空调系统冷冻水循环水泵变频运行的变温差控制.pdf

* 江苏省 2010 年度 “六大人才高峰” 资助项目 2010-JZ- 006 。 空调系统冷冻水循环水泵变频运行的变温差控制 * 黄建恩吕恒林冯伟 中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116 摘要 在分析空调系统变流量运行调节的基础上， 提出了变温差控制并给出了控制方案。变温差控制过程不仅具有负 反馈， 而且具有正反馈， 能较好的适应空调负荷的变化。比较分析了变温差控制、 定温差控制、 定压差控制的节能性， 变温差控制的节能潜力最大， 是一种最佳控制方式。 关键词 空调系统;循环水泵;变频;变温差控制;节能 VARIABLE TEMPERATURE DIFFERENCE CONTROL OF VARIABLE FREQUENCY CHILLED WATER CIRCULATING PUMP IN AIR CONDITIONING SYSTEM Huang JianenL HenglinFeng Wei School of Mechanics ＆ Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China AbstractVariable temperature difference control and control scheme are put forward based on the operation regulation analysis of variable flow control of air conditioning chilled water． Not only negative feedback but also positive feedback being included，it can be fitted to the change in air-conditioning load well． It is an optimal control and the potential of energy conservation of variable temperature difference control is supreme compared to constant temperature difference control，and constant pressure difference control． Keywordsair conditioning system;circulating pump;variable frequency;variable temperature difference control;energy conservation 0引言 在空调季节， 用户冷负荷随外界气候条件变化而 变化。为保证空调质量， 满足使用要求， 并使空调系 统经济合理运行， 必须对空调系统的运行工况进行调 节。当用户冷负荷减小时， 利用循环水泵的变频调节 改变冷冻水循环流量， 可有效的减小输送能耗， 实现 空调系统的经济运行。目前， 通常的控制方式有压差 控制、 温差控制和阀位控制 ［1- 2］。文献［ 2］分析了空 调变水量系统水泵变频的相关问题， 指出末端设备的 热力特性要求部分负荷下末端设备的温差增大， “这 样恒定回水温度便是不可取的” 。“恒定供回水温差 也是欠妥的， 因为必须保证在减少流量的同时升高供 水温度， 否则温差会增加” 。实际工程的温差控制手 段只是用来消除系统大流量小温差的弊端。定压差 变水量系统由于存在固定压差， 并没有实现最大的节 能潜力; 阀位控制可以解决压差控制的缺点， 具有多 点检测、 重点保障及消除固定压差的优点， 但由于存 在测点数目多且需要远传， 实现难度大， 不便于推广 应用。文献［ 3］分析了供回水干管压差保持恒定的 压差控制的不节能性， 并指出有的案例用了该种控制 方式有显著的节能效果， 是消除了水泵容量选择过大 这一设计毛病的结果。文献［ 4］指出“恒压差控制的 最大缺点， 也是它的致命缺点， 就在于冷冻水系统的 负荷与压差之间没有直接的关系， 空调负荷的变化不 能准确地通过压差的变化来描述中央空调系统 的大部分时间是在部分负荷下运行， 而部分负荷时系 统的压差几乎不变或变化甚小， 这时恒压差控制的准 确性和有效性都很差， 甚至出现控制失效或错误的控 制结果” 。可见， 采用正确的变频控制策略是实现变 频节能的重要前提和基础。