二次泵變頻系統比較適合系統大、空調負荷變化大、能源中心與空調建築相對位置較遠的情況。本文以一大型工廠製冷站為例，對一次泵和二次泵水系統變流量控制進行能耗分析。

1　工程概況

上海通用汽車有限公司(以下簡稱通用公司)佔地面積55萬m2，建築面積23萬m2，設有衝壓、車身、油漆、總裝和動力總成五大車間。所有生產車間的供冷、供熱都由製冷站負擔, 總冷負荷為54MW，總熱負荷為16.4MW。配置16DF100直燃雙效溴化鋰吸收式機組15台；23XL290螺桿式冷水機組2台；初級泵15台，每台流量608m3/h，揚程15m，功率37kW；次級泵8台，每台流量1140m3/h，揚程47m，功率200kW。整個冷水循環系統採用次級泵變流量、初級泵定流量，水系統圖見圖1。

2　運行工況

在冷水二次泵變流量系統中，次級泵負責將冷水分配給用戶，初級泵滿足一次循環迴路中的流量恆定。初級泵迴路與次級泵迴路通過連通管連接，這樣次級泵不受最小流量的限制，可採用二通閥加變頻器來控制流量。製冷站供回水溫差5 ℃，供水溫度7 ℃。計算得到的各車間需冷量及冷水流量見表1 。

實測發現，各車間和製冷站水量基本滿足設計流量。由表1可以看出，油漆車間需要的冷量最大，超過總冷量的50%。在空調運行期間，連通管起到了調節出水水溫的作用，部分冷水經連通管直接與回水混合，降低了回水溫度，這樣保證了有特殊工藝要求的油漆車間供水溫度不高於7℃。由於通用公司生產廠房內熱源多、機器散熱量大，在春季較早時間(5 月初)就需要供冷，而到秋季較晚(11 月底)才能停止供冷，所以供冷時間較長。以車身車間為例，取室內設計幹球溫度26 ℃、相對濕度55 %計算不同室外溫度下的各種冷負荷值，結果見圖2 。

由圖2 可看出室外溫度變化時各種負荷的變化趨勢，其中車間內部冷負荷所佔比例很大，而且很穩定。當室外溫度為20～ 23 ℃時，開始有供冷需求，但只是在室外氣溫高於或等於34 ℃(上海市夏季室外計算溫度)時，系統才滿負荷運行，也就是說空調系統絕大部分時間處於部分負荷下運行。

3　變頻控制水系統的能耗分析

3. 1 水泵變頻節能機理

圖3 為水泵的性能曲線與管網特性曲線的關係圖。圖中，S1，S2 為管網的性能曲線，取決於管網的特性(水路中的管道、連接件、閥門及組合空調箱的阻力特性)，且隨閥門開啟度的變化而變化；Ⅰ，Ⅱ為水泵的流量和揚程之間的關係特性曲線，電流頻率改變引起水泵的轉速改變，其特性曲線也隨著發生變化。

在設計工況下，系統在設計壓力和設計流量下運行，運行點就是水泵特性曲線與管網特性曲線的交點1。當空調系統在部分負荷下運行時，電動二通閥關小或末端某個空調箱停機，末端水量由Q1變至Q2，系統阻力增加，引起管網特性曲線由S1變化至S2，如果此時水泵恆速工作, 要使水泵流量變為Q2，就必須關小泵後閥門，使系統阻力從p2增至p3，水泵在點3 工作。此時系統的流量減少，要求較小的壓力，但水泵壓力不僅沒有降低，反而升高了，只有靠關小閥門增加阻力來保證流量。這樣水泵工作點脫離高效區，造成能源的浪費和運行維護費用的升高，是很不合理的。

水泵系統增加變頻調速器可使其從恆速狀態轉變為變速變流量狀態，從而節省能源並增強了控制能力，同時避免了控制閥壓力過大的現象。對於三相非同步電動機，存在關係式：n=60f/m（1）

式中n 為電動機同步轉速；f 為交流電頻率；m為電動機極對數。即水泵轉速與電流頻率成正比。變頻器根據系統要求運行，當末端空調箱的二通閥關小或末端空調箱停機時，末端的流量減至Q2，管網特性曲線變為S2，水泵變頻後特性曲線由Ⅰ變至Ⅱ，水泵流量由Q1變至Q2，揚程變為p2 ，此時的工作點為圖3 中的點2，不需要關小閥門來增加系統阻力，從而降低了能耗。

