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空调循环水泵变频调速能耗分析

韦梓春 马长明
摘要：本文基于水泵与管网的性能曲线，理论上分析了单台循环水泵，多台水泵并联的变频调速的能耗计算方法。以实际工程为例，根据变频调速的原理，利用TRNSYS软件对比了冷冻水系统定流量与变流量的水泵电耗。
关键字：TRNSYS；变频；水泵；能耗模拟
： U464.138： A
1引言
建筑的冷负荷全年大约有98%的时间是在设计负荷的80%以下运行，大约有80%以上的时间在设计负荷的50%~55%以下运行[1]。而在设计中空调系统的设备都是按满足最大的冷热负荷选型的，且大多处于定流量的运行工况下。这就使得空调冷冻水、冷却水系统中常常存在“大流量、小温差”的现象，造成的水泵能耗过大，浪费大量能源。所以对空调系统循环水泵采用变频技术是一种有效的节能途径。
2水泵变频调速节能原理
本文水泵变频调速的能耗计算方法是基于水泵的“扬程—流量”曲线，“效率—流量”以及管网的特性曲线。
2.1单台水泵调速能耗计算方法
（1）性能曲线
空调管网的性能曲线为H=ΔP+SQ2其中ΔP为管网的恒压值，S为管网性能系数。水泵的“扬程—流量”，“效率—流量”曲线可以通过厂家样本的工况点进行拟合分别为H=A1Q2+B1Q+C1、η=A2Q3+B2Q2+C2Q+D2，其中A1,B1,C1,A2,B2,C2,D2分别为拟合系数。
（2）变频调速泵的实际效率
调速泵的实际效率由电机效率ηm、水泵有效输出效率ηp、变频器效率ηVFD组成。其中ηm ,ηVFD都并非定值，而是水泵调速比X的函数，文献[2,3]给出了典型电机与高效变频器的效率曲线。ηm=0.94187×(1-EXP(-9.04X))、ηVFD=0.5067+1.283X-1.42X2+0.5842X3。在水泵转速低于30%时电机效率剧烈下降，变频调速节电率被抵消，所以水泵的最低转速应不能低于额定转速的30%。
（3）单台能耗计算
水泵的电耗如公式1.1所示：其中H为所需扬程，Q为水泵流量，NT为水泵耗电量（KW）
（1.1）
2.2定速泵与调速并联运行能耗计算
（1）调速泵台数设置与调速范围
水系统一般是由多台相同规格的水泵并联运行，水泵组的流量调节方式主要是变转速与变台数相结合的调节方式。以三台同型号水泵为例，如图1.1所示，当目标流量QK时，采用二台泵并联无法满足要求，三台泵定速运行必然造成能耗的浪费。当采用2台定速泵+1台调速泵运行时水泵的能耗有所降低。所以水泵在不同的流量范围内可以启动不同数量的调速泵。当0< p>
当QB < p>
图2.1 调速泵与定速泵并联运行
（2）调速泵定速泵联合运行能耗计算
根据上述理论以及水泵的相似定律，计算出定速泵与调速泵并联运行的能耗。假设只有一台调速泵，当目标流量为QK，扬程为HK，过K点做水平线与定速泵性能曲线相交，得出定速泵流量Qd1,2，则变速泵的流量为QK- (Qd1+ Qd2)。过原点与调速泵的工况点做二次曲线叫定速泵性能曲线与K则K即为相似工况点。根据相似工况点可以可知调速比X=Qb/QK。将调速比与QK代入ηm(X),ηVFD(X),ηp(Q)既可以求出水泵的实际效率。根据各台泵的流量扬程代入公式（1.1）即可算出各台定速泵与调速泵的能耗。注意当转速比低于30%或者调速泵流量低于25%时，水泵不再调速。
3 空调系统循环水泵调速运行能耗模拟
3.1基于TRNSYS变流量系统模型
结合某一实际工程，利用TRNSYS软件建立了冷冻水侧定流量与变流量的模型。定流量系统中，冷冻泵的启停与冷机启停联锁。在变流量系统，冷冻水泵配置两台定速泵+一台调速泵。如图1.2所示：
定流量系统TRNSYS模型 变流量系统TRNSYS模型
图3.1 TRNSYS模型
3.2模拟结果分析
通过模拟计算出全年的逐时负荷，根据负荷的统计可以知道，不同负荷率的时间频数，如图1.3所示，由图3.2可以看出建筑在绝大多数时间是处于部分负荷率下。定流量系统与变流量系统水泵的逐时电耗如图3.3所示。
图3.2 负荷频数统计
定流量系统水泵逐时电耗 变流量系统TRNSYS模型
图3.3水泵逐时电耗
由图3.3可以看出定流量系统水泵始终处于额定工况下运行，水泵流量不随末端流量需求变化。水泵电耗明显较大，而变流量系统中水泵流量随末端流量需求变化，水泵电耗相对较低。两种系统冷冻水泵每月耗电量如图3.4所示。可以看出定流量系统的逐月电耗明显大于变流量系统，在整个供冷季定流量系统水泵电耗为32500KWh，变流量系统的电耗为20970KWh。
图3.4逐月电耗对比
4结论
本文通过水泵性能曲线提出求解定速泵与调速泵并联能耗计算的方法，认为调速泵的效率由水泵有效输出效率，水泵电机效率，变频器效率组成。在不同的流量的范围内可以启动不同数量的定速泵与调速泵，但要注意水泵最小流量及电机最小转速的限制。最后利用TRNSY模拟软件模拟了定流量与变流量系统冷冻水侧的水泵电耗。经过变频后的冷冻水泵节电明显，在整个供冷季节电率为35.5%。
5参考文献
[1] 孙一坚.空调水系统变流量节能控制IJI.暖通空调.2001.31(6):5一7;
[2] MiehelA,Bernier,Bernard,Bourret.PumPing Energy and Variable Frequency Drivers =JI,ASHRAE Journal,1999,(12):37一0.
[3] 陈涛,一次泵变流量系统机房侧能耗动态模拟和节能研究,湖南科技大学,硕士学位论文,2008.6.
[4] 李苏泷.一次泵系统冷水变流量节能控制研究.暖通空调HV&AC,2006年第36卷第7期.
[5] 符永正,吴克启,蔡亚桥.水泵并联变台数运行的有关问题分析,水泵技术,2005.(3).

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