实现循环水泵变频调节 的具体方法有待进一步深化研究。本文将针对目前 的变频调节方式， 从理论上分析其节能潜力， 并在此 基础上提出变温差控制策略， 供广大设计人员参考。 301 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 1水泵变频节能原理 变频调速运行的节能性是由水泵的机械负载特 性决定的。水泵的负载转矩与转速的二次幂成正比， 轴功率与转速的三次幂成比例 ［5］。水泵流量与转速 成正比， 因此， 当调节流量时可以通过调节转速来进 行。由电磁学原理三相异步电动机的转速与供电电 源的频率有如下关系 n 60f 1 － s /p 式中 n 电动机的转速， r/min; f 供电电源的频率， Hz; s 异步电动机的转差率; p 电动机的磁极对数。 所以， 可以通过改变供电频率来改变电动机的转 速， 进而达到调节流量的目的。由于水泵的轴功率与 转速的三次幂成比例， 当转速减小时水泵所需的轴功 率大大减小， 节能效益十分显著。 根据水泵的相似定律， 在相似工况点有如下关系 成立 P1 P2 n1 n 2 3 式中 P1、 P2分别为水泵在转速 n1 和 n2时的功率。 可见， 采用的变频控制方法需要在满足用户冷负荷的 前提下， 尽量降低水泵的转速， 以便尽可能多的节约 能量。 2风机盘管系统调节的基本公式 对于新风处理到室内状态等焓点的新风 风机 盘管空调系统， 室内风机盘管的调节只需根据室内负 荷的变化进行相应的调整， 在变工况下风机盘管的冷 量可按式 1 计算 ［6］ 珚 Q ts－ tw ts－ t w W W n exp［ m ts－ ts ］ exp［ p tw－ tw ］ 1 式中珚Q 为实际工况下的冷量和额定工况下的冷量之 比，珚Q Q /Q0， Q为实际工况下的冷量， kW; Q 0为额 定工况下的冷量， kW; ts为额定工况下的进风湿球温 度， ℃ ; tw为额定工况下的进水温度， ℃ ; W 为额定工 况下的冷水量， kg/s; ts为实际工况下的进风湿球温 度，℃ ; tw为实际工况下的进水温度，℃ ; W为实际 工况下的冷水量， kg/s; n、 m、 p 为系数， n 0. 284 两 排管 ， n 0. 426 三排管 ， m 0. 02， p 0. 00167。 明确风机盘管系统变流量运行时冷量变化、 温差 变化和冷冻水温度变化的特点和规律是实现有效而 可靠的变流量控制的前提和基础。下面将对风机盘 管系统变流量运行的冷量变化和循环水温差、 冷冻水 温度的变化展开讨论。 3风机盘管系统变流量运行的调节方式 要实现循环水泵变频运行的节能目的， 选定的调 节方式必须能够在满足用户负荷需要的前提下获得 较小的循环流量。从空调用户的水循环侧， 有如方程 式 2 、 式 3 所示 Q cW th－ tw 2 珚 Q th－ tw th－ t w W W 3 式中 Q为某一实际工况下能够向用户提供的冷量 在稳态时 Q也是用户需要的冷负荷 ， kW; th、 th分 别为实际工况和额定工况下的回水温度，℃ ; c 为热 水的质量比热， c 4. 187 kJ/ kg ℃ ， 其余符号含义 同前。 当室外温度提高， 用户需要的冷负荷减小时， 选 定的控制方案需同时满足式 1 和式 3 。风机盘管 制冷额定工况为进口空气状态干球温度27 ℃ ， 湿球 温度19. 5 ℃ ， 供水温度7 ℃ ， 供回水温差5 ℃ ; 假设在 调节过程中室内参数恒定， 室温26 ℃ ， 相对湿度 55 实际运行过程中温度、 相对湿度是波动的， 此假定 只是方便问题的分析 。在用户的需冷量既珚Q 一定 的情况下， 式 1 和式 3 组成的方程组中有 tw、 th、 W三个未知数， 只有两个方程， 需要补充一个条件方 能求出调节工况下风机盘管系统的供回水温度和循 环水流量。 保持供水流量不变， 可以求出相应的供水温度和 回水温度， 但输送能耗大， 不经济; 采用变频变流量控 制可以实现空调系统的经济运行。本文将讨论温差 控制的控制策略。 采用温差调节时， 不外乎两种方式 定温差和变 温差。 1 保持供回水温差不变， 使之等于设计供回水 温差， 可以获得相应工况下的流量。通过变频调节， 改变循环水泵的运行频率， 使循环水泵在该流量下运 行即可 以下称之为定温差调节 。 2 既改变供回水温差， 又减小循环流量 以下称 之为变温差调节 。 3. 