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1、分类号U D C 注!密级学位论文空调一次泵水系统变流量节能分析(题名和副韪名)邹期5(作者姓名)指导救师姓名李苏遇型壑堡申请学位级)：；|-塑专业名称盥!女鱼堕!幽擘论文提交日划一2 Q Q 5，6论文答辩日期2 Q Q 5：互学位授予单位和日期由室垄兰苤主答辩委员会主席评阅人2 0 0 5 年6 月日注1：注明国际十进分类法L D c 的分类号。坝L 论文空调一次泵水系统变流量节能分析摘要本文研究了空调一次泵变流量系统，对冷冻水和冷却水变流量控制方式分别进行了研究，并进行节能性分析。对冷却水变流量的定温差控制方法和冷却水出水温度控制方法进行了定量研究；对冷水变流量的温差控制方法和压差控制方
2、法进行了比较；同时，分析了冷冻水和冷却水均变流量情况下的节能效果。研究了变流量对于冷水机组制冷性能的影响，并对变流量的综合节能效果进行了分析。建立了热湿参数与冷水流量之间关系的数学模型，定量分析了变流量对空调术端设备的换热和除湿性能的影响。最后，根据实例，给出了在具体的系统改造中，一次泵变流量相对定流量的节能效果和系统改造的投资回收期。关键词：空调，一次泵，变流量，节能顺I 论文窄调一次泉水系统变流量节能分析A b s t r a c tT h ep r e s e n tp a p e rs t u d i e st h eV a r i a b l eP r i m a r yF l o
3、w(V P F)i na i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s A n a l y z e st h ec o n t r o lw a y si nt h ew a t e rs y s t e m sa n dt h ee n e r g y s a v i n gc a u s e db yv a r i a b l ef l o w Q u a n t i t a t i v e l ys t u d i e st h ev a r i a b l ec o n d e n s e rw a t e rf l o wc o n t r o l
4、 l e db yt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ee n t e r i n gw a t e r C o m p a r e st h ed i f f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ec o n t r o lw i t ht h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec o n t r o li nv a r i a b l ec h i l l
5、 e dw a t e rf l o w A n a l y z e st h er a t i oo ft h ee n e r g y s a v i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ev a r i a b l ef l o w si nt h ec o n d e n s e rw a t e rs y s t e ma n di nt h ec h i l l e dw a t e rs y s t e m S t u d i e st h ee f f e c t so fv a r i a b l ew a t e rf l o
6、wo nc a p a c i t yo fc h i l l e r sa n dt h er e s u l t i n ge n e r g y-s a v i n g S e t su pm a t h e m a t i c a lm o d e l s，a n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e st h ee f f e c to fv a r i a b l ec h i l l e dw a t e rf l o wo nc o o l i n gc a p a c i t ya n dd e h u m i d i f y i
