空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水泵異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制方法研究

北京建筑工程學(xué)院 劉辛國(guó)

空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水泵異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制方法研究

北京建筑工程學(xué)院 劉辛國(guó)

本文闡述了空調(diào)水系統(tǒng)中冷卻水循環(huán)水泵電機(jī)的壓差控制、溫差控制和變頻控制這三種控制方式的原理，對(duì)這三種控制方式的節(jié)能效果進(jìn)行了分析比較，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，說(shuō)明了負(fù)荷變化時(shí)三種運(yùn)行方式的水泵節(jié)能情況。

水泵 電機(jī) 壓差控制 溫差控制 變頻調(diào)速

在中央空調(diào)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，冷凍水在冷凍機(jī)組中進(jìn)行熱交換，在冷凍泵的作用下，將溫度降低了的冷凍水（稱(chēng)出水）加壓后送入末端設(shè)備，使房間的溫度下降，然后流回冷凍機(jī)組（稱(chēng)回水），如此反復(fù)循環(huán)（是一個(gè)閉式系統(tǒng)）；在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，冷卻水吸收冷凍機(jī)組釋放的熱量，在冷卻泵的作用下，將溫度升高了的冷卻水（稱(chēng)出水）壓入冷卻塔，在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后溫度降低了的冷卻水（稱(chēng)進(jìn)水）又流進(jìn)冷凍機(jī)組，如此不斷循環(huán)，（通常是一個(gè)開(kāi)式系統(tǒng)）。

中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的示意圖

我們建立了一個(gè)中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)直觀且便于操作的雙水泵模擬供水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可對(duì)冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，可監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各點(diǎn)進(jìn)出口溫度、壓力、流量，可對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制、并可監(jiān)測(cè)水泵電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)，通過(guò)模擬各種負(fù)荷情況下水泵運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，獲得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，以下論述的循環(huán)水泵電機(jī)的三種控制方式都是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，下述論證也是基于這些實(shí)驗(yàn)得到的。

空調(diào)水系統(tǒng)變流量水泵的控制方法主要有：壓差控制、溫差控制以及變頻控制。壓差控制方法又分為定壓差控制法和變壓差控制法。圖2和圖3分別為典型溫差控制與壓差控制原理圖。

圖2 溫差控制水泵變轉(zhuǎn)速原理圖

圖3 壓差控制水泵變轉(zhuǎn)速原理圖

兩圖中 L—制冷機(jī)組 P—水泵 F—風(fēng)機(jī)盤(pán)管 Tr—變頻器

DT—溫差控制器 DP—壓差控制器 T1—回水溫度傳感器

T2—供水溫度傳感器 P1—回水壓力傳感器 P2—供水壓力傳感器

一、溫差控制

對(duì)于溫差控制方式，它是以冷凍水系統(tǒng)中供水管和回水管的溫度值，或者供回水的溫差作為控制器的采樣輸入信號(hào)的，本系統(tǒng)中供回水的溫度值或者其溫差值都是通過(guò)與PLC相連的溫度擴(kuò)展模塊來(lái)檢測(cè)并傳送的，控制器將該輸入的溫度信號(hào)與內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的鎖定值進(jìn)行比較，得到實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)需要的頻率值來(lái)輸出控制信號(hào)，從而控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，繼而冷凍水系統(tǒng)管路中的的流量和揚(yáng)程也隨之變化以滿足系統(tǒng)負(fù)載量變化的要求。

此外，當(dāng)各支路正常運(yùn)行所要求的壓差各不相同，如果僅僅依靠唯一的定壓差值來(lái)控制時(shí)，則要求該定壓差值能保證所有空調(diào)用戶都能正常運(yùn)行，否則，有可能出現(xiàn)部分用戶空調(diào)效果差或失效的現(xiàn)象。

溫差控制法具體方式既是通過(guò)控制供、回水溫差△t來(lái)控制水泵的運(yùn)行。一般是保持制冷機(jī)組的供水溫度不變（<7℃），供、回水溫差恒定（△t=5℃），當(dāng)空調(diào)負(fù)荷變化時(shí)，通過(guò)改變水泵的流量來(lái)調(diào)節(jié)供、回水溫差，使之恒定不變。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷下降時(shí)，如果流量保持不變，回水溫度下降，△t相應(yīng)變小，此時(shí)通過(guò)溫差控制器、變頻器降低水泵轉(zhuǎn)速，減少空調(diào)系統(tǒng)的水流量，讓△t保持5℃。此時(shí)水泵能耗是以轉(zhuǎn)速三次方的關(guān)系在遞減（實(shí)際上稍有減少），從而起到節(jié)能降耗的作用。

