資用壓頭ΔP′0小于ΔP′4。定壓點前端的環路資用壓頭變小，實際流量Vg變小，設備的實際流量小于設計流量，y＜1，環路處于欠流狀態。定壓點后端的資用壓頭變大，實際流量Vg變大，設備的實際流量大于設計流量，y＞1，環路處于過流狀態。

圖6 中間位置定壓差控制水力工況曲線

3 不同控制策略對各環路控制閥門選擇的影響

為保證各環路的水力穩定性，使各支路設備不出現欠流和過流，需在各環路上設置控制閥，控制各設備的流量滿足設計要求。在選擇各支路控制閥門時，需考慮不同控制策略下各支用支用壓頭的變化對控制閥閥權度的影響，閥門閥權度的定義詳見式（3）。

式中：S 為閥門的閥權度；ΔPmin為控制閥全開時的壓力損失；ΔPmax為控制閥所在串聯環路的總壓力損失。

干管定壓差控制策略，各環路資用壓頭變大，即ΔPmax變大，ΔPmin不變，各環路上控制閥的實際閥權度變小。閥權度變小，控制閥的調節性能減弱。為保證閥門控制的精確性，干管定壓差控制策略，需采用閥權度大的控制閥門才能達到好的調節效果。

最不利環路定壓差控制策略，各環路的資用壓頭變小，即ΔPmax變小，ΔPmin不變，各環路上的控制閥的實際閥權度變大。最不利環路定壓差控制策略，采用閥權度較小的控制閥門，降低閥門阻力消耗循環水泵的能耗。

中間環路定壓差控制策略，定壓點前端環路的資用壓頭變小，即ΔPmax變小，定壓點前端各環路上的控制閥的實際閥權度變大。定壓點后端環路的資用壓頭變大，即ΔPmax變大，定壓點后端各環路上的控制閥的閥權度變小。中間環路定壓差控制策略時，定壓點前端環路，采用閥權度小的控制閥，降低閥門阻力消耗循環水泵能耗。定壓點后端環路，采用閥權度大的控制閥，防止了部分負荷時閥權度變小，降低閥門調節的精確性。

4 變流量系統水泵變頻控制策略的選擇

定溫差控制策略是一種被動控制策略，從第2 節控制策略對系統水力穩定性影響的分析中可看出，采用定溫差控制策略要求各環路的負荷按相同的規律同步變化（負荷成相同比例增加或減少），若變化規律不同會出現管網水力失衡，且負荷變化引起的溫度變化有明顯的滯后性，延遲時間較長。當末端負荷發生變化時，系統的水溫至少要經過一個循環周期才能反饋到傳感器中，不能精確的根據系統的需求控制水泵的運行頻率，可能造成系統較大的波動性和較差的可靠性。因此，當系統各環路的負荷變化規律相同，且對負擔區域的溫度變化要求不嚴格時，可采用定溫差控制策略。

定壓差控制策略相比定溫差控制策略，能對系統的實際需求及時反饋，不會出現時間的滯后性。為保證系統的可靠性及精確性，變流量系統建議采用定壓差控制策略。

5 變流量系統不同控制策略的能耗分析

不同策略下水泵的運行狀態點詳見圖7，其中0點為設計工況下的水泵的運行狀態點，1 點為采用定溫差控制策略時的水泵運行狀態點，2 點為采用干管定壓差控制策略的水泵運行狀態點，3 點為采用最不利環路定壓差控制策略的水泵運行狀態點，4 點為采用中間環路定壓差控制策略水泵運行狀態點。

圖7 不同控制策略下的水泵運行狀態點

水泵的能耗和水泵的揚程和流量成正比，從圖7中可看出，采用定溫差控制策略時，水泵的能耗最低。因采用定溫差控制策略，沒有改變系統的管路特性，使水系統始終維持在相似變換的狀態下，當水泵頻率發生改變時，水泵的輸送能耗同頻率的三次方成正比，因而能夠最大限度的節省系統的能耗。定壓差控制策略中，干管定壓差控制策略的能耗最高，中間環路定壓差控制策略的能耗次之，最不利環路定壓差控制策略的能耗最小。

6 結論

1）采用定溫差控制策略和最不利環路定壓差控制策略，系統各環路設備處于欠流狀態。采用干管定壓差控制策略，系統各環路設備處于過流狀態。采用中間環路定壓差控制策略，定壓點前端環路設備處于欠流狀態，定壓點后端環路處于過流狀態。

2）干管定壓差控制策略，各環路需選擇閥權度較大的控制閥門。最不利環路定壓差控制策略，各環路需選擇閥權度較小的控制閥門。中間定壓差控制策略，定壓點前端環路選用閥權度較小的控制閥門，定壓點后端環路選用閥權度較大的控制閥門。

3）各控制策略中，定溫差控制策略的能耗最小，最不利環路控制策略的能耗次之，干管定壓差控制策略的能耗最大。

4）當系統負荷變化規律一致，且對控制精確度不高的變流量系統，建議選擇定溫差控制策略。對控制精確度及可靠性要求高的變流量系統，則建議采用定壓差控制策略，其中優先選擇最不利環路定壓差控制策略。