空调系统冷冻水循环水泵的节能设计方法

建筑环境与能源应用工程专业科研创新

空调系统冷冻水循环水泵的节能设计方法

（中国矿业大学 力学与建筑工程学院 建环11-2班 郭浩）

摘要：建筑空调系统的运行负荷仅为设计负荷的 50%～70%左右，而冷冻水泵作为空调系统中最主要的耗能设备，在整个系统运行过程中存在相当大的节能改 造空间。本文从空调系统的节能重要性以及重点阐述的冷冻水循环水泵的节能，分析了空调系统的运行工况，从运行工况中得出空调能耗的原因，从冷冻水泵的单台、多台串并联的运行情况进行水泵选型，并从冷冻水一次泵变频节能和二次泵变流量两个方面对冷冻水循环水泵的节能坐车进一步阐述。对水泵的选型方法作一定了解。

关键词：冷冻水泵 节能优化 水泵选型 一次泵 二次泵

1 课题研究的意义

中国是一个能源生产和消费大国。近年来节能减排已成为国家生活乃至全社会关注的焦点，也是能源可持续发展的必由之路。我国建筑能耗也已迅速上升到社会总能耗的33%以上。

空调系统、照明系统、动力系统构成了现代建筑的三大重要“器官”。暖通空调已占到总建筑能耗的 50%～60%。在空调系统中，主要能耗设备有冷水机组、水泵、末端设备等,其中空调水泵的能耗大约占冷水机组能耗的13%左右。空调负荷是随气象因素等条件的变化而变化的,因此空调系统在大部分时间内工作于部分负荷状态。建筑空调系统的运行负荷仅为设计负荷的 50%～70%左右，而冷冻水泵作为空调系统中最主要的耗能设备，在整个系统运行过程中存在相当大的节能改造空间。

本文主要就空调系统中冷冻水循环水泵的节能设计进行探讨，从冷冻水循环水泵的运行工况、水泵组合方式、水泵选型以及冷冻水一次泵、二次泵的节能设计角度进行分析。

2 冷冻水系统耗能分析

中央空调系统包括了“末端风系统”、“输配系统”、“冷水机组”，具有“多输入、多输出、强耦合”等特点。无论是冷水机组、冷冻水泵，又或者末端、阀门的控制策略的变化，均有可能导致冷冻水系统、甚至是冷水机组运行工况发生波动。

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图2.1空调系统运行示意图

从上图可以看出，冷冻水作为流动“能质”，在冷冻水输配系统中可视为从冷水机组出发后为起点，经过冷冻水泵、阀门、末端后，回到冷水机组蒸发器，此为一个循环。冷水机组同时作为“能质”流动的起点和终点。

空调冷水机组主要包括了以下四部分：蒸发器，冷凝器、压缩机以及气液换热器，其中冷冻水作为“能质”流经蒸发器与制冷剂进行热交换；压缩机为冷水机组的中枢元件，通过制冷剂工况的变化，在蒸发器和冷凝器之间传递热量；冷凝器则将热量传递给冷却水。

冷冻水系统作为一个内部相互关联，与冷水机组也存在关联的系统，作为“能质”的冷冻水，由于其流量的变化必然对其他部件的能效产生影响。但具体的影响是大还是小，在本章中通过理论分析，可出以下结论：

1) 在冷水机组不能做到变流量运行的时候，冷冻水系统的变流量运行，尤其是一次冷冻水泵系统的变流量运行是不可行的。然而，随着冷水机组工艺的发展，冷水系统的变流量运行，不会对冷水机组产生安全方面的隐患。但流量的变化对冷水机组的蒸发器的传热量以及传热系数影响不大；但对冷水机组的蒸发温度以及 COP 的影响较大。因此，冷冻水流量的改变，与主机具有相关性。在进行冷冻水泵节能改造的节能量认定需要将冷水机组划分在边界内。

2) 由于对冷冻水泵的节能改造导致的冷冻水流量的改变，对末端的传热系数变化较小，更不会影响空调末端的能耗值。冷冻水泵与空调末端没有相关性。

3) 在空调系统的运行过程中，阀门调节不可避免，更无法预计。阀门的变化以及空调末端的启停以及电动二通阀的改变，均会一定程度上改变管网的特性曲线。因此，在进行冷冻水泵改变流量后的能耗计算中，采用相似律进行分析，是不合理的，应该尽量避免。通过本章的研究，可以明确冷冻水泵的节能改造，尤其是变频改造，对冷水机组的 COP 的影响非常大，因此，冷冻水泵与冷水机组具有明显的相关性；相反，与空调末端并没有较大的相关性，可不加以考虑。同时，对阀门的研究讨论得出，由于阀门的变化，导致空调冷冻水管网曲线是不断变动，且不可预见的。