溫差控制方式的特點(diǎn)是：溫度采樣點(diǎn)離系統(tǒng)負(fù)載變化點(diǎn)有一定的距離，冷凍水在管道中流動(dòng)過(guò)程中很容易受外界環(huán)境溫度等的干擾。而且，只有當(dāng)冷凍水經(jīng)過(guò)一次循環(huán)以后，其進(jìn)水和回水的溫度變化才能反映出來(lái)，這就導(dǎo)致溫度控制的及時(shí)性較差。溫差控制方式雖能在一定程度上穩(wěn)定系統(tǒng)總的供、回水溫度，但不能根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載量的變化來(lái)準(zhǔn)確地分配各用戶所需要的冷凍水量并提供適當(dāng)?shù)乃畨骸臏囟然驕夭羁刂频奶攸c(diǎn)來(lái)看，這種方式比較適合于用戶端不設(shè)調(diào)節(jié)閥或帶有旁通管的冷凍水系統(tǒng)。

對(duì)于采用二通閥，尤其是采用溫度調(diào)節(jié)閥而不設(shè)旁通管的系統(tǒng)，負(fù)荷減小時(shí)，由于空調(diào)末端的冷凍水進(jìn)出水溫差能基本上不變或變化很?。ㄖ饕ㄟ^(guò)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)冷凍水流量，從而控制換熱盤(pán)管的換熱量溫差基本不變），用其作為被控變量將很難獲得好的控制效果。而對(duì)有旁通管的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，在供回水總管壓差控制下，旁通管上的旁通閥開(kāi)度隨之變化，旁通的溫度較低的冷凍水與溫度較高的用戶端回水相混合，引起總的回水溫度或供回水溫差的變化，控制器根據(jù)這種變化發(fā)出指令調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，以減小旁通流量來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。因此，采用溫度或溫差控制的空調(diào)冷凍水泵變頻系統(tǒng)，要求所檢測(cè)到的冷凍水溫度或溫差隨負(fù)荷有較明顯的變化。

二、壓差控制

而對(duì)于差壓控制方式，系統(tǒng)采用的是冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中的壓差信號(hào)，受外部環(huán)境溫濕度的干擾較小，反應(yīng)較快、較靈敏，一旦系統(tǒng)中某處壓力產(chǎn)生變化時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)感應(yīng)到并立刻采取控制動(dòng)作。由于靜壓傳遞，系統(tǒng)中任何位置的負(fù)載量發(fā)生變化都能在出口壓力檢測(cè)點(diǎn)反映出來(lái)，而進(jìn)出口的壓差與系統(tǒng)的揚(yáng)程、流量都有密切關(guān)系，可以比較準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)內(nèi)部冷凍水的變化情況和系統(tǒng)負(fù)載量的變化，即實(shí)際系統(tǒng)中空調(diào)用戶數(shù)量與位置的變化。

在壓差控制方式中，系統(tǒng)是在水泵的進(jìn)出口分別裝了壓力傳感器，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，分別讀取進(jìn)口壓力和出口壓力值，取其壓差?P作為變頻控制器的采樣輸入信號(hào)，從而決定變頻器的頻率，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載量改變時(shí)，由于相應(yīng)管路上閥門(mén)開(kāi)度的自動(dòng)變化而引起管路上壓差的改變，控制器檢測(cè)到這一變化后，按照其內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的PID控制算法計(jì)算出該變化值，并產(chǎn)生輸出信號(hào)控制冷凍水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，繼而該管路的流量和揚(yáng)程相應(yīng)的發(fā)生變化來(lái)適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷的變化。