7、 n gc a p a c i t yo fa i rc o o l e r sa n df a nc o i l s F i n a l l y，t a k i n gr e f o r m a t i o no ft h ec o n s t a n tp r i m a r yf l o ws y s t e ma sa t le x a m p l e，c a l c u l a t e st h et o t a le n e r g y s a v i n go ft h eV P Fs y s t e mc o m p a r e dw i mc o n s t a n tp r
8、 i m a r yf l o ws y s t e ma n dp a y m e n tb a c kp e r i o do f t h ei n v e s t m e n t K e y w o r d s：a i r-c o n d i t i o n i n g，p r i m a r yp u m p，v a r i a b l ef l o w，e n e r g y s a v i n g【IP7 6 3 2 6 7声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任
9、何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：垒伞眸u 口箩年6 月2 7 日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：孟玲乙卜山。哆年6 月2 7 日硕一i 论文窄调一次象水系统变流量节能分析1 前言1 1 背景我国是世界上最大的发展中国家，长期以来坚持“能源开发与节约并重，把节约放在首位”的能源方针。最近几年的夏季，
10、我国许多城市都出现了电力紧张，2 0 0 3年，全国2 3 的省份出现“拉闸限电”，而2 0 0 4 年这种趋势进一步加剧。供电部门被迫实旋强制性错峰用电的现象，影响了居民的E 常生活和企业的生产经营。解决电力紧缺问题，“开发新能源”是一个方面，但更重要的还是在“节约”上下功夫，真正落实“节约优先，效率为本”的能源战略。为此国家制定了一系列的有关节约能源的法规。目前我国正处在经济发展的高速阶段，城市化水平和人民生活水平日益提高，高级写字楼，高级宾馆，高级住宅和大型商场纷纷崛起，随着人们对舒适性要求的R 益提高，暖通空调在建筑中相当普及，由此带来的建筑能耗高速度增长。建筑使用能耗占国民经济总能耗
11、的比例已经从原来的1 4 水平向1 3 水平发展【6 1。暖通空调是建筑能耗中的大户，占5 0-6 0。以上海为例，上海夏季空调用电约占全市用电量的4 0，因此空调系统的节能研究对降低建筑能耗，乃至对国民经济的可持续发展都具有十分重要的意义。现代空调系统在节能研究主要集中在两方面，一方面是冷热源节能的研究，包括新能源的利用，如太阳能的利用：另一方面是空调装置输送系统节能方面的研究。前者是开发新能源；后者是节约水泵和风机的输送能耗，采用变流量。通常，办公楼、高层旅馆空调用水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的1 5 一2 0【I】。空调系统的设计负荷用室外气象参数都是以最不利情况来确定的，而每年的气
12、象条件都是呈周期性变化的，这就决定了空调负荷分布是不均匀的，末端用户设备所需要的冷冻水量也是不均匀的且会小于设计流量。目前，空调水系统一般设计成定流量，当用户侧负荷改变时，为调节输送水量会采用旁通并使用大量的水阀对系统中水量进行调节，使其满足所要求的工况。它们调节的原理是增加系统的阻力，以消耗水泵提供的多余的压头，达到减少流量的目的。因此，这些调节阀的调节作用是以消耗水泵运行能耗为代价的，使水泵6 0-7 0 的电能消耗于调节阀上”J，这种情况造成了能源的巨大浪费，而且还会使制冷机效率下降。空调水系统应该在满足空调末端负荷的前提下，尽可能减少流量，以节约水泵的输送能耗，这就是变水量系统。变水量
