1、    一次泵變流量水系統模擬和存在問題分析     簡介： 通過一次泵變流量水系統的模擬分析，得到了水泵變流量情況下的節能率與部分負荷率和水泵相對于冷水機組功耗的關系，分析了水側變流量運行對冷水機組制冷性能的影響，并給出了不考慮這一因素對于一次泵系統變流量節能分析所引起的偏差，指出研究和掌握冷水機組變流量下的制冷性能對于一次泵變流量系統的設計是至關重要的。對于工程改造中出現的一些帶有普遍性的問題進行了分析。關鍵字：一次泵系統 變流量水系統 節能 0 引言 空調冷凍水和冷卻水經常在大流量、小溫差下運行。根據日本的經

2、驗，VWV與VAV并列，是空調中僅次于全熱交換技術的節能措施。隨著近年來電力電子技術的發展和變頻器性價比的不斷提高，交流電機變頻調速技術的應用越來越廣，一次泵變流量水系統的研究因此也得到了一定的重視1-3，但在研究中也存在這定性的結論多，定量的研究和計算辦法少，可操作性較差的問題，因而影響了其在實際中的廣泛使用。雖然冷凍水和冷卻水的變流量運行對冷凍水泵和冷卻水泵的節能運行有利，但變流量運行對于冷水機組的制冷性能可能有一定影響，制冷機的制冷效率(COP)可能有一定程度的下降。因此，要保證在冷水機組安全的前提條件下實現節能運行，就要求冷凍水流量和冷卻水流量的變化有一定的限制，并滿足某種匹配關系。由

3、于目前生產廠家一般沒有提供在不同的冷凍水出水溫度和冷卻水進水溫度下，冷水機組制冷量、輸入功率隨冷凍水流量和冷卻水流量變化的完整數據，因此關于一次泵變流量水系統的研究和設計受到了一定的影響；反過來，由于定量研究較少，也使得生產廠家沒有積極性進行相關數據的測試。相信一次泵變流量水系統研究的進一步深入，對于提高冷水機組在部分負荷工況下及變流量情形下的能效比的研究和節能技術的推廣將起到推動作用,從而形成空調水系統和制冷主機節能研究及其應用的良性互動。1 水側變流量對冷水機組性能的影響在傳統的空調水系統設計中，通過冷水機組的冷凍水和冷卻水的流量基本保持不變。認為只有維持定流量，才能確保盤管的換熱效果，流

4、量減小時，在換熱盤管表面可能會出現層流狀態，降低換熱效果；同時，流量過小時，蒸發器還會出現凍結的危險，當流速小于一定值時，水中若含有腐蝕性物質，會對盤管造成腐蝕。隨著控制技術的發展，冷水機組的控制系統越來越先進。目前，不同類型的冷水機組均能實現冷量的自動調節。冷水機組能量調節功能的進步使得其水側變流量設計成為可能，同時也凸顯水泵應改變以不變應萬變之策，而應以變應變。事實上，目前，多數冷水機組允許蒸發器流量在額定流量的50100以內變化。當蒸發器采用變流量運行時，其流量隨著用戶負荷的變化而變化，當用戶負荷變小時，蒸發器的冷凍水流量變小，冷水機組的控制系統根據實際需冷量減小制冷劑流量，導致蒸發器盤

5、管內制冷劑流速偏離了最佳流速值，冷水機組制冷系統的整體性能降低。衡量蒸發器變流量運行能否節能的標準不單是冷凍水泵運行時節能多少，而還應考慮蒸發器變流量運行造成冷水機組COP值下降而損失的能耗，再考慮變流量運行的負荷時間頻度。由于控制技術的進步，控制系統可以保證壓縮機始終在高效區運轉，使得冷水機組蒸發器變流量時的性能不會下降很多。冷水機組蒸發器變流量對其制冷性能的影響程度與壓縮機類型和制冷劑變流量的方式有關。文獻3從熱力學角度對此進行了分析，認為即使冷凍水流量減至60，冷水機組的COP的下降幅度也不超過10%。冷卻水進出口溫差變大時，雖然可以減小冷卻水泵的運行費用，然而，為了保證冷凝器內的熱交換

6、，冷凝溫度必然要高于冷卻水的出口溫度，并且冷凝溫度與冷卻水出口溫度也要求有一低限。所以，要想加大冷卻水的進出口溫差，就必須提高冷卻水出口溫度（通常冷卻水進口溫度基本上是定值），這又將引起冷凝溫度的增加，降低了冷水機組的COP值。與蒸發器變流量相比，冷凝器變流量運行對冷凝溫度的影響較大，故導致冷水機組COP的變化較大，在給冷卻水泵安裝變頻器時，應詳細分析冷卻水變流量對冷水機組性能的影響，確定方案的可行性。NextPage 2 一次泵變流量系統節能模擬分析現將在部分負荷情況下變流量與定流量兩種情形的系統（冷水機組和水泵）能耗進行比較，設定流量情形冷水機組和水泵的輸入功率分別為變流量情形為

