第23卷,總第130期《節(jié)能技術(shù)》Vol.23 , Sum. No.1302005年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar. 2005,No.2空調(diào)系統(tǒng)冷凍水循環(huán)水泵變頻運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理黃建恩(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系,江蘇徐州221008)嘀要:本文通過(guò)分析空調(diào)系統(tǒng)冷凍水循環(huán)水泵變頻運(yùn)行比較閥門節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理,通過(guò)計(jì)算分析指出變頻調(diào)速比較閥門調(diào)速的節(jié)能潛力并不與流量的三次方成比例,而是與流量成.一復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。文中給出了正確的計(jì)算方法,并由此得出了一些對(duì)實(shí)際工作具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;變頻;節(jié)能潛力;計(jì)算方法中圖分類號(hào):TU831 :TM921.51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002 - 6339 (2005) 02 - 0139 -04Mechanism of Energy Conservation of Variable Frequency CirculatingPumps Operated in Air Conditioning Chilled - water SystemHUANG Jian - en(Department of Building Environment and Facility Engineering, China Universityof Mining Engineering, Xuzhou, Xvzhou 221008, China)Abstract: The paper analyses the mechanism of energy conservation of variable frequency circulating pumps op-erated in Air Conditioning Chilled - water System in comparison with controlling water flow by valve. By analyz-ing and calculating, the paper points out that the potential of energy conservation is not proportion to the thirdpower of water flow, but is a complex function of water flow and provides a correct method to calculate the po-tential of energy conservation. From the method we can conclude some useful conclusion in practice.Key words: circulating pump; variable frequency; potential of energy conservation; calculating method應(yīng),避免出現(xiàn)室溫過(guò)高或過(guò)低?？照{(diào)系統(tǒng)的集中調(diào)1引言節(jié)一般在冷源處進(jìn)行,常用的調(diào)節(jié)方法有改變冷凍在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中,由于用戶的冷負(fù)荷水的供回水溫度或改變冷凍水的循環(huán)水量。隨室外環(huán)境的變化而變化,在整個(gè)空調(diào)季節(jié)的大部當(dāng)用戶冷負(fù)荷變化需要改變冷凍水循環(huán)水量分時(shí)間,用戶冷負(fù)荷都偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。為保證空調(diào)時(shí),傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方法是通過(guò)改變循環(huán)水泵出口質(zhì)量,必須根據(jù)室外氣象條件的變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的閥廣中國(guó)煤化工方法因節(jié)流的不可逆冷凍水供回水溫度和循環(huán)水量進(jìn)行調(diào)節(jié),使用戶末性會(huì)Hc N M H G統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性變差。端空調(diào)設(shè)備放出的冷量與用戶冷負(fù)荷的變化相適比較科學(xué)的做法是采用水泉的調(diào)速技術(shù),特別是變頻調(diào)速技術(shù),這樣可以減少電能的消耗,提高系統(tǒng)運(yùn)收稿日期2005-02-26 修訂稿日期 2005-03- 14行的經(jīng)濟(jì)性。但究竟采用變頻調(diào)速后能夠節(jié)約多少作者筒介方建墨(1970~ ).男,講師,碩士在讀。能量,傳統(tǒng)的想法是:由于水泵的軸功率隨流量的三次方遞減,節(jié)能潛力也隨流量的三次方變化。