13、系统可以根据实际负荷的大小改变送到各用户处的冷水流量。水泵也可以根据系统实际所需流量调节其转速或运行台数，从而达到节约水泵能耗的目的。若采用变水量系统，据估算，运行费用比定流量系统硕I 论文空训一次泵水系统变流量节能分析要节约2 5-3 0 1 8 j。对于冷却水系统是否采用变流量，一直以来人们都持谨慎态度，而冷却水流量比冷冻水流量要超出2 0，对于如此庞大的水体，其输配能耗也是很高的，当系统处在低负荷时，如果冷却水不采用相应的变流量，同样会造成输配能耗的浪费，显然也是不经济的。1 2 研究的现状和存在的问题空调变水量系统中，水泵所采用的变频调速是一种先进且较成熟的技术，它对交流异步电机进行调
14、速控制。在各种工程中采用变频调速技术可以实现节约能源，延长设备寿命，降低噪音，改善环境质量的目的。变频调速技术已在民用及工业建筑的中央空调系统设计及工程实践中得到了具体应用，产生了较大的影响并取得了显著的成效。在传统的、无调速工况的传动领域内实现变频调速，可平均节能4 0 以上，特别是在压缩机、水泵、风机的应用上，因为转速和风量成正比关系，和压头成平方关系，和功率成立方关系，因此设备转速的改变直接影响到功率(运行能耗)的变化；变频调速实现了电动机由零电流、零电压开始的软启动，完全消除了电机启动对其它用电设备的损坏；变频调速可以实现对各种工况的连续调节，使系统的运行品质得到改善。变水量空调技术的
15、发展，与控制技术和水泵变速技术的发展是紧密相联的，可以说变水量技术是随着变频调速水泵的出现而开始发展的。变水量系统在美国得到了大量的研究及充分地发展，并广泛应用于各类建筑中的空调系统中。上世纪末，由于变频器价格越来越便宜，控制系统初投资下降，变水量更呈现出其节能优势。二级泵系统及多级泵系统的设计理论的研究和应用更为充分。变水量系统开始研究如何最大限度地减少冷水输送系统的能耗。伴随着计算机及电子技术的高速发展，变水量系统的研究进入了高潮。水泵、变速驱动器及控制器等设备的性能已经极大地得以提高，完全能满足冷水系统的各种要求。直接数据控制(D D C)增强了控制水泵的能力，此时，开始大量使用计算机进
16、行冷水系统的优化设计，它同时也为水系统的分析提供了新的工具，由于计算机的使用，使得进行水系统分析，估计变水量系统实际节约能耗也变得更为容易。在这段时期，对冷水机组蒸发器及冷凝器都变流量的一次泵系统开始有所研究，并且冷水机组可以根据实际需要的冷量调节自身的制冷量，保证了机组的高效率运行，使冷水机组变流量设计成为可能【9 1 1 1。在我国，变水量系统已经不再陌生，由于变频器技术的成熟和变频器价格的下降，空调设计者越来越意识到变频器改变水泵转速的效益及巨大的节能潜力。但在实际工程中的应用却很少，所谓的变水量系统大多都只是空调末端处变水量，虽然顾i 论文卒渊一次泵水系统变流量节能分析变频器已用于冷水
17、系统中。其具体的控制方法、节能效果分析等方面的研究，尚只能说是一种初级的研究。目前改变系统总水量的方法多为采用改变水泵运行台数的一级泵系统，这属于水泵的有级调节，水泵还远没有达到最大限度的节能，要达到最大限度的节能就要使水泵采用无级调节。目前，变频水泵在二次泵系统中的应用已比较成熟，但由于二次泵系统的初投资比较大，而且占地比较大，同时，=次泵变流量系统最常见的问题是“低温差综合症”，由于本身次侧和二次侧有旁通管的存在，这种缺陷无法克服。实际上即便是台数调节的二次泵系统在工程中应用也不多。一般应用在大型建筑中，如展览馆。在普通办公楼中应用很少，更不用说变频调速的二次泵系统，它在工程中的应用更是甚
18、少。一次泵变流量目前还没有被广大的空调用户所接受，主要是控制技术尚不成熟，要推广一次泵变流量(V P F)最重要的就是要提供冷冻机房群控的程序和规范文件，包括：设计工况与部分负荷下的运行：最大与最小冷冻水流量的控制；瞬间流量变化；加机和减机。要做到工程设计人员、冷冻机制造商以及控制系统供应商之间密切配合。这些也是我国一次泵变流量得不到推广的原因。因此，不管是不变主机流量的二次泵变流量系统还是一次泵变流量系统，在实际应用中很少，在我国变水量系统的研究还需从理论走向实践。1 3 本论文研究的内容就目前空调节能的现状，把二次泵变流量和一次泵变流量进行比较分析。得出推行一次泵变流量系统是目前空调研究的
19、主体方向，也是推行空调节能的首选策略。本文针对空调中输配系统进行节能，根据末端需求，在一次泵系统中，控制水泵频率进行速度调节，同时主机蒸发器的流量也根据系统负荷进行水量控制。在一次泵变流量系统中，根据数据对主机变流量的性能进行模拟分析。对整体节能进行分析，并和一次泵定流量进行比较，评价节能的效果，同时分析了变流量对用户末端的影响。对于冷却水系统，研究了冷却水变流量在不同控制策略的情况下的节能率以及对主机性能的影响，并进行了比较分析。选择合适的控制策略，对冷却水系统也采用变频调速，节约冷却水泵的输送能耗。本文根据模型，就试验提供的数据，进行定量分析。并对不同的控制方法进行节能性比较，并进行总体节
