摘要：介紹了空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的重要性及一次泵變頻變流量水系統(tǒng)的原理，分析了一次泵變頻變流量水系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，并且對(duì)其進(jìn)行了節(jié)能與控制分析。
　　關(guān)鍵詞：水泵；變流量；節(jié)能；控制
　　1、概述
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，空調(diào)在生產(chǎn)生活中的普及應(yīng)用，空調(diào)能耗占生產(chǎn)生活總能耗的比重越來越高。調(diào)查表明，目前我國空調(diào)能耗約占建筑物總能耗的30％～50％，水泵能耗在其中占有很高的比例。因此，空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)具有很大的節(jié)能空間。
　　空調(diào)水系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一次泵定流量系統(tǒng)，二次泵變流量系統(tǒng)及一次泵變頻變流量系統(tǒng)等三個(gè)階段，隨著制冷機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展，近年來一次泵變頻變流量不斷得到應(yīng)用。在集中空調(diào)系統(tǒng)中，一次泵變頻變流量水系統(tǒng)是指末端風(fēng)柜（或盤管）使用比例積分（或電動(dòng)二通）調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)回風(fēng)溫度的變化調(diào)整其開度（或狀態(tài)），從而引起系統(tǒng)分配環(huán)路的流量變化，形成供、回水干管之間的壓力差變化，水泵的變頻調(diào)速器根據(jù)供、回水干管之間的壓力差變化調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)數(shù)，從而改變供、回水干管之間的壓力差及通過水泵、冷水機(jī)組蒸發(fā)器的冷水流量，此系統(tǒng)中的旁通閥變?yōu)檩o助性的，這就是一次泵變頻變流量水系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，當(dāng)冷水機(jī)組處于部分負(fù)荷時(shí)，冷水機(jī)組的冷水流量隨著負(fù)荷的變化而減小，從而可以使水泵的動(dòng)力消耗隨著負(fù)荷的變化同時(shí)減小。
　　2、關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1、冷水機(jī)組的流量范圍；由于受傳熱效率等因素的影響,為了安全運(yùn)行和防止蒸發(fā)器結(jié)冰,一次水流量必須控制在一定范圍內(nèi),因此需要選擇最小流量盡可能低的冷水機(jī)組。機(jī)組蒸發(fā)器最小流量由其類型、回程以及管束尺寸決定。同時(shí)對(duì)不同的機(jī)組效率也對(duì)應(yīng)不同的蒸發(fā)器最小流量。一般機(jī)組效率越高,機(jī)組蒸發(fā)器流量變化的范圍就越窄。目前離心機(jī)的最小流量一般都能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的30%左右。
　　2.2、冷水機(jī)組的部分負(fù)荷特性?；經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外主要冷水機(jī)組生產(chǎn)廠商調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冷水機(jī)組負(fù)荷為50%~100%的范圍內(nèi),蒸發(fā)器分別為定流量和變流量的冷水機(jī)組效率幾乎是相同的,在蒸發(fā)器可變范圍內(nèi)機(jī)組負(fù)荷與流量壓降基本成線性關(guān)系。
　　2.3、旁通控制閥?；旁通控制閥的選型一定要合理。閥門的流量必須滿足單臺(tái)冷水機(jī)組的最小流量，并且應(yīng)具有線性控制特性，即流量與閥門的開度成線性關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)壓力減小，閥門仍然可以正常打開，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高,閥門應(yīng)具有正確的關(guān)斷能力，并且在設(shè)計(jì)壓力下不滲漏。閥門還必須有彈簧復(fù)位功能，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉或流量測定裝置失靈時(shí),為了確保冷水機(jī)組的安全運(yùn)行，閥門自動(dòng)復(fù)位到開啟狀態(tài)。
　　同時(shí)應(yīng)盡量縮短流量測定的信號(hào)和閥門控制信號(hào)的時(shí)間滯后，以提高反應(yīng)和控制速度。
　　2.4、可允許流量變化率?；可允許流量變化率(即冷水機(jī)組所允許的，每分鐘相對(duì)設(shè)計(jì)流量的變化率)是一次泵變頻變流量系統(tǒng)中冷水機(jī)組選型的重要參數(shù)。?在系統(tǒng)發(fā)生加減冷水機(jī)組時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大的流量變化,當(dāng)系統(tǒng)在一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)下,加載另一臺(tái)機(jī)組的瞬間,兩臺(tái)機(jī)組的流量各自減少和增加了50%。當(dāng)機(jī)組內(nèi)流量減少50%的瞬間，機(jī)組會(huì)計(jì)算出溫差需要加倍，這意味著冷凍水的出水溫度要大大降低，甚至降到零度以下。在這種情況下，機(jī)組會(huì)根據(jù)溫度判斷蒸發(fā)
　　器將結(jié)冰，于是機(jī)組控制器會(huì)做出停機(jī)或卸載的指令。實(shí)際上，閥門打開需要一定時(shí)間，并不是瞬時(shí)完成的，但是在短時(shí)間內(nèi)完成如此大的流量變化仍然存在上述危險(xiǎn)。解決這一問題的通常做法是：在加載一臺(tái)冷水機(jī)組之前必須先卸載正在運(yùn)行的機(jī)組。但是對(duì)于出水溫度精度要求較高的工藝性空調(diào)來說，不能有很長的卸載時(shí)間。因此，在機(jī)組選型時(shí)，可允許流量變化率的值越高越好。在一般的一次泵變頻變流量系統(tǒng)中，可允許流量變化率應(yīng)至少取25%~30%。這意味著加載一臺(tái)冷水機(jī)組后,大約需要1.5min系統(tǒng)就可以穩(wěn)定下來。