如:當(dāng)小到9o2,揚(yáng)程增大到H2;當(dāng)采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí),流量減小為額定流量的60%時(shí),水泵消耗的能量?jī)H保持閥門的開(kāi)度不變,也就是管路的水力特性曲線為原來(lái)的21.6%,節(jié)能潛力高達(dá)78.4% ,本文通過(guò)不變,通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。根分析循環(huán)水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理,經(jīng)計(jì)算認(rèn)據(jù)水泵的相似理論,水泵的H- q。性能曲線將平行為這是一-種錯(cuò)誤的觀點(diǎn),并給出了節(jié)能潛力的計(jì)算下移到曲線n2, n2和設(shè)計(jì)工況時(shí)的管路特性曲線R公式,通過(guò)該公式可以得出一些對(duì)實(shí)際工作具有指的交點(diǎn)3為調(diào)速調(diào)節(jié)時(shí)水泵的工況點(diǎn),相應(yīng)的流量導(dǎo)意義的結(jié)論。和水泵的揚(yáng)程分別為qo2和H3。2水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理HR2變頻調(diào)速運(yùn)行之所以節(jié)能是由于水泵的機(jī)械負(fù)RI載特性決定的。水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。而流量與轉(zhuǎn)速成正比，因此，當(dāng)調(diào)節(jié)流量時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行。由電磁學(xué)原理三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電電|n源的頻率有如下關(guān)系:n = 60f(1- s)/p9.2 9rqτ"式中n-電機(jī)的轉(zhuǎn)速, r/min;圖1水泵閥門調(diào)節(jié) 和變頻調(diào)節(jié)時(shí)工況點(diǎn)的確定f- -一供電電源的頻率,Hz;Fig 1. Determination of working points of eirculating pumpr 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率;controlled by variable frequency and by valvep一一電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。所以，可以通過(guò)改變供電頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,3.2各工況點(diǎn) 下水泵電機(jī)所需的輸入功率進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)3.2.1工況點(diǎn)1水泵電機(jī)所需的輸入功率Ps1 = Pg9o1 H/1000711 72713速的三次方成比例,當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)水泵所需的軸功液體的密度, kg/m2;率大大減小，節(jié)能效益十分顯著。但究竟采用變頻調(diào)重力加速度,m/?;速比水泵的工頻運(yùn)行節(jié)省多少電能，下面將對(duì)這一7o1T-工況點(diǎn) 1水泵的流量, m//s;問(wèn)題進(jìn)行分析。H一-工況點(diǎn) 1水泵的揚(yáng)程,m; .3水泵變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行節(jié)省電能的計(jì):工況點(diǎn)1水泵電機(jī)的輸人功率，算kW;3.1水泵閥門調(diào)節(jié)和變頻運(yùn)行時(shí)工況 點(diǎn)的確定11.72.713--分別為工況點(diǎn) 1水泵效率、水泵運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)由水泵的H- q。性能曲線水泵與電機(jī)的傳動(dòng)效率、電機(jī)效率。和管路水力特性曲線的交點(diǎn)決定。如圖1所示:n為3.2.2.工況點(diǎn)2水泵電機(jī)所需的輸入功率額定轉(zhuǎn)速時(shí)水泵的H - q,性能曲線,R為設(shè)計(jì)工況Ph2 = pg9n2H2/1000721 72723時(shí)的管路特性曲線, n2為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后的水泵H- q。= pgqo2H3/1000 + pgqo2(H2- H3)/1000 +性能曲線,R2為采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)非設(shè)計(jì)工況下的管pgqo2H2[1/( 721 72723) - 1]/1000路特性曲線(用戶冷負(fù)荷減小相應(yīng)流量需要減小)。式中qo2一工況點(diǎn) 2水泵的流量,m'/s; .額定轉(zhuǎn)速時(shí)的H- q。 性能曲線n|和設(shè)計(jì)工況時(shí)的H2-- 工況點(diǎn)2水泵的揚(yáng)程,m;管路特性曲線R;的交點(diǎn)1為設(shè)計(jì)工況下水泵的工中國(guó)煤化工的揚(yáng)程,m; .況點(diǎn),這時(shí)相應(yīng)的流量和水泵的揚(yáng)程分別為qo1 和MYHCN MH C泵電機(jī)的輸人功率，H。當(dāng)需要將水泵的流量減小到qo2 時(shí),若采用閥門調(diào)節(jié)就需要將水泵出口的閥門關(guān)小，從而引起管路721.72、72--分別為工況點(diǎn) 2水泵效率、的總阻力特性系數(shù)增大,管路特性曲線變陡,使水泵水泵與電機(jī)的傳動(dòng)效率、電機(jī)效率;的工作狀奇點(diǎn)故據(jù)點(diǎn)沿曲線n變化到2點(diǎn),流量減pg9n2Hs/1000--有用功率 ,kW; .