由于定壓差控制法是通過(guò)恒定供、回水干管或者最遠(yuǎn)盤(pán)管與調(diào)節(jié)閥之間壓差來(lái)控制水泵的運(yùn)行。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往簡(jiǎn)單地把生活給水設(shè)計(jì)中的恒壓變量用于閉式循環(huán)的空調(diào)水系統(tǒng)控制。由于在開(kāi)式給水系統(tǒng)中，系統(tǒng)靜壓起主要作用，管道特性對(duì)恒壓影響較小，恒壓變流量可以很好地滿足節(jié)能運(yùn)行要求；但是，在閉式循環(huán)中的空調(diào)水系統(tǒng)則不然，其原因有三個(gè)：①循環(huán)水泵僅僅提供系統(tǒng)的循環(huán)壓力，而與系統(tǒng)靜壓無(wú)關(guān)；②變流量系統(tǒng)的循環(huán)壓差是一個(gè)受多方面影響的多元函數(shù)，恒壓差實(shí)際不能滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求；③系統(tǒng)循環(huán)流量變化與季節(jié)和室內(nèi)負(fù)荷變化及運(yùn)行方式有關(guān)。因此，在閉式循環(huán)空調(diào)水系統(tǒng)中采用恒壓變流量控制時(shí)，只有在系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量運(yùn)行條件下，循環(huán)水泵在最高工作點(diǎn)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于水泵工作特性曲線與系統(tǒng)運(yùn)行管道特性工作點(diǎn)偏移，水泵轉(zhuǎn)速改變前后的工作點(diǎn)為非相似工況點(diǎn)，此時(shí)水泵運(yùn)行軸功率變化實(shí)際上并不符合與流量變化成正比，與轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系。當(dāng)循環(huán)水量變化時(shí)，水系統(tǒng)循環(huán)需要壓差因系統(tǒng)循環(huán)水量減小而降低，恒壓變流量控制則要求系統(tǒng)壓差不變，就必定要系統(tǒng)末端部分環(huán)路及閥門(mén)來(lái)消耗掉多余的壓差，造成能源浪費(fèi)。

變壓差控制法則是根據(jù)系統(tǒng)流量的變化，改變壓差來(lái)控制水泵的運(yùn)行。變壓差流量系統(tǒng)控制的要點(diǎn)是通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)流量的變化來(lái)控制穩(wěn)定其工作點(diǎn)。盡管變流量控制思想能夠很好地與閉式循環(huán)水系統(tǒng)的管道特性一致，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力，但是，由于空調(diào)水系統(tǒng)是復(fù)雜的系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各點(diǎn)的壓力都是變化的，這樣，不利于變壓差的確定，因此，實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很困難的。

從上面的比較可以看出，單一地采用上述兩種方法中的一種，都存在一定的弊端。但是，不管采用那種控制方法，水泵的轉(zhuǎn)速不能根據(jù)流量的減小而無(wú)限地減小，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速過(guò)小時(shí)，水泵的功率也很小。這樣，從能量角度來(lái)分析，固然可以符合風(fēng)機(jī)盤(pán)管冷量（夏季）供應(yīng)的需求，但是，當(dāng)水泵的功率很小時(shí)，其提供的揚(yáng)程也小，從動(dòng)力的角度分析，可能不能把冷水送到最不利環(huán)路末端的風(fēng)機(jī)盤(pán)管。

三、變頻控制

采用交流變頻技術(shù)控制水泵的運(yùn)行，是目前中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途經(jīng)之一。如圖4給出了閥門(mén)調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控制兩種狀態(tài)的揚(yáng)程-流量（H-Q）關(guān)系。

圖4 水泵揚(yáng)程-流量（H-Q）關(guān)系曲線

圖4中，曲線①為泵在轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的Q-H性能曲線，曲線②為泵在轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的Q-H性能曲線，曲線③為閥門(mén)關(guān)小時(shí)的管組特性，曲線④為閥門(mén)正常時(shí)的管組特性。A、B、C為水泵的工況點(diǎn)。水泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。在流體力學(xué)中，泵消耗的軸功率為：