7、和，對于冷水機組和水泵組成的系統而言，水泵變流量的節能率為 （1）變流量與定流量兩種情形下的制冷量應相等（），因此，兩種情形下冷水機組的輸入功率與能效比（EER）的關系為 （2）因此，節能率為 （3）在部分負荷情況下，由于環境溫度和工況的改變，冷水機組的輸入功率與名義工況下的輸入功率相差較大，且關系較為復雜；而EER雖有改變，但變化幅度較小，一般不超過15%4。設EER隨部分負荷率（=Q/Q0）的變化為線性變化 （4）這里EER0為名義工況下的能效比，待定系數與部分負荷率和機型有關，如不考慮部分負荷情況下能效比的變化，則取。上式中最后一項是由于考慮了變流量運行對于冷水機組性能的影響而帶來的。變

8、流量情形下，冷水機組的能效比將比定流量情形下的能效比略有下降，目前這方面實驗數據較少。為便于從理論上分析一次泵變流量情形下的節能與流量變化的關系，本文分別模擬以下兩種情況：流量變為額定流量的60%時，冷水機組的EER變為定流量時EER的5%和10%，且EER與相對流量呈線性關系。這里為方便起見，不妨稱之為“5%影響曲線”和“10%影響曲線”。分別給出了水泵相對主機的電功率 為15%和25%情況下，“5%影響曲線”下的節能率與部分負荷率（流量變化）的關系；圖4和圖5則分別給出了對應于“10%影響曲線”下的節能率。從圖中可以看出變流量對于冷水機組制冷性能的負面影響可能在相當程度上抵消水泵的調速節能

9、，特別是當水泵相對主機的電功率比較小時。當水泵相對主機的電功率小于15%時，不考慮對主機影響的節能率計算（三次方定律）較考慮“5%影響曲線”時要高估50%以上，較考慮“10%影響曲線”時更要高估100%以上。即使對于水泵相對主機的電功率較大的情形，也應該正確評估變流量對主機制冷性能的影響，否則，有可能做出錯誤的判斷。因此，研究和掌握冷水機組變流量下的制冷性能對于一次泵變流量系統的設計是至關重要的。3 工程中存在問題分析一些變頻器生產廠家和自動化技術公司，在推動變頻調速技術應用于空調水系統中，經常走在暖通空調專業人員的前面，大部分后期工程改造（變頻調速系統的添置）往往由自動控制專業人員所主導。目

10、前已有若干空調用戶，特別是飯店，被推薦在空調冷凍水系統和冷卻水系統中采用變頻泵。但由于集中空調系統有著不同于一般流體輸配系統的特點，在工程改造和節能核算中也存在一些問題。有的工程由于設計或施工方面的原因，水環路壓力本來就不平衡。而在進行變頻調速方案可行性論證時，有時僅僅關注供回水總管上的溫差和系統的運行時間，而沒有關心水環路壓力是否平衡。水環路壓力不平衡所造成的水力（熱力）失調，在額定的大流量情況下，有的環路溫差大，大多數環路溫差小，供回水總管或分集水器上的溫差還是較小，問題被掩蓋了；但在小流量情形，就暴露了出來，結果在水泵調速運行時，最不利環路上的空調區域往往達不到要求，流量偏小（就是管理人

11、員常常說的壓力不夠）。這就是許多空調變頻調速裝置形同虛設的一個主要原因。如何進行變頻調速系統控制，對于運行的節能效果影響很大。目前，大多數情形采用的是壓差控制和溫差控制。壓差控制反應快，傳感器成本低，但也有缺點：恒壓差控制，起不到節能的效果，如采用變壓差控制，壓差與流量的變化關系需試驗確定，且一般起碼要對最不利環路進行控制，布線較長，如是后期改造則要影響外觀效果，不受業主歡迎；溫差控制布線簡單，只要將傳感器布置在供回水總管或分集水器上即可，但其響應滯后，同樣成本下，溫度傳感器精度較低，且在原來系統水環路壓力不平衡的情況下，控制效果不好。兩種方法各有利弊5。幾乎所有節能核算辦法均沒有考慮到冷水機

12、組水側變流量運行對于其COP的影響，大多數核算辦法只是簡單地（也許有商業方面的考慮）將變頻泵電流與工頻泵電流進行比較，并計及變頻泵地運行時間，而得出節能地效果（目前大多數變頻調速采用“一變多定”方案），沒有考慮到水泵機組在部分調速運行時，變頻泵電流下降，而工頻泵電流可能會有所上升。4 結論一次泵變流量水系統是空調節能設計的重要方法，但其設計或改造，需要事前對系統進行細致的測試和調研，或需要生產廠家提供冷水機組制冷量、輸入功率隨冷凍水流量和冷卻水流量變化的完整數據。隨著對于一次泵變流量水系統研究的進一步深入，可以推廣PLC（可編程控制器）與變頻器組成一調速控制系統，充分考慮到冷水機組水側變流量運行對于其制冷性能的影響，實現冷水機組和水泵的一體化控制。參考文獻1 哈特曼. 冷水機利用變流量冷凍水的若干設計問題. 暖通空調. 1997（3）: 29-332 Bahnfleth W, Peyer E. Comparative analysis of variable and constant primary-flow chilled-water-plant performance. HPAC Engineerin