●140●pgqn2(H2- H3)/1000閥門節(jié)流損失的OP = Pu2- Ph3功率,kW;= pgqo2(H2- Hz)/1000 +pgqn2H2[ 72172723) - 1]/1000--工況點(diǎn)2(pg02/1000) {H2[1/(7212723)-1] -水泵電機(jī)裝置損失的功率, kW。H3([1/7312733)- 1]}可見(jiàn),工況點(diǎn)2水泵電機(jī)所需的輸人功率由三由該式可以看出采用變頻調(diào)速所節(jié)省的能量由部分組成:有用功率pgq,2H3/1000;閥門節(jié)流損失的兩部分組成:第一部分 閥門節(jié)流調(diào)節(jié)比變頻調(diào)速調(diào)功率pgqo2(H2 - H3)/1000;水泵電機(jī)裝置損失的功節(jié)損失的功率pgq,2(H2 - H3)/1000; 第二部分兩種率pgqo2H2[1/( 721 723) - 1]1000調(diào)節(jié)工況下水泵電機(jī)裝置損失的功率的差值,即3.2.3工況點(diǎn)3水泵 電機(jī)所需的輸入功率(pgqo2/1000){H2[1/( 721727z}) - 1]-Psh3 = Pgqo2Hz/1000731 72 733H3[1/731727233)- 1]}。= pgqo2H3/1000 +4水泵變頻調(diào)速的節(jié)能潛力pgqo2H3/1000[1/(73172733) - 1]式中工況點(diǎn)3水泵的流量, m2/s;水泵變頻調(diào)速相對(duì)于閥門節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)能潛力H;工況點(diǎn)3水泵的揚(yáng)程,m;可以采用水泵變頻調(diào)速調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)可節(jié)省的電Ph3-工況點(diǎn)3水泵電機(jī)的輸入功率,能OP和水泵采用閥門調(diào)節(jié)所需電機(jī)輸人功率Ph2kW;的比值來(lái)表示。但采用這種方法由于Pon2 隨調(diào)節(jié)流731、72、733分別為工況點(diǎn)3水泵效率、量的變化而變化，,不夠直觀。為使結(jié)果更直觀，采用節(jié)省的電能OP與設(shè)計(jì)工況下所需電機(jī)輸人功率水泵與電機(jī)的傳動(dòng)效率、電機(jī)效率;pgqo2H3/1000[1/( 73172733) - 1]---工況 .Pn1的比值來(lái)表示節(jié)能的潛力,由于水泵在設(shè)計(jì)工點(diǎn)3水泵電機(jī)裝置損失的功率, kW。況下運(yùn)行消耗的功率為定值(已知),這樣使節(jié)能潛. 3.3 水泵變頻調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)節(jié)省的電能OP力的計(jì)算更具有實(shí)用性和可比性。水泵變頻調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)可節(jié)省的電能OP:OP = OP/Psh1eg.2(Hz- H) + 0pg9.2| H2[1/272723) -1]- Hs[1/( 73173)二1業(yè)(1)pgqn1H/( 7u 7713)OP-一表示節(jié)能潛力,用占設(shè)計(jì)工況下所_9o2(40+ a1902 + a292) - S192 .(3)需電機(jī)輸人功率Pm1的比值來(lái)表示。.S1q31因水泵的H - q。性能曲線為拋物線形,工程分S-設(shè)計(jì)工況下管路的水力特性系數(shù),析時(shí)可用一個(gè)二次多項(xiàng)式表示,設(shè):m. (m2/s)-2。H = ao+ a190+ a2q;(2)從公式(3)可以看出:變頻調(diào)速運(yùn)行比較閥門其中H為水泵的揚(yáng)程,m;q,為水泵的流量,節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的節(jié)能潛力為流量的復(fù)雜函數(shù),并不與m2/s;ao、a1.a2為與水泵有關(guān)的常數(shù),對(duì)確定的泵流量的三次方成比例。由于循環(huán)水泵一般選用H -其值為已知數(shù)。運(yùn)用(2)式和阻力平方區(qū)(空調(diào)系統(tǒng)q。性能曲線較平緩的水泵,在工頻運(yùn)行的條件下，運(yùn)行時(shí)一般均處于阻力平方區(qū))管路的阻力損失和流量減小時(shí)泵的揚(yáng)程增加較小,為便于分析設(shè)H2≈管路特性曲線、流量的關(guān)系式OH = Sq,其中OHH = Sq,則(3)式進(jìn)一 步化簡(jiǎn)為:為管路的阻力損失,S為管路特性系數(shù),q。為流量,中國(guó)煤化工同時(shí)假設(shè)在調(diào)節(jié)過(guò)程中水泵和電機(jī)的效率不變(實(shí)YHCNMHG際上由于流量的減小可能會(huì)有不同程度的下降),則902S1q元- S192(1)式化簡(jiǎn)為:S1q21OP =pgq.2H2 - PBqo2H3102_ 92.= 9o-η(4)數(shù)據(jù)Pg9o1Hq01q3，141.其中g(shù)。- 表示相對(duì)流量,q = 9qo2/q01o水力失調(diào)現(xiàn)象將會(huì)加劇。因此,即使采用變頻調(diào)節(jié)對(duì)將公式(4)兩邊對(duì)。求--階導(dǎo)數(shù),并令其等于空調(diào)冷卻水的最小循環(huán)流量也要加以限制。綜合節(jié)零,可求出△P在g。= 0.577時(shí)有一極大值,這時(shí)sP能潛力最大時(shí)的相對(duì)流量g。= 0.577和系統(tǒng)運(yùn)行的= 38.49%。