1定温差调节 对于定温差调节有 th－ tw th－ tw， 由式 1 、 式 3 可得式 4 401 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 W W 1 －n ts－ tw ts－ t w exp［ m ts－ ts ］ exp［ p tw－ tw ］ 4 根据公式 4 ， 对三排管风机盘管采用定温差调 节时的相对流量比和相应的供水温度、 回水温度计算 结果见表 1。 表 1风机盘管变流量调节参数变化 相对 冷量比 定温差调节 Δt 5 ℃ 变温差调节 tw tw 7 ℃ 相对流 量比 供水 温度 / ℃ 回水 温度 / ℃ 回水 温度 /℃ 计算 温差 / ℃ 相对 流量比 1. 001. 007. 1512. 1512. 145. 140. 97 0. 950. 957. 5212. 5212. 515. 510. 86 0. 900. 907. 9012. 912. 935. 930. 76 0. 850. 858. 2913. 2913. 406. 400. 66 0. 800. 808. 6813. 6813. 956. 950. 58 0. 750. 759. 0814. 0814. 587. 580. 49 0. 700. 709. 5014. 5015. 328. 320. 42 0. 650. 659. 9314. 9316. 199. 190. 35 0. 600. 6010. 3715. 3717. 2310. 230. 29 从表 1 可以看出 采用定温差调节必须同时对流 量和供水温度进行调节才能实现。在保持供水温度 不变的条件下无法实现定温差调节， 这是由风机盘管 的特性所决定的。 3. 2变温差调节 对于变温差调节方式， 需要进一步给出温差的变 化方式， 式 1 、 式 3 构成的方程组才有确定的解。 为减少控制环节， 便于运行管理， 同时保证风机盘管 具有一定的除湿能力， 设定在供冷调节过程中保持冷 冻水供 水 温 度 不 变， 即 tw tw 7 ℃ ， 由 式 1 、 式 3 可解得式 5 th tw th－ tw 珚 Qn－1 ts－ tw ts－ tw exp m ts－ ts [] 1 /n 5 对三排管风机盘管采用变温差调节时在相对冷 量比一定的情况下相对流量比和回水温度计算结果 见表 1。 从表 1 可以看出 1 在供水温度不变的情况下， 当负荷减小时， 回水温度需要升高， 才能保证循环温 差的增大。因此， 在固定供水温度的情况下， 定温差 运行是不可行的。2 在变温差运行下流量减小比较 快， 当相对冷量比为 0. 8 时， 流量比仅为 58 。由于 空调系统的固有特性， 在小流量时会引起比较大的水 力失调， 导致供冷质量下降。而且， 冷冻水流量的最 小值还受空调主机最小流量的限制。因此， 为提高空 调系统运行的质量和安全性， 空调冷冻水系统变流量 控制时最小流量一般取额定流量的 60 ［7- 8］。 3. 3定温差和变温差调节情况下的流量对比 表 1 为根据定温差和变温差的运行调节公式计 算出的某一供冷负荷下的供水温度、 回水温度、 供回 水温差、 相对冷量比和相对流量比。 从表 1 可以看出 部分负荷时变温差调节方式的 流量迅速减小， 而且小于相同条件下定温差调节的相 对流量比。这主要是由两种调节方式下空调冷冻水 系统的循环温差不一样造成的。尽管两种调节方式 循环温差和循环流量不一样， 但是空调系统末端设备 风机盘管的相对冷量比一致， 均能满足空调用户的供 冷需求。 4变温差和定温差调节的变频控制方案 4. 1变温差控制方案 采用变温差方式时， 在整个空调季节供水温度保 持不变。从表 1 可以看出 该调节方式要求同时改变 空调系统运行的供回水温差和循环水泵运行的流量。 为此， 需要改变循环水泵运行的频率以适应新的运行 工况。控制方案如图 1 所示。该控制方案的特点是 随着用户冷负荷的变化， 需要随时改变控制器中控制 温差的设定值以适应用户冷负荷的变化。供回水温 差按变温差调节公式计算。 图 1变温差控制方案 4. 2定温差控制方案 采用定温差方式时， 在整个空调季节冷冻水系统 循环温差保持不变。从表 1 可以看出 冷冻水系统运 行时供水温度需要随负荷的减小而提高。为实现这 一控制目标， 这时既需要改变水泵运行的频率以适应 新的运行工况， 又需要调整冷水机组的供水温度。控 制方案如图 2 所示。该控制方案通过改变循环水泵 的运行频率实现循环水泵的变流量; 同时， 根据用户 负荷的变化情况及时调整制冷机组冷冻水的出口温 度。在定温差控制方案中， 控制器控制温差设定值始 终等于设计工况下的供回水温差。 