变频变流量系统的节能分析与控制

维普资讯 http://www.cqvip.com 制冷与空调　２００７年第ｌ期　变频变流量系统的节能分析与控制　吴德胜　杨昌智　（湖南大学土木工程学院，４１００８２）　【摘要】　本文论述了空调冷冻水系统的变频节能原理，从管路和水泵两方面分析得出实际工程中变频系统　不节能的原因在于采用定压差控制，通过一个简化的空调冷冻水系统，对比计算了在定压差控制　和变压差控制下变频水泵的节能效果，得出变压差控制可以最大实现变频的节能效果。　【关键词】　变频：节能：定压差；变压差：最小压差控制　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｆｌｏｗ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｗｕ　Ｄｅｓｈｅｎｇ　Ｙａｎｇ　Ｃｈａｎｇｚｈｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　４１００８２）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｃｈｉｌｌｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｆｒｏｍ　ｂｏｔｈ　ｈｅ　ｔｐｉｐｅ　ｌｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｐｕｍｐｓ　ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｈａｔｔ　ｈｅｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒｅ．ｏｎ　ｉｎ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｃｈｉｌｌｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ｐｕｍｐ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｂｌａｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎｒｅａｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．ｆ　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｅｎｅｒｙ　ｇｓａｖｉｎｇ：ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ；ｖａｒｉｂｌａｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ；　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１　概述　随着能源价格的不断上涨和能源需求的迅速　增加，节能在我国已经被作为一项政策提出。目前　２水泵的变频节能　空调系统部分负荷下的节能主要通过提高低　我国供暖空调的能源总量已超过一次能耗总量的　２０％，因而节约空调能耗，提高空调系统的能源使　用效率就显得越来越重要。　空调系统的一个显著特点就是部分负荷的情　况占绝大多数。一栋典型的公共建筑其全年的冷负　荷分布频数如图ｌ所示【ｌ】，由图可知，负荷低于７０％　的时间在全年中超过９０％，因而在部分负荷的情况　下保持空调系统的制冷效率，对节约空调能耗就有　非常重要的意义。　负荷条件下制冷机的ＣＯＰ值和降低部分负荷下水　泵和风机的电耗。前者主要依靠制冷机厂家的技术　革新，而后者主要在工程中采用合适的技术形式。　空调负荷下降时输送冷量的冷冻水流量的需求也　下降，因而可通过减少冷冻水的输送量来降低水泵　的能耗，目前备受推崇并且使用越来越广泛的就是　变频调速变流量技术。由于电机的转速　＝６Ｏｆ（１一　）／Ｐ，式中，厂为电流频率，Ｓ为转　差率，Ｐ为电极对数，理论上利用变频技术可以实　现电机的无级调速，从而实现水泵流量的无级调　节。