二次泵變頻系統(tǒng)比較適合系統(tǒng)大、空調(diào)負(fù)荷變化大、能源中心與空調(diào)建筑相對(duì)位置較遠(yuǎn)的情況。本文以一大型工廠制冷站為例，對(duì)一次泵和二次泵水系統(tǒng)變流量控制進(jìn)行能耗分析。

1、工程概況

江蘇某工廠項(xiàng)目占地面積45萬m?，建筑面積20萬m?，設(shè)有五大車間。所有生產(chǎn)車間的供冷、供熱都由制冷站負(fù)擔(dān), 總冷負(fù)荷為50MW，總熱負(fù)荷為12.4MW。配置直燃雙效溴化鋰吸收式機(jī)組13臺(tái)；螺桿式冷水機(jī)組3臺(tái)；初級(jí)泵15臺(tái)，每臺(tái)流量608m?/h，揚(yáng)程15m，功率37kW；次級(jí)泵8臺(tái)，每臺(tái)流量1140m?/h，揚(yáng)程47m，功率200kW。整個(gè)冷水循環(huán)系統(tǒng)采用次級(jí)泵變流量、初級(jí)泵定流量，水系統(tǒng)圖見圖1。

2、運(yùn)行工況

在冷水二次泵變流量系統(tǒng)中，次級(jí)泵負(fù)責(zé)將冷水分配給用戶，初級(jí)泵滿足一次循環(huán)回路中的流量恒定。初級(jí)泵回路與次級(jí)泵回路通過連通管連接，這樣次級(jí)泵不受最小流量的限制，可采用二通閥加變頻器來控制流量。制冷站供回水溫差5 ℃，供水溫度7 ℃。計(jì)算得到的各車間需冷量及冷水流量見表1

實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，各車間和制冷站水量基本滿足設(shè)計(jì)流量。由表1可以看出，4號(hào)車間需要的冷量最大，超過總冷量的50%。在空調(diào)運(yùn)行期間，連通管起到了調(diào)節(jié)出水水溫的作用，部分冷水經(jīng)連通管直接與回水混合，降低了回水溫度，這樣保證了有特殊工藝要求的油漆車間供水溫度不高于7℃。由于工廠生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)熱源多、機(jī)器散熱量大，在春季較早時(shí)間(5 月初)就需要供冷，而到秋季較晚(11 月底)才能停止供冷，所以供冷時(shí)間較長(zhǎng)。以車身車間為例，取室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度26 ℃、相對(duì)濕度55 %計(jì)算不同室外溫度下的各種冷負(fù)荷值，結(jié)果見圖2 。

由圖2可看出室外溫度變化時(shí)各種負(fù)荷的變化趨勢(shì)，其中車間內(nèi)部冷負(fù)荷所占比例很大，而且很穩(wěn)定。當(dāng)室外溫度為20～ 23 ℃時(shí)，開始有供冷需求，但只是在室外氣溫高于或等于34 ℃(江蘇省夏季室外計(jì)算溫度)時(shí)，系統(tǒng)才滿負(fù)荷運(yùn)行，也就是說空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷下運(yùn)行。

3、變頻控制水系統(tǒng)的能耗分析

3.1、水泵變頻節(jié)能機(jī)理

圖3為水泵的性能曲線與管網(wǎng)特性曲線的關(guān)系圖。圖中，S1，S2 為管網(wǎng)的性能曲線，取決于管網(wǎng)的特性(水路中的管道、連接件、閥門及組合空調(diào)箱的阻力特性)，且隨閥門開啟度的變化而變化；Ⅰ，Ⅱ?yàn)樗玫牧髁亢蛽P(yáng)程之間的關(guān)系特性曲線，電流頻率改變引起水泵的轉(zhuǎn)速改變，其特性曲線也隨著發(fā)生變化。