501 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 图 2定温差控制方案 4. 3温差控制方案和压差控制方案的对比 传统的压差控制为负反馈控制， 只有当用户处存 在局部调节装置 自动调节或手动调节 时， 系统才 能够根据用户负荷的变化做出反应， 减小或增大流量 从而引起压差控制点压差的变化， 使控制方案得以实 现; 反之， 如果用户处没有局部调节装置， 则冷冻水系 统的循环流量保持恒定， 压差控制点的压差也不发生 变化， 也就无法实现变流量控制。 温差控制方案中不仅包括负反馈， 而且含有正反 馈， 根据用户负荷的变化自动改变温差设定值或冷水 机组的冷冻水出水温度， 即使用户处没有局部调节装 置， 也能够及时反映外界气候变化而引起的用户冷负 荷变化， 可以更好的实现空调系统的节能运行。 5不同控制方式的节能性对比 5. 1不同控制方式工况点的确定 水泵变频控制方式有温差控制和压差控制。对 于水泵变频运行的定压差控制， 压差信号的取值点可 位于水泵进出口或供回水干管乃至末端支管进出口。 文献［ 9］ 通过引入压差控制比 β Δpd/Δp0 其中 Δpd 为压差控制点的压差控制值， Δp0为系统总阻力 ， 详 细分析了不同定压差控制方式的节能特性。β 取值 范围为 0 ～ 1。β 1 时控制压差为水泵进出口压差， 即恒压变频。β 0 时为满足相似工况的水泵理想变 频调节方式， 调节工况点位于设计工况下管网的阻力 特性曲线上。当空调用户负荷减小时， 用户需要的流 量为 G1时， 压差控制比不同时的运行工况点如图 3 中的 1、 2、 3、 4、 5 点所示。 采用变温差控制时， 当用户负荷减小， 其他控制 方式需要的流量为 G1时， 根据表 1 用户需求的流量 小于定温差控制时用户需求的流量， 设为 G2。由于 在调节过程中采用主动控制， 管网的阻力特性曲线不 变， 运行调节曲线为设计工况时的阻力特性曲线， 即 和 β 0 时的曲线重合。由于 G2＜ G1， 运行工况点位 于点 5 的左下方， 如图 3 中的 6 点所示。 图 3不同控制方式工况点 5. 2不同控制方式节能特性分析 循环水泵运行时消耗的功率可按式 6 计算 P GH 1000η 6 式中 P 为循环水泵消耗的功率， kW; G 为循环水泵 的流量， m3/s; H 为循环水泵的扬程， Pa; η 为水泵电 机装置的总效率; 1 000为单位换算系数。 由式 6 ， 结合图 3 所示的不同调节方式下的工 况点， 可以看出变温差控制方式节能潜力最大， 值得 在工程中推广使用。 6结论 1 空调系统循环水泵的变流量控制方式可以采 用定温差控制和变温差控制。定温差控制是压差控 制比 β 0 时的理想调节方式， 比目前采用的压差信 号的取值点位于水泵进出口或供回水干管乃至末端 支管进出口的定压差控制节能性要好; 而变温差控制 比定温差控制具有更大节能潜力， 值得深入探讨和 应用。 2 变温差控制过程不仅具有负反馈， 而且具有 正反馈， 能较好的适用空调用户负荷的变化， 实现空 调系统的节能运行。 3 变温差控制是一种新的控制方法， 有些问题 如最小控制流量的设定、 用户负荷的预测 既相对冷 量比的确定 、 对制冷机组性能及能耗的影响等需要 进一步的探讨和研究， 欢迎广大同仁共同参与讨论。 参考文献 ［1］孙一坚， 潘尤贵． 空调水系统变流量节能控制 续 2 变频调速 水泵的合理应用［J］． 暖通空调， 2005， 35 10 90- 92． ［2］涂岱昕， 李建兴， 胡振杰， 等． 空调变水量系统水泵变频的相关 问题［J］． 流体机械， 2007， 35 1 49- 52． 下转第 131 页 601 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 图 5系统进出水电导率的去除效果 很低， 水质也完全能满足染整用水软水要求。 表 4系统出水水质 废水种类pH ρ COD/ mgL － 1 ρ SS/ mgL － 1 色度 / 倍 锰 / mg L － 1 铁 / mg L － 1 电导率 / μS cm － 1 总硬度 / mg L － 1 高级回用水6. 7NDND1. 8NDND182. 3 推荐标准6. 5 ～ 8. 5 ≤10 ≤10 ≤10 ≤0. 1≤0. 1 ≤150≤17. 5 注 1 “ND” 表示未检出; 2 硬度以 CaCO3计。 