20、能分析。顺 一论_ 史空调一次泵水系统变流量节能分析2 冷水变流量节能分析2 1 一次泵变流量系统简述一次泵变流量系统(V P F)的定义概述如下，当末端空调负荷变化时，电动二通阀调节开度，改变冷冻水量，此时采用一定的控制措施，变频水泵和冷冻机组的水流量都随负荷的改变而改变，在旁通管上增设了旁通控制阀，以维持运行冷冻机的最小流量，如下图所示。图2 1 1 一次泵变流量系统简图和二次泵变流量系统相比，最显著的一个特点是少了一组定速泵。另外在旁通管上多了一个控制阀，当系统水量小于单台冷冻机最小允许流量时，旁通阎打开，旁通一部分水量使冷冻机运行在最小允许流量之上。最小流量由流量计或压差传感器测得。系
21、统末端仍然安装二通调节阀，水泵的转速由系统最远端压差的变化控制或供回水温差控制。冷冻机和水泵的台数不必一一对应，它们的台数变化和启停也分别独立控制。V P F 系统可以改变整个系统中的循环水量，既包括流经蒸发器的冷冻水流量，和冷却盘管中的冷冻水流量。V P F 不仅仅节省了二次泵变流量系统中低效率的一次定流速泵，而且省去了管线，接头及其工程费用，电力设备等，机房空间的需求也随之降低，这些都可观的节省初投资。它较之二次泵系统不但初投资小，而且能减少水泵的运行能耗u 玑。硕L 论文空调一次泉水系统变流量节能分析2 1 1 一次泵变流量系统的控制策略一次泵变流量系统的冷冻水泵的变频控制策略，和二次泵
22、相同。针对加减机的控制策略加以讨论。如图2 1 I 所示，三台冷冻机，每台额定流量为G 0，进出水温度设定为7。C 1 2。当负荷上升时，水泵跟踪末端负荷，加大转速，增加流量，使系统供水温度上升到8。C，超过设定值7。C，则持续一段时间，另一台冷冻机被加上去，可以看出，当加机日口只有一台机组运行时，机组蒸发器流量会增加到1 2 5 G o，大于机组额定流量G 0，可见水泵和机组的控制是分开的。当另一台机组加上去后，各自承担5 0 的流量。加机的另种控制方法是，通过机房通用控制器获得压缩机运行电流与额定电流之比j，把j 和设定值进行比较，一般设定值为9 0。当大于设定值，并且持续一段时间，则另一
23、台机组会投入使用。减机控制以压缩机电流为根据，将每台机组运行电流百分比麟的和除以运行机组台数减一，如果得到的商小于设定值z o(9 0)，则关一台机组。按以下公式计算：y，景了纠。例：2 台机组运行，压缩机电流为额定电流的4 0，则4 0+4 0：8 0 9 0 2 1在这种情况下关闭一台机组。2 1 2 一次泵交流量的优点一次泵定流量和二次泵变流量系统最常见的问题是“低温差综合症”，所谓“低温差综合症”是指：回水温度低，导致流量高于设定值；冷冻机加减机失调，导致机组效率低；系统供水和回水混合，导致供水温度升高、冷量不足。低温差综合症的起因主要是：盘管结垢，传热系数降低；空气过滤器结灰；控制阀
24、关闭压力不够，控制失调，阀座漏水 温感、控制阀选型错误1 5”。对于二次泵变流量系统，如图2 1 2 所示，遇到“低温差综合症”时，回水温度由原来的1 2 降到1 0。当系统负荷在7 0 时，则要开启3 台冷冻机，且都在部分负荷下运行，一次侧流量为3 G o，受低温差综合症的影响，二次侧水量计算如下。G 1 n=G 2 T 2硕j 论文宁调一次泉水系统变流量节能分析3 G o X 7 0 X(1 2 7)2 G 2(1 0-7)得，G 2=3 5 G 0式中，G l 和G 2 分别为低温差综合症发生前和发生后的流量；乃和乃分别为低温差综合症发生前和发生后的用户侧供回水温差。此时可以看出，3 5
25、 G o 高于一次侧机组全开的水量，且旁通管的旁通作用使系统回水旁通进入供水总管，导致系统供水温度升高，从而达不到用户所要求的冷量，此时3 台冷冻机已经全投入运用，不能再加机，可见在二次泵变流量系统中，低温差综合症导致系统供水温度过高、系统冷量不足，同时造成能耗浪费。对于一次泵定流量系统也存在类似得问题，如图2 1 3 所示的一次泵定流量系统。剐恒斟2 1 2 二次泵变流量系统示意图2 1 3 一次泵定流量系统示意图一次泵变流量系统遇到“低温差综合症”时，如图2 1 1 所示，回水温度由原来的1 2。C 降到1 0 (2。当系统负荷在7 0 时，由于末端冷量不够，水泵增加速度，6硕士论立=窀调