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3冷冻水泵节能优化

3.1三种控制方式

冷冻水泵的运行控制策略包括了台数控制、变频控制、台数控制结合变频控制三种，分别如下：

（1）台数控制：若空调系统有多台冷冻水泵，且均定频运行。当冷冻水进水温度高于设定上限值时，增开一台冷冻水泵；当冷冻水进水温度低于设定下限值时，关闭一台冷冻水泵。

（2）变频控制：若冷冻水泵为变频水泵，当冷冻水进水温度低于设定进水温度下限值时，冷冻水泵变频运行，通过改变冷冻水泵的电机频率，进而改变冷冻水流量。

（3）台数和变频控制：当系统存在多台冷冻水泵，且均安装有变频装置。则变频运行为优先，根据冷冻水的进水温度，调节冷冻水泵频率。若冷冻水泵的输入频率值达到变频器设定频率值下限时，冷冻水泵的进水温度仍然无法满足冷冻水进水温度下限，则关闭一台冷冻水泵；若冷冻水泵的输入频率值达到工频时，冷冻水泵的进水温度仍然无法高于冷却水进水温度上限，则增开一台冷冻水泵。

3.2 节能优化

冷冻水泵的节能改造措施，主要有更换小流量高效率的定频水泵，或者对水泵叶轮进行切削处理以降低流量；或者对单台水泵加装变频器；如果空调系统存在多台水泵并联运行，还需要进行泵组的优化等等。

针对这些节能改造措施，注意分析其运行工况的变化以及对冷冻水系统的影响。首先，节能改造的首要目的是改变了管网的流量，一定程度上解决了“大流量小温差”的现象。但要注意的是，节能改造后如果仅仅更换小流量高效率的定频水泵，或者对水泵叶轮进行切削处理无法解决建筑实际负荷在不停波动的状况。因此，该措施只能针对建筑负荷波动比较小的情况。对冷冻水系统的影响还有一个重要方面就是减小了冷冻水泵的运行能耗，但其节能率有限。

其次，进行变频改造，则主要解决的时候建筑长期处于部分负荷的情况，根据建筑的实际负荷，基于变频器的控制机理，调节冷冻水泵的叶轮转速，以达 到改变流量的目的。不同的控制机理，其节能率是不一样的，就原理来讲，采用 温度控制的节能率最大；采用定压差控制，其节能率最低。

在实际中，有很多建筑存在着冷冻水泵并联运行的情况，泵组的优化需要考 虑对泵组中某一台或者几台水泵改造后，对整个泵组的影响。在此基础上，可以 得出，若泵组假设只有两台水泵（实际情况中，两台水泵并联是最普遍的），则

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只对其中一台冷冻水泵进行变频改造，是不合理的；最好的改造方法是对两台冷冻水泵同时进行变频改造。

在冷冻水泵定频运行的情况下，只能采用压差旁通控制，通过冷水机组的流量不发生变化；在冷冻水泵变频情况下，由于流量变化需要冷冻水泵与末端联合控制。因此，亦不考虑末端是否安装电磁二通阀。

因此，可将节能工况划分为以下几种：

表3.1 节能工况的划分 工况 工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 工况6 冷水机组 单台运行 单台运行 单台运行 单台运行 2台并联 2台并联 冷冻水泵 1台变频水泵 1台定频水泵 2台变频水泵 2台定频水泵 2台变频水泵 2台定频水泵 4 冷冻水循环水泵的选型

4.1 水泵选型的基本要求

水泵的选型是依据设计流量Go及相应的扬程H。两个参数确定的，为了节省能耗，要求水泵在高效段η≥0.9ηmax运行，如图4.1所示。

图4.1

1水泵G-H性能曲线 2.管网性能曲线 3.水泵G-η曲线

同时在部分负荷情况下，系统的流量G应该在0-Go之间变化。所以要求水系统水泵的高效段尽可能宽。显而易见，较大设计流量Go的系统中，仅仅使用一台水泵是不合适的。

下面就较大设计流量Go情形下讨论水泵的选型。

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4.2 水泵选型方式的比较

(1)两台同型号水泵并联运行

如图4.2所示，对于某一Go、Ho，当采用二台相同水泵并联时，每一台水泵的扬程H相同，流量G各承担一半。当Go属于并联工作的高效段n，且扬程H满足要求时，两台水泵都在高效段运行。在工段，可关闭一台水泵，另一台水泵仍在高效段运行。

图4.2

1.单台水泵的G-H性能曲线 2.并联水泵的G-H性能曲线 3.单台水泵的η-G性能曲线 Ⅰ段.单台水泵的高效段 Ⅱ段，单台水泵的高效段

(2)两台不同型号的水泵并联运行

如图4.3所示，对于同一G0, H0，采用二台不同水泵并联时，要求这两台水泵处于高效段时的扬程很接近，且并联运行时，Go处于高效段Ⅲ段，那么可考虑这两台水泵并联。当系统流量小时，关闭水泵a, b水泵可在高效段H段运行。当系统流量更小时，关闭水泵a.b水泵仍可在高效段I段运行。本文阐述的就是以这种方式并联的各种情况。

图4.3

1．a水泵的G-H性能曲线2.b水泵并联的G-H性能曲线3.a.b水泵并联的G-H性能曲线 Ⅰ段.a水泵的高效段 Ⅱ段，b水泵的高效段 Ⅲ段，两台水泵并联的高效段

(3)三台同型号水泵并联运行

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