根据流体力学的相似原理【２１，在相似工况下有：　Ｑ０　：　（一　１）　‘吴德胜，男，１９８２年４月出生，在读硕士研究生，湖南大学土木工程学院　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第ｌ期　制冷与空调　每　＝　Ⅳ０　㈦Ｏｏ。　＝式中Ｑ为水泵流量，日为水泵压头，Ⅳ为水　泵轴功率，ｎ为水泵转数，下标０表示在额定工况　下的值，下标１表示在转数　下的值。　从关系式中可以看出，水泵的轴功率与流量三　次方成正比，因而流量减小时，轴功率将迅速下降，　下表列出了当流量变化时，水泵轴功率的变化情　况。　表１　部分流量下水泵的轴功率　流量（ｑｌ／ｑｏ）％　１００　９０　８０　７０　６０　５０　功率（Ｎｌ／Ｎｏ）％　１００　７２．９　５１．２　３４－３　２１．６　ｌ２．５　可见在变频变流量的情况下，水泵的功耗急剧　下降，节能非常明显。但是在许多实际的变频变流　量空调系统中，尤其在改造的系统中，变频节能的　效果并不明显，甚至根本不节能，原因何在呢？下　面分别从管路系统和水泵两方面来分析【３】ｏ　３影响变频节能的因素　３．１管路系统变化的影响　图２为一冷冻水系统的水泵和管路在设计工　况下的特征曲线图，Ｏ点为水泵设计工作点，此时　水泵转速为ｎｏ，流量为Ｏｏ。当流量下降至　时，　理论上水泵转速应该降至ｒｈ，但实际系统中负荷下　降时许多操作者会通过关小阀门来减小流量，此时　管路特征曲线会变陡，实际系统中水泵只能降速至　，ｚ’，此时水泵工作点为２点，而ｎ，＞ｒｈ，水泵节　能下降。所以，在设置了变频调节的系统，不应该　先通过调节阀门来调节流量，而应尽量先利用变频　装置的变流量能力。　图２实际系统中水奈的转速与工作点　实际的变频系统中一般采用定压差控制方式，　即保持供回水干管的压差△Ｐ恒定。当流量变小　时，可认为水泵的扬程Ｈ＝△Ｐ＋△Ｐ’（△Ｐ’为冷　冻水系统中冷冻机房部分压降）基本不变。根据水　泵的有效功率公式Ｎ＝ｐｇＱＨ，Ｐ、ｇ为常数，　水泵的功率只与流量的一次方成正比，节能的效果　大打折扣【ｊｊ。　３．２水泵并联的影响　图３变频泵与定速泵并联的水泵特征曲线　实际的系统中一般是多台水泵并联，为了节约　成本，许多工程采取只使其中一台水泵变频，即“一　变多定”的形式。空调水系统中使用的离心水泵特　征曲线一般都比较平坦【４ｊ，多台水泵并联后特征曲　线更加平坦（如图３）。此时并联的定速泵再与变　频泵并联时，就不得不考虑水泵的扬程。图中两台　定速泵在设计工况下的扬程为日　，并且在运行过　程中不变，则与之并联的变频水泵要能真正发挥作　用，其扬程不能低于　。这样水泵的变频范围　维普资讯 http://www.cqvip.com 制冷与空调　２００７年第ｌ期　就受到了很大的限制，只能很小程度地变频【６】，就　变频器本身来说，在低负荷下效率也将下降，不宜　无限制扩大变频范围【７】ａ另外变频水泵的扬程只能　Ｈｏ＝△　肋＋△　’Ｄ　＋　＋△　＝２５０ｋＰａ　保持在　，由前面的分析可知，此时水泵的功率　只与流量成正比关系，所以水泵变频的作用有限，　节能效果不明显。　４定压差与变压差控制的节能比较　通过上面的分析可以发现，变频变流量节能效　果不明显主要原因是变频后水泵的扬程不能改变，　特别是在定压差系统中，为了保证供回水干管的压　差，水泵必须提供相应的扬程。而定压差的目的只　是为了保证各个末端有充足的压头来保证流量，而　如果能够保证每个末端的流量，压差是可以改变　的，即可以采用变压差控制。下面以一个简化的水　系统来对比这两种控制方法下变频变流量系统的　节能效果（见图４）。　系统作如下假设：　（１）水泵能自由变频：　（２）制冷机房的管路阻力数在变流量过程中　不变：　（３）水泵和制冷机对流量没有限制。　图４简化的空调水系统　图中在设计工况下：　肋＝８Ｏ　，‰：　＝５Ｏ　，　‰＝　＝７Ｏ　口，流量Ｑｏ＝２０Ｌ／ｓ，　＝　加＝ｌＯＬ／ｓ水泵的工作扬程　，有效功率Ｎｏ＝ｐｇＱｏＩ－ｌｏ＝４．９　。考虑两支　路流量变化相同和各自分别变化两种情况。　４．