4经济效益分析 本系统深度处理总量1 000 m3/d， 初级回用水量 为 500 m3/d， 高级回用水量 350 m3/d， 总回用率达到 85 ， 整套系统投资 250 万左右， 系统运行的经济效 益分析见表 5。从表 5 中可以看出 相比于自来水费 和排污费， 整个深度系统运行成本相对较低， 同时外 排水量少， 经济效益明显。 表 5经济效益分析 项目数值 绍兴当地排污费 / 元m － 3 2. 50 绍兴当地工业用自来水费 / 元m － 3 4. 00 系统吨水运行费用 / 元m － 3 2. 09 其中 电费 / 元m － 3 0. 71 药剂费 / 元m － 3 0. 38 人工费 / 元m － 3 0. 10 膜系统折旧费 / 元m － 3 0. 90 年回用水量 / 万 t 年28. 05 5结论 通过超滤/反渗透双膜工艺应用于印染废水的深 度处理是切实可行的。其出水水质远优于企业染色回 用水标准， 回用率高， 运行稳定， 经济和环境效益显著。 参考文献 ［1］中华人民共和国国家统计局． 中国统计年鉴 － 2009［M］． 北京 中国统计出版社， 2009. ［2］雷乐成， 杨岳平， 汪大翚， 等． 污水回用新技术及工程设计［M］． 北京 化学工业出版社， 2002 290. ［3］汪晓军， 顾晓扬， 简磊． 纺织印染厂废水的深度处理中试及工程 应用［J］． 环境工程， 2009， 27 6 3- 5. ［4］杨占红． 不同方法深度处理印染废水的比较研究［J］． 工业水 处理， 2010， 30 7 42- 45. ［5］王白杨， 张卓， 何慧． 生物 /化学 /物理联合工艺处理高温印染废 水并回用［J］． 中国给水排水， 2008， 24 14 75- 78. ［6］王宇峰， 陶星名， 孙建平， 等． 曝气生物滤池在印染废水回用处 理中的应用［J］． 水处理技术， 2009， 35 11 69- 71. ［7］李达宁， 汪晓军． 曝气生物滤池-臭氧氧化-曝气生物滤池组合 工艺对印染废水的深度 ［J］． 工业水处理， 2009， 29 11 74- 76. ［8］周继伟， 陆荣杰， 杨岳平， 等． 印染废水达标处理与回用技术研 究 ［J］． 浙江大学学报， 2010， 37 3 306- 309. ［9］魏娜， 张雁秋， 季凯． 膜分离技术在印染废水回用中的研究和应 用［J］． 净水技术， 2009， 28 5 1- 5. ［ 10］曾杭成， 张国亮， 孟琴， 等． 超滤 /反渗透双膜膜分离技术在印染 废水回用中的研究和应用［J］． 净水技术， 2009， 28 5 1- 5. ［ 11］付江涛， 汪荣， 王国强． 双膜法处理印染废水及其回用的工程应 用［J］． 工业水处理， 2010， 30 1 86- 89. ［ 12］DOW． DOW FILMTECTM反渗透膜和纳滤膜元件产品与技术手 册［Z］． DOW Chemical FILMTEC， 2009 71- 72. ［ 13］Simon J，Claire J． 膜生物反应器水和污水处理的原理与应用 ［M］． 北京 科学出版社， 2009 18- 19. 作者通信处叶舟310051杭州市滨江区丹枫路 788 号海越大厦 16 楼 E- mailbhhjyz 126． com 2011 － 07 － 04 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 106 页 ［3］曹琦． 中央空调变频定压变水量系统是不节能的［J］． 建筑节 能， 2007， 35 1 43- 47． ［4］李玉街， 蔡小兵， 郭林． 中央空调系统模糊控制节能技术及应用 ［M］． 北京 中国建筑工业出版社， 2009． ［5］盛昌达， 张国权， 赵家礼， 等． 异步电动机运行节能［M］． 北京 水利电力出版社， 1989． ［6］万建武． 空气调节［M］． 北京 科学出版社， 2006． ［7］梁春生， 智勇． 中央空调变流量控制节能技术［M］． 北京 电子 工业出版社， 2005． ［8］黄文厚， 李娥飞， 潘云刚． 一次泵系统冷水机组变流量控制方案 ［J］． 暖通空调， 2004， 34 4 65- 69． ［9］黄奕沄， 张玲． 压差控制水泵变频调节的工作特性探讨［J］． 暖 通空调， 2006， 36 4 75- 78． 作者通信处黄建恩221116江苏省徐州市三环南路中国矿业大 学力学与建筑工程学院 E- mailyhgreen 163． com 2011 － 04 － 25 收稿 131 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期