式中

ρ，P——為電動(dòng)機(jī)的軸功率（kW）——為液體的密度（）

H——為揚(yáng)程（m）

Q——為流量（m3/s）

ηc——為傳動(dòng)裝置效率

ηf——為泵的效率

由表達(dá)式（1）可知，軸功率與Q、H的乘積成正比。在工況點(diǎn)A，軸功率P1與Q1、H1的乘積（即面積AH1OQ1）成正比，根據(jù)工藝要求，當(dāng)流量需從Q1變?yōu)镼2時(shí)，如采用調(diào)節(jié)閥門(mén)的方法（相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力），使管阻特性曲線從曲線④變到曲線③，系統(tǒng)由原來(lái)的工況點(diǎn)A變到工況點(diǎn)B運(yùn)行，從圖示可以看出，壓頭反而增加為H2，軸功率與面積BH2OQ2成正比，顯然減少不多。如果采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速由n1降到n2，泵在轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的Q-H性能曲線如曲線②所示，可見(jiàn)在同樣流量Q2時(shí)，壓頭H3大幅度降低，功率（與面積CH3OQ2成正比）明顯減少，節(jié)省的功率與面積BH2H3C成正比，很顯然節(jié)能效果顯著，即便考慮到因轉(zhuǎn)速的降低而引起效率的降低及附加控制裝置的效率的影響等，但是節(jié)電效果仍十分明顯。此外，電機(jī)消耗的功率不僅決定于泵，還和調(diào)速的方法有關(guān)，如果電動(dòng)機(jī)的滑差損耗很大，節(jié)電效果就大打折扣了。變頻調(diào)速器是一種高效調(diào)速裝置，它與滑差調(diào)速、液力耦合調(diào)速不同，沒(méi)有滑差損耗，本身的固有損失僅為1%～2%，因此變頻器的輸入功率在任何速度下都近似等于泵的軸功率。對(duì)于泵、風(fēng)機(jī)等流體機(jī)械，流量或風(fēng)量是與轉(zhuǎn)速成正比的，而軸功率是與轉(zhuǎn)速的三次方成正比的，因此：

式中：nz、PZ、Qz分別為泵的額定轉(zhuǎn)速、額定軸功率和額定流量。

結(jié)合式（1）和式（2）可知，如果采用變頻調(diào)速時(shí)，變頻器消耗功率為：

如果采用閥門(mén)調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)消耗功率近似為：

從式（3）和式（4）可以看出，當(dāng)流量Q變?yōu)轭~定流量的50%時(shí)，采用變頻調(diào)速時(shí)消耗的功率為0.125Pz，采用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率為0.7Pz，節(jié)電率為82.1%。節(jié)電效果時(shí)相當(dāng)可觀的。中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷凍機(jī)組和冷卻塔風(fēng)機(jī)均可采用變頻調(diào)速來(lái)控制。

一般來(lái)說(shuō)，中央空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)載能力是按照天氣最熱，負(fù)荷最大的條件來(lái)設(shè)計(jì)的，并且留有10%～20%的設(shè)計(jì)裕量，這樣就存在著很大能量冗余，但實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)極少在這些極限條件下工作，所以存在很大的節(jié)能空間。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)系統(tǒng)在97%的時(shí)間運(yùn)行在70%負(fù)荷以下，并時(shí)刻波動(dòng)著，所以實(shí)際負(fù)荷總不能達(dá)到設(shè)計(jì)的滿負(fù)荷，特別是冷氣需求量少的情況下，主機(jī)負(fù)荷最低。為了保證有較好的運(yùn)行狀態(tài)和較高的運(yùn)行效率，我們就希望主機(jī)能在一定范圍內(nèi)根據(jù)負(fù)載的變化來(lái)加載或卸載，但與之相配套的冷卻水泵卻仍在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，這樣就存在很大的能量損耗，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)以下一系列問(wèn)題：①水流量過(guò)大使循環(huán)水系統(tǒng)的溫差降低，惡化了主機(jī)的工作條件、引起主機(jī)熱交換效率下降，造成額外的電能損失；②由于水泵流量過(guò)大，通常都是通過(guò)調(diào)整管道上的閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水和冷凍水流量，因此閥門(mén)上存在著很大的能量損失；③水泵通常采用Y-△起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流仍然較大，會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)帶來(lái)一定沖擊；④傳統(tǒng)的水泵起、?？刂撇荒軐?shí)現(xiàn)軟起、軟停，在水泵起動(dòng)和停止時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對(duì)管網(wǎng)造成較大沖擊，增加管網(wǎng)閥門(mén)的冒泡滴漏現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，由于中央空調(diào)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行效率低、能耗較大、存在許多弊端，并且屬于長(zhǎng)期運(yùn)行的設(shè)備，因此，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造是完全必要的。

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