在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行，運(yùn)行點(diǎn)就是水泵特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)1。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)二通閥關(guān)小或末端某個(gè)空調(diào)箱停機(jī)，末端水量由Q1變至Q2，系統(tǒng)阻力增加，引起管網(wǎng)特性曲線由S1變化至S2，如果此時(shí)水泵恒速工作, 要使水泵流量變?yōu)镼2，就必須關(guān)小泵后閥門，使系統(tǒng)阻力從p2增至p3，水泵在點(diǎn)3 工作。此時(shí)系統(tǒng)的流量減少，要求較小的壓力，但水泵壓力不僅沒有降低，反而升高了，只有靠關(guān)小閥門增加阻力來保證流量。這樣水泵工作點(diǎn)脫離高效區(qū)，造成能源的浪費(fèi)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的升高，是很不合理的。

水泵系統(tǒng)增加變頻調(diào)速器可使其從恒速狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽兯僮兞髁繝顟B(tài)，從而節(jié)省能源并增強(qiáng)了控制能力，同時(shí)避免了控制閥壓力過大的現(xiàn)象。對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，存在關(guān)系式：n=60f/m（1）

式中n 為電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速；f 為交流電頻率；m為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。即水泵轉(zhuǎn)速與電流頻率成正比。變頻器根據(jù)系統(tǒng)要求運(yùn)行，當(dāng)末端空調(diào)箱的二通閥關(guān)小或末端空調(diào)箱停機(jī)時(shí)，末端的流量減至Q2，管網(wǎng)特性曲線變?yōu)镾2，水泵變頻后特性曲線由Ⅰ變至Ⅱ，水泵流量由Q1變至Q2，揚(yáng)程變?yōu)閜2 ，此時(shí)的工作點(diǎn)為圖3 中的點(diǎn)2，不需要關(guān)小閥門來增加系統(tǒng)阻力，從而降低了能耗。

3.2、二次泵變頻控制系統(tǒng)能耗分析

在空調(diào)能耗計(jì)算中，溫度頻率法是一種實(shí)用簡(jiǎn)化的分析方法，使用簡(jiǎn)便，精度又能滿足全年能耗分析的要求。以車身車間為例估算整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷率。取室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為26℃，相對(duì)濕度55%，計(jì)算不同溫度下的負(fù)荷率和水泵功率。在圖3中，點(diǎn)1 和點(diǎn)2 并不滿足水泵相似定律，即水泵消耗的功率不與流量的三次方成正比，而是介于一次方和三次方之間。為了便于計(jì)算，仍按三次方關(guān)系計(jì)算不同負(fù)荷率下的次級(jí)泵功率。根據(jù)江蘇的溫度頻率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列出表2 。

從表2 可以看出，在部分負(fù)荷下變頻次級(jí)泵總耗電量為不變頻時(shí)的74%(不包括初級(jí)泵耗電量)，雖然二次泵變頻控制系統(tǒng)的初投資較大，但其運(yùn)行費(fèi)用會(huì)降低。

另外，在圖1中，次級(jí)泵是并聯(lián)在一起的，每臺(tái)泵的揚(yáng)程都必須大于額定工況下最不利環(huán)路的阻力，近端用戶只能靠增加阻力(選小管徑或關(guān)小閥門)使系統(tǒng)阻力平衡，造成不必要的能源浪費(fèi)。如果對(duì)各用戶的次級(jí)供水泵分開布置(如圖5)， 并采取變頻控制, 將更有利于初投資的減少和節(jié)能。比如離制冷站較近的沖壓車間和油漆車間空調(diào)箱在滿足流量的前提下配置揚(yáng)程較小(不足47m)的次級(jí)泵，其功率也隨之降低，而較遠(yuǎn)車間空調(diào)箱配置揚(yáng)程大的水泵。這樣使資源的配置更加優(yōu)化和合理，降低了初投資和運(yùn)行費(fèi)用。

3.3、一次泵變流量系統(tǒng)

