1、空调循环水泵变频调速能耗分析摘要：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 中图分类号： U464.138 文献标识码： 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
2、、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=P+SQ2 其中 P 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、=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
3、率 调速泵的实际效率由电机效率 m、水泵有效输出效率 p、变频器效率 VFD 组成。其中 m ,VFD 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。m=0.94187(1-EXP(-9.04X)、VFD=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
4、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 0QQA：一台调速泵；当 QA QQB：一台调速泵+一台定速泵，两台调速泵； 当 QB QQC：一台调速泵+二台定速泵：两台调速泵+一台定速泵，三台调速泵。从图 1.1 还可以看出当 QK 接近 QB 时，调速泵流量过低，此时调速泵所能提
5、供的扬程小于系统的阻力，导致了变速水泵无法为系统提供流量。泵体内水不再流动，并且被加热。水温会不断升高，最终被转化为水蒸气，从而导致水泵的损坏。所以水泵必须有一个最小流量的限制。建议的最小流量应该是最佳效率点流量的 25%。 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
6、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 m(X),VFD(X),p(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 TR
7、NSYS 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
8、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 I
9、JI.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). 作者简介：韦梓春，男，主要研究方向：建筑节能