１末端流量相同变化　当负荷减小流量下降时，考虑两个末端流量变　化相同，同时变化到７０％，若采用定压差控制，则　Ｄ　的压降不变，Ｃ，４肋的压降　’＝　（Ｑｌ／Ｑｏ）　＝３９．２ｋＰａ　Ｉ－／，’＝‰『＋　＋　掰＋　Ｈ＝２０９．２ｋＰａ　Ⅳｌ’＝ｐｇＱ’Ｈｉ’＝２．８７ＫＷ，水泵节能４１．４％　若采用变压差控制，由于末端负荷的变化比例　相同，可以只调节水泵的转速降低流量至Ｑ’，管　路不用改变，就可使末端的流量改变至要求的水　平。此时　／－／２’＝ｓＱ“＝Ｉ－Ｉｏ（ＱＶ　Ｑｏ）　＝１２２．５　口　Ｎ２’＝ｐｇＱ’　’＝１．６８ＫＷ，水泵节能６５．７％　此时变频变流量的水泵功率达到理论上的与　流量三次方成正比的理论水平，节能最大。　计算流量连续变化的情况下，定压差控制和变　压差控制方式下水泵的功率作曲线如图５。从图上　可以看出，变压差控制的节能效果远远优于定压差　控制。　图５末端水流量连续相同变化时两种控制方法的水泵功　率曲线　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第ｌ期　制冷与空调　２７　简化的情况，并且支路间相互耦合，各末端的流量　变化也总是交替往复，因而不可能根据具体的计算　Ｎ　Ｖ　来得出每种情况下各支路阀门的阀位和水泵应提　供的扬程。实际可操作的方法是最小压差控制法　【引，具体做法是：当流量变化时，按一定规律减小　供回水干管的压差，同时检查各阀门的开度，当一　定比例的阀门处于全开状态时，就认为此时的压差　为最小压差。虽然这样不能达到理论上的最节能控　制，但是它尽可能减小了阀门关小带来的节流损　失，并且在实际操作上也是可行的。　５结论　图６末端水流量分别连续变化时两种控制方法　５．１在相似工况下，水泵的有效功率与流量的三次方　的水泵功率　成正比，通过变频调速变流量有很大的节能余地。　４．２支路流量分别变化　５．２实际工程中应用变频变流量技术节能效果不明　考虑更一般的情况，末端水量变化不相同，Ｍ　显主要是因为：１．采用定压差控制；２．变频泵与定　的水量变为７０％，而Ｎ的水量变化为５０％。采用　速泵并联。这两点使变频水泵的扬程在变频时不能　定压差控制时　相应降低，极大地降低了变频的节能效果。　屹ＢＤ”＝　肋（Ｑ’Ｉ／Ｏｏ）　＝２８．８　口　５－３定压差并不是必须的，采用变压差控制，水泵　变频变流量能获得明显的节能效果，在某些情况下　ＨＩ”＝△　”＋‰＋　＋△ＪＦ　＝１９８．８ｋＰａ　能达到水泵功率与流量三次方成正比的理论节能　效果。　ＮＩ”＝ｐｇＱ”Ｈｌ”＝２．３４ＫＷ，水泵节能５２．２％　５．４实际工程由于末端复杂多样，流量变化无规　律，可采用具有可操作性的最小压差控制法。　若采用变压差控制，则首先要满足流量较大的　ＨＭＧ支路所需要的压头　参考文献　【１】李苏泷，朱孟标，张国强．水泵变频调速方案计算机辅　‰”＝‰（　啪ｎ／　啪）　＝３４．３ｋＰａ　助论证．暖通空调，２００５，３５（３）：８３￣８５　【２】周谟仁．流体力学泵与风机．第三版．北京：中国建筑工　屹肋”＝　肋（Ｑ’／ＩＯｏ）　＝２８．８ｋＰａ　业出版社，１９９４，３１６．３１８　‰”＝　”＝‰（Ｑ’Ｉ／　）　＝１８ｋＰａ　【３】曾振威，李聪．一次冷冻水泵变频节能分　析．ＲＥＦｌｕＧＥＲ仰０Ｎ．２００５，２４（４）：８Ｏ～８３　１－１２”＝△‰”＋　竹＋　”＋△　＂＝９９．１ｋＰａ　【４】袁建中．中央空调系统节能措施浅析．有色冶金设计与　研究．２００２，２３（２）：３５￣３６　Ｎ２”＝ｐｇＱ”　”＝１．１７　，水泵节能７６．１％　【５】李锡冲．空调两级泵水系统变频调速的自控设计．暖通　空调．２００１，３１（６）：５１～５４　计算两末端流量均连续变化时，定压差和变压　【６】李苏泷，朱孟标，张国强．中央空调水系统改造中的几　差控制方式下水泵的功率如图６所示。　个问题．自动化博览．２００３　从以上计算可以看出，不管末端流量如何变　【７】黄文厚，李娥飞，潘云钢．一次泵系统冷水机组变流量　化，变压差控制节能效果都要优于定压差控制。　控制方案．暖通空调，２００４，３４（４）：６５￣６９　４－３最小压差控制　［８］曹琦，傅明星，谢明华．空调供水系统变频控制的节能．　实际工程中的末端数目和种类都要远远多于　自动化博览