為了保護(hù)蒸發(fā)器，傳統(tǒng)的制冷機(jī)設(shè)計(jì)盡量使通過蒸發(fā)器的水流量保持恒定。如果水流量下降太快，超過制冷機(jī)安全范圍內(nèi)的反應(yīng)能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致非正常關(guān)機(jī)，甚至可能會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)冰、管道損壞以及設(shè)備停止運(yùn)行。所以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大都是初級(jí)泵定流量、次級(jí)泵變流量設(shè)計(jì)，即二次泵變流量系統(tǒng)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，設(shè)置前饋反應(yīng)控制、有即時(shí)反應(yīng)能力的控制系統(tǒng)可以使蒸發(fā)器在水流量變化(不低于其最小流量)時(shí)，也能正常工作。所以人們開始重視一次泵變流量系統(tǒng)(圖6)。根據(jù)空調(diào)生產(chǎn)廠家的選型數(shù)據(jù)，對(duì)于螺桿機(jī)，制冷機(jī)最小流量應(yīng)是設(shè)計(jì)流量的50%～ 60%；對(duì)于離心機(jī)，最小流量應(yīng)是設(shè)計(jì)流量的25%～35%;而對(duì)于溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其制冷溫度只要在0℃以上，凍結(jié)的危險(xiǎn)就很小，所以其最小冷水流量會(huì)更小。

很顯然，采用一次泵變流量系統(tǒng)，無論初投資還是運(yùn)行費(fèi)用都是更加節(jié)省的，因?yàn)闇p少了冷水泵的臺(tái)數(shù)，但自控要求將更高。實(shí)測(cè)可知，通用公司制冷站二次泵變流量系統(tǒng)，初級(jí)泵揚(yáng)程12.3m 就可滿足系統(tǒng)要求，次級(jí)泵揚(yáng)程僅需31m 。顯然，一次回路和二次回路水泵均考慮了較大余量。如采用一次泵變流量系統(tǒng)，不設(shè)次級(jí)泵，總水流量9120m?/h，揚(yáng)程按原二次泵變流量系統(tǒng)的兩個(gè)回路(一次回路和二次回路)疊加后43.3m 進(jìn)行選泵，選取流量1150m3/h、揚(yáng)程52m、功率200 kW的水泵8臺(tái)就可。仍以車身車間估算整個(gè)系統(tǒng)的部分負(fù)荷率，對(duì)一次泵變流量系統(tǒng)和二次泵變流量系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析比較，列于表3。

可見，一次泵變流量系統(tǒng)水泵的總耗電量是整個(gè)二次泵變流量系統(tǒng)的68%，使用一次泵變流量系統(tǒng)將更加節(jié)省能源，從而也降低了運(yùn)行費(fèi)用。但由于人們對(duì)一次泵變流量系統(tǒng)的可靠性還不放心，所以現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用較少。但不容否認(rèn)，其節(jié)能效果是非常好的，相信在以后幾年中，隨著各種技術(shù)的進(jìn)步，一次泵變流量系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用。

4、結(jié)論

4.1、水泵變頻控制技術(shù)運(yùn)用在空調(diào)水系統(tǒng)中可以節(jié)省能源，從而降低運(yùn)行費(fèi)用。通過分析通用公司空調(diào)冷水系統(tǒng)能耗，得出該制冷站在次級(jí)泵變頻后，耗電量不變頻的74%，這對(duì)于大型生產(chǎn)廠房來說，節(jié)電量是可觀的。

4.2、在次級(jí)泵變流量系統(tǒng)中，由于到各用戶的分支管路阻力不同，導(dǎo)致對(duì)次級(jí)泵的揚(yáng)程要求不同。如能將次級(jí)泵分開配置，運(yùn)行就會(huì)變得更靈活，更加節(jié)能。

4.3、在該系統(tǒng)中若采用一次泵變流量系統(tǒng)，其耗電量為二次泵變流量系統(tǒng)的68%。