26、一次泵水系统变流量节能分析加大水量，使用户侧流量达到3 5 G。，此时用户流量要高于三台主机额定流量3 G o，每台主机处理水量为1 1 7 G 0，但是由于一次泵变流量系统有自己最大的优点就是，蒸发器流量是可以变化的，而且用户侧回水不会与供水混合，保证了供冷量。一次泵变流量系统避免了一次泵定流量和二次泵变流量系统不能避免的“低温差综合症”等控制失调的不利影响，制冷机和水泵可以不一对一设计，控制互不干涉。虽然都设有旁通管，一次泵定流量和二次泵变流量系统的旁通管是旁通制冷机处理的多余的水量，而一次泵变流量系统的旁通管是用来保证制冷机的流量不低于其最小值。省去了定速泵和主机处理多余的旁通水量的能耗
27、。一次泵变流量的一个显著的优势是可以应用于现在的空调系统改造，因为就目前国内的一些空调水系统都采用的是一次泵定流量系统。将一次泵定流量系统进行节能改造，一般都将其改造为一次泵变流量系统，需要的投资和改造的规模都比较小I l”，下面是对冷水系统变流量的节能性分析，控制策略采取定温差控制和最不利端压差控制。2 2 冷冻水温差控制方法如图所示，冷水系统温差控制的简图：用户7、r L，一睁心=_ 一旁通阀函r 回图2 2 1 一次泵变流量冷水系统温差控制简图温差控制法是在部分负荷时，保持供回水温差恒定，从而减少了流量，降低了水泵输送能耗【l4 1，如图所示，在系统供回水总管上安装了温度传感器，D D
28、C 获得供回水温度五、死，并计算两者之差A T，与系统设定温差死进行比较。当r 一T o：d e a d b a n d 时，控制水泵转速增加，其中d e a d b a n d 为误差死区。当r 一T o：d e a d b a n d 时，控制水泵转速减小。温差控制的原理，根据公式：Q=C G A T(2 2 1)式中，Q 一空调冷负荷，c 一水的比热，G 一冷冻水流量，r 一供回水温度。硕L 论文空调一次泵水系统变流量节能分析冷水机组采用一次泵变流量系统，水泵控制采用温差控制，用户侧负荷改变引起回水温度变化，为保持冷冻水供回水温差恒定，则冷冻水流量要变化，蒸发器内流量也改变。在温差恒定的
29、情况下，则水量与负荷等比例变化，这在很大程度上节约了水泵的输送能耗。2 2 _ 1 水泵变速性能分析一次泵变流量的系统，水泵变速为了节约水泵的输送能耗，在考虑其节能效果之前，来看看水泵的相似定律。水泵的相似定律，公式表示如下f 3 =G _ L 2：鱼(2 2 2)G ln l堡：(马zH 1、n l。(2 2 3)等：(垒)3(2 2 4)V 1n I式中：G 一水泵流量；H-一水泵压头：一水泵功率；一一水泵转速。将冷水机组和冷冻水泵视为一个系统，比较在某一部分负荷情况下，冷冻水变流量与定流量两种情形下系统总能耗的变化。设定流量情形冷水机组输入功率为M，冷冻水泵的输入功率为M l，变流量情况
30、下对应的为M。、J。由于水泵变速调节而引起的整个系统节能为：；(f+j I)一(N o+，j 1)(2 2 5)部分负荷情况下，无论是定流量还是变流量，由于环境温度和工况的改变，冷水机组的输入功率与名义工况下的输入功率M。相差较大，且关系复杂，而对应的性能系数(C O P)虽有改变，但变化幅度相对较小，且后者对于不同机型有较多的参考意义。根据定义，定流量和变流量两种情形下冷水机组的输入功率可以用相应的性能系数C 0 尸和C O P 表示为：N c：j L(2 2 6)C O Pt：旦(2 2 7)C O P 式中，Q 和Q 分别为定流量和变流量两种情形下的制冷量，因此是对应于同样的工况和末端情
31、况进行比较，故两者相等，即Q=Q。因此可得下式：硕士论义空调一次泉水系统变流量节能分析=N p t N p l L Q(赤一面1)(2 2 8)或用名义工况下的输入功率肌。和性能系数C O P。来表示：=_ 彳一。罴(嚣一i C O 万P o)(2 2 9)式中9 和函分别为定流量部分负荷情况下和额定工况下的制冷量，两者之比为部分负荷率。冷水系统为闭式系统，不考虑变流量可能引起的管路阻抗的变化，则水泵的等效率曲线与管路特性曲线重合，在定的调速范围内，根据相似定律，有公式：瓮2c 叫(2 2 i 0，式中，G 1 和G 1 分别为变流量和定流量情形下的冷冻水流量，r t 为冷冻水的相对流量。将式