3. 2 二次泵變頻控制系統能耗分析

在空調能耗計算中，溫度頻率法是一種實用簡化的分析方法，使用簡便，精度又能滿足全年能耗分析的要求。以車身車間為例估算整個空調系統的負荷率。取室內設計幹球溫度為26℃，相對濕度55%，計算不同溫度下的負荷率和水泵功率。在圖3中，點1 和點2 並不滿足水泵相似定律，即水泵消耗的功率不與流量的三次方成正比，而是介於一次方和三次方之間。為了便於計算，仍按三次方關係計算不同負荷率下的次級泵功率。根據上海的溫度頻率統計數據列出表2 。

從表2 可以看出，在部分負荷下變頻次級泵總耗電量為不變頻時的74%(不包括初級泵耗電量)，雖然二次泵變頻控制系統的初投資較大，但其運行費用會降低。

另外，在圖1中，次級泵是並聯在一起的，每台泵的揚程都必須大於額定工況下最不利環路的阻力，近端用戶只能靠增加阻力(選小管徑或關小閥門)使系統阻力平衡，造成不必要的能源浪費。如果對各用戶的次級供水泵分開布置(如圖5)， 並採取變頻控制, 將更有利於初投資的減少和節能。比如離製冷站較近的衝壓車間和油漆車間空調箱在滿足流量的前提下配置揚程較小(不足47m)的次級泵，其功率也隨之降低，而較遠車間空調箱配置揚程大的水泵。這樣使資源的配置更加優化和合理，降低了初投資和運行費用。

3.3 一次泵變流量系統

為了保護蒸發器，傳統的制冷機設計盡量使通過蒸發器的水流量保持恆定。如果水流量下降太快，超過制冷機安全範圍內的反應能力時，就會導致非正常關機，甚至可能會導致蒸發器結冰、管道損壞以及設備停止運行。所以傳統設計大都是初級泵定流量、次級泵變流量設計，即二次泵變流量系統。隨著控制技術的發展，設置前饋反應控制、有即時反應能力的控制系統可以使蒸發器在水流量變化(不低於其最小流量)時，也能正常工作。所以人們開始重視一次泵變流量系統(圖6)。根據某些空調生產廠家的選型數據，對於螺桿機，制冷機最小流量應是設計流量的50%～ 60%；對於離心機，最小流量應是設計流量的25%～35%;而對於溴化鋰吸收式制冷機，其製冷溫度只要在0℃以上，凍結的危險就很小，所以其最小冷水流量會更小。

很顯然，採用一次泵變流量系統，無論初投資還是運行費用都是更加節省的，因為減少了冷水泵的台數，但自控要求將更高。實測可知，通用公司製冷站二次泵變流量系統，初級泵揚程12.3m 就可滿足系統要求，次級泵揚程僅需31m 。顯然，一次迴路和二次迴路水泵均考慮了較大餘量。如採用一次泵變流量系統，不設次級泵，總水流量9120m3/h，揚程按原二次泵變流量系統的兩個迴路(一次迴路和二次迴路)疊加後43.3m 進行選泵，選取流量1150m3/h、揚程52m、功率200 kW的水泵8台就可。仍以車身車間估算整個系統的部分負荷率，對一次泵變流量系統和二次泵變流量系統進行能耗分析比較，列於表3。

可見，一次泵變流量系統水泵的總耗電量是整個二次泵變流量系統的68%，使用一次泵變流量系統將更加節省能源，從而也降低了運行費用。但由於人們對一次泵變流量系統的可靠性還不放心，所以現在實際應用較少。但不容否認，其節能效果是非常好的，相信在以後幾年中，隨著各種技術的進步，一次泵變流量系統將得到廣泛應用。

4 結論

4.1 水泵變頻控制技術運用在空調水系統中可以節省能源，從而降低運行費用。通過分析通用公司空調冷水系統能耗，得出該製冷站在次級泵變頻後，耗電量不變頻的74%，這對於大型生產廠房來說，節電量是可觀的。

4.2 在次級泵變流量系統中，由於到各用戶的分支管路阻力不同，導致對次級泵的揚程要求不同。如能將次級泵分開配置，運行就會變得更靈活，更加節能。

4.3 在該系統中若採用一次泵變流量系統，其耗電量為二次泵變流量系統的68%。

來源：互聯網，作者：董寶春 劉傳聚等。


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