　　3、節(jié)能分析
　　對(duì)空調(diào)系統(tǒng)來說，在大部分運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)的負(fù)荷在75%左右。對(duì)一次泵定流量系統(tǒng)來說，若總是維持100%的設(shè)計(jì)流量，則會(huì)造成大流量小溫差現(xiàn)象，為了保持空調(diào)區(qū)域的恒溫，則壓差旁通管內(nèi)有大量冷凍水量流過，必然導(dǎo)致水泵的能耗被白白浪費(fèi)。對(duì)于二次水泵系統(tǒng)來說，由于二次水泵采用變頻調(diào)節(jié)，能耗比一次水泵定流量系統(tǒng)有所降低，但由于其一次水側(cè)仍保持定流量運(yùn)行，仍會(huì)造成部分水泵能耗浪費(fèi)。
　　一次泵變頻變流量系統(tǒng)中水量根據(jù)末端負(fù)荷的變化來調(diào)節(jié)，只有在低于冷水機(jī)組最小允許流量時(shí)壓差旁通閥才打開，以維持冷水機(jī)組最小允許流量運(yùn)行，因此最大限度地節(jié)省了水泵的能耗。下面將通過具體的計(jì)算對(duì)一次泵變頻變流量系統(tǒng)中的能耗進(jìn)行分析。為了讓水泵隨負(fù)荷的變化實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行，采用加裝變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速的方式。水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足下列公式：
　　N=60f/p（1）
　　式中：N—電機(jī)轉(zhuǎn)速
　　f—供電頻率（變頻器的輸出頻率）
　　P—電機(jī)的極對(duì)數(shù)。
　　根據(jù)水泵的相似定律，水泵的流量、揚(yáng)程、功率和轉(zhuǎn)速之間存在以下關(guān)系：
　　Q1/Q0=（N1/N0）（2）
　　H1/H0=（N1/N0）2（3）
　　W1/W0=（N1/N0）3（4）
　　式中：Q0、H0、W0、N0—額定工況下水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率和轉(zhuǎn)速；Q1、H1、W1、N1—水泵轉(zhuǎn)速為N1下水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率。
　　當(dāng)Q1/Q0=0.7時(shí)，W1/W0=（N1/N0）3＝（Q1/Q0）3＝（0.7）3=0.34由上式可得當(dāng)流量變?yōu)轭~定流量的70%時(shí)，水泵的實(shí)際軸功率僅為額定功率的35%左右，水泵運(yùn)行能耗下降65%左右。可以看到通過變頻調(diào)速的方式來改變水泵轉(zhuǎn)速可以為水泵運(yùn)行節(jié)省大量的電耗。
　　一次泵變頻技術(shù)要求冷水機(jī)組的水流量是可變，在滿足不低于其蒸發(fā)器最小流量要求范圍內(nèi)可以正常運(yùn)行。目前國內(nèi)外許多冷水機(jī)組生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品都能夠?qū)崿F(xiàn)變流量運(yùn)行，從而為一次泵變頻變流量技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。
　　4、控制分析
　　在空調(diào)一次泵變頻變流量系統(tǒng)中，采用一次泵變頻變流量水泵組是最簡單有效的變頻變流量控制方式，按照系統(tǒng)的組成形式與需要可使系統(tǒng)總水量在10%—100%之間變化。水泵組的輸出流量是靠改變并聯(lián)運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)和水泵頻率來實(shí)現(xiàn)的，水泵并聯(lián)的臺(tái)數(shù)不宜過多，一般水泵并聯(lián)臺(tái)數(shù)不超過5臺(tái)，其中一臺(tái)水泵由變頻柜控制（變頻控制柜可控制其中任何一臺(tái)水泵），從而使空調(diào)一次泵變頻變流量的控制成為現(xiàn)實(shí)。
　　空調(diào)一次泵變頻變流量泵組除了水泵組、變頻控制柜以外，還包括溫度流量傳感器、DDC控制器、旁通控制閥、比例積分（或電動(dòng)二通）調(diào)節(jié)閥等設(shè)備組成。通過傳感器獲取水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過DDC智能控制器分析處理后轉(zhuǎn)換為控制指令，控制水泵的運(yùn)行和閥門的開閉。空調(diào)一次泵變頻變流量水泵組系統(tǒng)的DDC控制器能夠控制旁通控制閥的開度以保證冷水機(jī)組的最小流量，同時(shí)發(fā)送信號(hào)到冷水機(jī)組自帶的控制系統(tǒng)，冷水機(jī)組能夠根據(jù)系統(tǒng)回水溫度的變化來調(diào)整制冷量的輸出。冷水機(jī)組自帶的最小流量感測和保護(hù)裝置能夠?qū)�冷水機(jī)組進(jìn)行控制，保護(hù)其正常運(yùn)行。因此使冷水機(jī)組能夠在變流量條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
　　5、結(jié)論
　　(1)隨著制冷機(jī)技術(shù)與自控技術(shù)的發(fā)展，冷水機(jī)組變流量運(yùn)行的安全性已可以得到保障，突破了冷水機(jī)組定流量的設(shè)計(jì)理念；
　　(2)一次泵變頻變流量系統(tǒng)利用變頻裝置，根據(jù)末端負(fù)荷變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)水流量，最大限度地降低了水泵的能耗，與傳統(tǒng)的一次泵定流量系統(tǒng)和二次泵系統(tǒng)相比具有很大的節(jié)能優(yōu)勢，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能具有很大意義；
　　(3)目前，一次泵變頻變流量技術(shù)的推廣尚處在起步階段，應(yīng)用的工程實(shí)例還很少，因此，一次泵變頻變流量節(jié)能技術(shù)具有很大的節(jié)能空間。