32、(2 2 1 0)代入式(2 2 9)，可写为：=，I(-r f 3)一瓦Q(、C c O D P P o 一面C O P o(2 2 1 1)我们研究变流量情况下水泵输送能耗相对定流量情况下的节能率，则节能效果相对水泵定流量的公式，可由式(2 2 1 2)整理得：掣小彳一孥_ O(黑一盟)(2 2 1 2)N qjN nQ o、C O P、C O P?令兄：盟 c 0则瓦a N 一1 3 一耐IQ 面c o P o 一旦-己-璺b 7(2 2 1 3)由上式可以看出，冷冻水泵相对于主机功率x 越大，节能效果越显著。2 2 2 温差控制的节能效果以某冷水机组为例【l 鄂，分别以冷水系统定流量和
33、随部分负荷变化的冷水变流量两种情况进行比较，如表2 2 1 和表2 2 2，其中变流量冷水系统采用温差控制法，冷冻水控制在7 1 2，机组额定制冷量为5 0 0 R T(1 7 5 8 k w)，额定功率为3 1 3 k W，冷冻水额定流量为3 2 7 3 咖，、冷却水的进水温度是根据A R IS T A N D A R D5 5 0 5 9 0 1 9 9 8 得，如图2 2 2，水冷式空调机组冷却水进水温度和部分负荷率存在一定的关系。冷却塔处理冷却水的温度主要由空气的湿球温度决定。在空气的湿球硕 论文空调一次泉水系统变流量节能分析温度一定时，不同水流量情况下的冷却塔出水温度也基本相同【1
34、6】。当空气的湿球温度降低时，机组冷却水进水温度降低，同时空调负荷和冷凝器中的散热量也随之减少，空调处于部分负荷状态。经过人们长期实践，建立了冷却水进水温度和部分负荷率之间的关系。O2 04 06 08 01 0 0负荷率图2 2 2 冷却水进水温度与负荷率的关系表2 2 1 某离心机水系统定流量情况下的运行数据表负荷率1 0 09 59 08 58 07 57 06 05 0对蒸发器恒定流量的一次泵定流量系统，在部分负荷下，冷冻水通过旁通控制，旁通掉多余的水量。保持制冷机组对系统的供水温度仍然为7。C，回水温度随负荷J 0弛勰拍孔挖博p趟赠*制雌嶷佥硕士论文卒调一次泵水系统变流量节能分析的变
35、化而变化。与变流量系统温差控制的不同点是：定流量系统是保持冷冻水量不变，而使供回水温差随负荷成比例变化。当负荷降低时，温差也很低，这种情况其实是造成了冷冻水系统的低温差大流量，浪费了泵的输送能耗。表2 2 1 还可以看出，定流量下，当负荷在7 0 时，机组C O J P 最高，而不是在1 0 0 负荷下，厂家一般把机组最高效率点设在部分负荷工况下，当负荷继续降低时，由于定流量系统的旁通管要旁通更多的水量以保持蒸发器恒定流量，导致蒸发器回水温度过低，使机组性能下降，C O P 下降。从上两表的对照可以看到，在相同的负荷下，变流量机组的C O P 要比定流量小，可见交流量对机组性能是有影响的，所以
36、在评价变流量系统温差控制的节能效果时，要考虑到机组的附加能耗，也就是说在部分负荷时，蒸发器改变水流量，机组制冷量相同时，变流量情况机组要多出力。表2 2 3 冷却水变流量温差控制法的节能计算表对表2 2 2 中的数据进行计算，分别假设水泵相对主机功率 为1 0、1 5、2 0，即功率为3 1 3 k W、4 6 9 5 k W、6 2 6 k W，如上所示计算表，其中节能率是针对单台冷冻水泵的额定功率而言的，即相对定流量水泵输入功率。由上表可以看出，变流量引起的主机性能附加能耗并不大，也就是式(2 1 1 2)中的瓮芑(器一器)f 艮，J、，醌蒸发器变流量对制冷机性能的影响随着制冷机性能的提高
37、，是可以克服的。节能率随着负荷的降低而增加，同时，着水泵相对主机功率越大，则节能率越大，如下图所示，不同功率的水泵的节能率有差异，随着负荷率的下降，节能率上升，不同功率水泵在7 0 负荷以上节能率差别不大，因为此时水流量变化比较小。当负荷率继续下降，水泵功率越大则节能率上升的越快。硕l j 论文空调一次泉水系统变流量节能分析1 0 0 9 0 8 0 一7 0 i6 0 一X谆5 0。嚣4 0 i3 0 2 0 i1 0-n U，1 0 09 08 07 06 05 04 03 02 0负荷率图2 2 3 水泵的竹能率随负荷率的变化表2 2 4 某地区空调负荷时间频数表负荷率51 02 03