實(shí)際情況,特別是應(yīng)保持運(yùn)行過(guò)程中的水力工況穩(wěn)定,建議在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中g(shù)。 取0.6 ~ 1。0.45結(jié)論(1)變頻調(diào)速比閥門調(diào)速具有明顯的節(jié)能效益,最大節(jié)能潛力高達(dá)38. 49% (理論計(jì)算值,實(shí)際上口0.2-會(huì)有所減小),在實(shí)際工作中應(yīng)積極推廣使用。(2)變頻調(diào)速比較閥門調(diào)速的節(jié)能潛力為流量的函數(shù)OP = g。一站,并不與流量的三次方成比例。00.5節(jié)能潛力在q。= 0.577時(shí)達(dá)到最大。為保持系統(tǒng)的相對(duì)流量最佳調(diào)節(jié)工況在調(diào)節(jié)過(guò)程中建議g。取0.6 ~ 1。圖2節(jié)能潛力曲線(3)由于節(jié)能潛力存在極大值,在選用循環(huán)水Fig 2. The curve of the potential of energy conservation泵時(shí)應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行水力計(jì)算,以便正確的選擇循環(huán)水將公式(4)表示的節(jié)能潛力繪成曲線得圖2。從泵,保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。圖中明顯看出,節(jié)能潛力隨相對(duì)流量的變化,節(jié)能潛參考文獻(xiàn).力隨流量的減小先增大,達(dá)到極大值后,再進(jìn)-步減[1]盛昌達(dá),張國(guó)權(quán),趙家禮等.異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能小流量,節(jié)能潛力反而減小。這說(shuō)明流量很小時(shí)變頻[M] .北京:水利電力出版社, 1989.運(yùn)行和閥門節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行的能耗趨于- -致。[2]杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電實(shí)際上,用變頻器傳動(dòng)電機(jī)與電機(jī)的工頻運(yùn)行力出版社,2001.相比,電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率都將不同程度的降[3]趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華.空氣調(diào)節(jié)(第三版)[M].北低,這是由變頻器輸出的高次諧波分量引起的不良京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.影響。而且,變頻器本身也要消耗- -定的功率。加之，[4]王松嶺,安連鎖.流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(jī)(第二版)流量很小時(shí)水泵的效率會(huì)急劇下降,空調(diào)水系統(tǒng)的[M].北京:中國(guó)電力出版社,2000.(上接第128頁(yè))(5)調(diào)節(jié)、觸發(fā)電路:產(chǎn)生一個(gè)保持定子電壓與4結(jié)論電流相位差為30的定子電壓觸發(fā)脈沖。通過(guò)對(duì)電機(jī)在輕載時(shí)運(yùn)行機(jī)理的分析,建立了(6)交流調(diào)壓電路:采用交流調(diào)壓器,產(chǎn)生-一個(gè)電機(jī)節(jié)能的數(shù)學(xué)模型，得出了電機(jī)功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差適合負(fù)載的定子電壓。率以及與定子端電壓的函數(shù)關(guān)系,得出異步電動(dòng)機(jī)(7)給定定子電壓與電流相位差為30°所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行于空(輕)載時(shí)通過(guò)降低定子端電壓可以提高電電壓。動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)結(jié)論，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)- -降壓節(jié)能可行方案。整個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程大體如下:參考文獻(xiàn)電動(dòng)機(jī)兩端的電壓和勵(lì)磁電流經(jīng)過(guò)電壓檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路將幅值降低,然后,通過(guò)電壓相位[1]湯蘊(yùn),史乃等.電機(jī)學(xué)(M].西安:西安交通大學(xué)出版檢測(cè)電路和電流相位檢測(cè)電路將電壓和電流信號(hào)變社, 1993.中國(guó)煤化工M].北京:高等教育出版成了脈沖波形信號(hào),再通過(guò)邏輯電路的整定就得到社,20MHCNMHG了相位角φ的檢測(cè)量,然后經(jīng)過(guò)低通濾波器得到與[3]石生主編.電路基本分析[M].北京:高等教育出版給定的基準(zhǔn)電壓形式- - 致的模擬量,通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)社,2000.電路輸出觸發(fā)脈沖作用于交流調(diào)壓器即得到與電動(dòng)[4]鄧星鐘等.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].武漢:華中理工大學(xué)機(jī)所帶動(dòng)的負(fù)載相適應(yīng)的端電壓。出版社, 1998.4.