38、04 05 06 07 08 09 01 0 0时间频数0 10 14 91 9 53 1 62 0 81 1 97,62 30 9O 3空调绝大部分时间是在部分负荷下运行，如表2 2 4 所示，人们较关心的是采用变流量，在整个空调过程中的水泵运行能耗的节能率。表2 2 5 不同功率水泵年运行节能率计算表负荷率时间频数=1 0 =1 5 =2 0 节能率节能率节能率节能率节能率节能率时间频数时间频数时间频数】0 00 3OO00009 00 92 4 0 32 1 6 32 4 6 62 2 1 92 4 9 82 2 4 88 02 34 2 9 l9 8 6 94 4 2 81 0 1 8
39、 44 4 9 81 0 3 4 57 07 65 8 0 54 4 1 1 85 9 9 84 5 5 8 56 0 9 44 6 3 1 46 01 1 96 8 3 78 1 3 6 07 1 1 48 4 6 5 77 2 5 28 6 2 9 95 02 0 87 6 6 81 5 9 4 9 47 9 7 41 6 5 8 5 98 1 3 41 6 9 1 8 74 03 1 68 0 5 22 5 4 4 4 38 4 7 7 62 6 7 8 9 28 6 5 82 7 3 5 9 3=5 5 1 4 4 7=5 7 6 39 6=5 8 7 9 8 6一年的运行节能率5 5
40、 1 4 5 7 6 4 5 8 8 0 假设水量最小调到额定流量的4 0。不同功率水泵全年节能率计算如表2 2 5硕士论史空调一次泵水系统变流量节能分析所示，可以看出，水泵功率越大，全年节能效果越明显，可见由于空调负荷的不均匀性，采用变流量情况，会节约很大部分的水泵输送能耗。2-2 _ 3 变流量对主机和系统性能的影响冷水机组蒸发器和冷凝器的传热特性，k 2 m o)o8式中，k 一蒸发器的传热系数；m 一常数；蒸发器的传热公式：Q=k F A t=m o8 F A t有经验公式4 1 可得：(2 2 1 4)。一冷冻水流速。(2 2 1 5)式中，Q-冷负荷；F-蒸发器传热面积；A t-对
41、数平均温差。我们来比较一下，同样空调负荷下，冷水定流量和变流量情况下，蒸发器的传热性能。假设满负荷为Q，负荷率为占，计算如下：定流量：Q=kF A t。=kF(S x A t)=8 f l(2 2 1 6)定流量系统，冷冻水流量不变，则传热系数不变，随着负荷的变化，只是传热温差成等比例变化。变流量：Q v=k。F A t=m o o o8 F 出=删：“F A t=占“8 Q(2 2 1 7)因为0 占1，恒有万万o8，所以Q c g。例如，当负荷率为8 0 时，定流量蒸发器换热量为0 8 9，交流量情况下蒸发器换热量为O 8 4 Q，相同负荷下，变流量蒸发器换热量比定流量要多换热5，在这种情
42、况下，蒸发器内变流量不会影响水侧放热I”】。离心式机组，蒸发器流量可以调到3 0，螺杆式机组流量可以调到低达1 0，并且在设计流量的6 0 7 0 以上时，对机组的c o P 也是几乎没有影响的【1 3 1 1 1 9 1 1 2 0 1。冷水机组变流量引起机组c o P 下降，对以上提供的数据，进行分析，比较变流量和定流量主机c o P 的差异，如图2 2 4 所示为定流量和变流量c o P 相对额定工况下的比值与负荷率的关系，机组最高效率点设定在7 0 负荷左右，所以定流量c o p 曲线是先上升后下降。蒸发器变流量情况下，冷冻水流量下降，机组c o P 相对定流量有所下降，变流量和定流量
43、比较来看，在负荷率7 0 以上，也即在变流量情况下，流量在7 0 以上时，变流量和定流量的c o P 差别不大，而且随负荷变化比较缓慢。7 0 负荷时，定流量c o P 升高到额定状态下的1 0 7 2，变流量c o P 升高到1 0 6 1。可以认为在6 0 负荷以上，变流量对主机性能的影响并不大。当负荷在5 0 负荷以下时，变流量和定流量的c o P 都直线下降，机组性能恶化。坝1。论文宅调次泵水系统变流量节能分析8吞1 1 01 0 09 08 07 06 05 04 03 0负荷率图2 2 4 某冷水机组C O P 随负荷率的变化上图中，当负荷继续下降时，对定流量来说，由于大部分冷冻水
44、被旁通掉又重新进入冷冻机，使冷冻水回水温度降低，从而蒸发温度降低，使机组性能下降，C O P降低。对于定流量蒸发器回水温度低引起机组性能下降分析如下。蒸发器内水的传热方程式：Q=C G(t h f。)(2 2 1 8)式中，Q 一冷负荷；C 一水的比热：珞一冷冻机回水温度Ir g 一冷冻机供水温度。式(2 2 1 5)中对数传热温差址=珐(2 2 1 9)l n【!d 1L f g t。J式中，如一蒸发温度。叫G 矽丽t a-习t t(2 2 2。)L，g f c 将上式整理得，Q=C G(e c 6 一1)(f。一f。)(2 2 2 1)由上式可得，定流量时G 为定值，妒7，当部分负荷时，Q
45、 变小时，t e 增大，则机组C O P 降低。如下图所示，蒸发温度对制冷量的影响【9 l。所以可知，定流量情况下，过低的蒸发器回水温度同样会影响机组性能。这是定流量的弊端之一。1 4吣叭毗g 驰驼硕L 论文空调一次泉水系统变流量节能分析10123d56蒸发温度图2 2 5 蒸发温度对制冷量的影响曲线图前面讨论的是额定制冷量为5 0 0 R T 某型号制冷机，蒸发器进出水温为7。C 和1 2，额定C O P o=5 6 1 7，冷冻水随负荷等比例下降。图2 2 6 所示，1 0 0 0 R T 制冷机和5 0 0 R T 的制冷机性能随负荷率的变化曲线，1 0 0 0 R T 制冷机的蒸发器进
46、出水温度及冷却水参数与5 0 0 R T 制冷机相同，额定C O P。=5 9 5 9。可以看到，随负荷率的降低，当它们处理的水量相对各自的额定水量比例相同的条件下，大制冷机的机组性能要优于小制冷机的机组性能。同时图2 2 7 可以看出，两种制冷机的C O P 随负荷都是先上升后下降，大制冷机的C O P 随负荷上升比较快，小制冷机比较缓慢。当负荷率降到7 0 时，小制冷机的C O P 升高4 4，大制冷机升高1 5 6 9，但当负荷继续降低时，小制冷机工作性能恶化，C O P 开始降低，而此时大制冷机的C O P 仍在升高，当负荷降到5 5 时，达到最大，上升幅度高达1 9 2。可见，变流量
47、对小制冷机的负面影响要比大制冷机大。7 27 06 86 66 4邑6 2U6 05 85 65 41 0 09 08 07 06 05 04 0负荷率图2 2 6 不同制冷量主机的C O P 值与负荷率关系加喜：装删受辱硕L 论文空调一次泵水系统变流量节能分析撑。8釜8负荷率图2，2 7 不同制冷量主机的C O P 随负荷率的变化假设水泵相对主机功率为1 5，下图2 2 8 为定流量和变流量情况下，主机能耗和系统能耗随负荷的变化曲线图。由上到下依次为定流量系统功率、变流量系统功率、变流量主机功率和定流量主机功率。可以看到，变流量主机功率和定流量主机功率两条曲线几乎重合，可见变流量对主机能耗的
48、影响并不大：而定流量系统耗功和变流量系统耗功差别较大，随着负荷率的降低，两者的系统功率差别越来越大，主要原因是：随着负荷率的下降，水泵输送能耗降低，变流量节能效果增大，从而变流量系统功率比定流量系统功率下降的快。4 0 03 5 03 0 0要2 5 0船督2 0 01 5 01 0 01 0 09 08 07 06 05 04 03 02 0负荷率图2 2 8 冷冻水变流量耗功随负荷率的变化2 3 冷冻水压差控制方法冷冻水泵采用温差控制在工程中出现的不多，主要原因是这类设计有一定限制，J 6肋Mm硕l j 论文窄调一次泵水系统变流量节能分析外网各空调用户负荷均需按同一规律性同步变化，否则容易
49、出现管网水力失衡问题，影响空调品质【2 1 l。再者如果建筑中某些用户负荷起主导作用，比如建筑中有餐厅、歌舞厅，这些用户负荷在系统中占主导地位【2 2 1，假设它们负荷基本恒定，若其它小用户负衙改变，系统供回水温差变化也不会太大，供水量则几乎不变，这就会导致小用户供水量达不到要求，供冷失衡。分析如下。假设系统中有A 和B 两用户，如图2 2 1 所示的系统，设A 用户额定用水量为3 0 G。，B 用户额定用水量为5G 0，系统设定供回水温度为7。C 1 2。C，温度控制误差死区d e a d b a n d=O 5，即回水温度超过1 2 5 或低于1 1 5 的时候，才对水泵起控制作用。若现在
50、B 用户负荷上升，设B 用户出水温度上升到1 5，则计算得此时的总回水温度T h=1 2 4 3，在误差死区之内，水泵不会调速，总流量不变，最终导致B 用户达不到冷量要求，这是温差控制的弊端之一。若A 和B 负荷规律变化一致，则不会出现这种情况。温差控制适宜用于全空气系统或一次泵定流量系统的改造，因为全空气系统各表冷器端水量调节比较同步，比如大型的商场。应用于系统改造是因为温差控制比较好操作，减少了压差控制特别是最不利端定压差控制的布线和施工带来的麻烦，而且最不利环路很难确定，要在环路中装多个压羞计，这又增加了施工难度。实际的空调设计中，压差控制应用比温差控制多，主要原因之一是系统中压差变化比