变频变流量系统的节能分析与控制

变频变流量系统的节能分析与控制

吴德胜∗ 杨昌智

（湖南大学土木工程学院，410082）

【摘 要】 本文论述了空调冷冻水系统的变频节能原理，从管路和水泵两方面分析得出实际工程中变频系统

不节能的原因在于采用定压差控制，通过一个简化的空调冷冻水系统，对比计算了在定压差控制和变压差控制下变频水泵的节能效果，得出变压差控制可以最大实现变频的节能效果。

【关键词】 变频；节能；定压差；变压差；最小压差控制

Energy Saving Analysis and Control of Frequency Conversion Variable Water Flow System

Wu Desheng Yang Changzhi

（School of Civil Engineering Hunan University 410082）

【Abstract】 Discusses the energy saving principle of frequency conversion chilled water system, analyzes from both the pipe lines and pumps to find that the energy saving failure reason in actual engineering is the constant pressure difference control method. Through a simplified chilled water system, compares the pump energy saving under constant pressure difference control method and variable pressure difference control method. It could be concluded that under variable pressure difference control method, the frequency conversion system can reach the maximum energy saving efficiency.

【Key words】 Frequency conversion；energy saving；constant pressure difference；variable pressure difference control method； minimum pressure difference control

1 概述

随着能源价格的不断上涨和能源需求的迅速

增加，节能在我国已经被作为一项提出。目前我国供暖空调的能源总量已超过一次能耗总量的20%，因而节约空调能耗，提高空调系统的能源使用效率就显得越来越重要。

空调系统的一个显著特点就是部分负荷的情况占绝大多数。一栋典型的公共建筑其全年的冷负

由图可知，负荷低于70%荷分布频数如图1所示[1]，

的时间在全年中超过90%，因而在部分负荷的情况下保持空调系统的制冷效率，对节约空调能耗就有非常重要的意义。

15时间频数(%)2 水泵的变频节能

空调系统部分负荷下的节能主要通过提高低负荷条件下制冷机的COP值和降低部分负荷下水泵和风机的电耗。前者主要依靠制冷机厂家的技术革新，而后者主要在工程中采用合适的技术形式。空调负荷下降时输送冷量的冷冻水流量的需求也下降，因而可通过减少冷冻水的输送量来降低水泵的能耗，目前备受推崇并且使用越来越广泛的就是变频调速变流量技术。由于电机的转速

n=60f(1−s)/P，式中，f为电流频率，s为转

差率，P为电极对数，理论上利用变频技术可以实现电机的无级调速，从而实现水泵流量的无级调

在相似工况下有： 节。根据流体力学的相似原理[2]，

1050020406080100负荷率(%)Q1n1

= (1) Q0n0

图1 部分负荷率的时间频数

∗

吴德胜，男，1982年4月出生，在读硕士研究生，湖南大学土木工程学院

2007年第1期 制冷与空调 25

H1⎛n1⎞⎛Q1⎞

=⎜⎟=⎜⎟ (2) H0⎝n0⎠⎝Q0⎠

N1⎛n1⎞⎛Q1⎞

=⎜⎟=⎜⎟ (3) N0⎝n0⎠⎝Q0⎠

式中Q为水泵流量，H为水泵压头，N为水泵轴功率，n为水泵转数，下标0表示在额定工况下的值，下标1表示在转数n1下的值。

从关系式中可以看出，水泵的轴功率与流量三次方成正比，因而流量减小时，轴功率将迅速下降，下表列出了当流量变化时，水泵轴功率的变化情况。

表1 部分流量下水泵的轴功率

流量（q1/q0）%

100 90 80 70 6051.2 34.3 21.65012.5

3

3

22

图2 实际系统中水奈的转速与工作点

实际的变频系统中一般采用定压差控制方式，即保持供回水干管的压差∆P恒定。当流量变小

时，可认为水泵的扬程H=∆P+∆P'（∆P'为冷冻水系统中冷冻机房部分压降）基本不变。根据水泵的有效功率公式N=ρgQH，ρ、g为常数，水泵的功率只与流量的一次方成正比，节能的效果大打折扣[3]。

3.2 水泵并联的影响

功率（N1/N0）％ 100 72.9

可见在变频变流量的情况下，水泵的功耗急剧下降，节能非常明显。但是在许多实际的变频变流量空调系统中，尤其在改造的系统中，变频节能的效果并不明显，甚至根本不节能，原因何在呢？下面分别从管路系统和水泵两方面来分析[3]。

3 影响变频节能的因素

3.1 管路系统变化的影响

图2为一冷冻水系统的水泵和管路在设计工况下的特征曲线图，o点为水泵设计工作点，此时水泵转速为n0，流量为Q0。当流量下降至Q1时，理论上水泵转速应该降至n1，但实际系统中负荷下降时许多操作者会通过关小阀门来减小流量，此时管路特征曲线会变陡，实际系统中水泵只能降速至

图3 变频泵与定速泵并联的水泵特征曲线

n2，此时水泵工作点为2点，而n2>n1，水泵节

能下降。所以，在设置了变频调节的系统，不应该先通过调节阀门来调节流量，而应尽量先利用变频装置的变流量能力。

实际的系统中一般是多台水泵并联，为了节约成本，许多工程采取只使其中一台水泵变频，即“一变多定”的形式。空调水系统中使用的离心水泵特征曲线一般都比较平坦[4]，多台水泵并联后特征曲线更加平坦（如图3）。此时并联的定速泵再与变频泵并联时，就不得不考虑水泵的扬程。图中两台定速泵在设计工况下的扬程为H0，并且在运行过程中不变，则与之并联的变频水泵要能真正发挥作用，其扬程不能低于H0[5]。这样水泵的变频范围

26 制冷与空调 2007年第1期

就受到了很大的，只能很小程度地变频[6]，就变频器本身来说，在低负荷下效率也将下降，不宜无扩大变频范围[7]。另外变频水泵的扬程只能保持在H0，由前面的分析可知，此时水泵的功率只与流量成正比关系，所以水泵变频的作用有限，节能效果不明显。

H0=∆PCABD+∆PDFH+∆PCEG+∆PGH=250kPa，有效功率N0=ρgQ0H0=4.9KW。考虑两支路流量变化相同和各自分别变化两种情况。 4.1 末端流量相同变化 当负荷减小流量下降时，考虑两个末端流量变化相同，同时变化到70%，若采用定压差控制，则4 定压差与变压差控制的节能比较

通过上面的分析可以发现，变频变流量节能效果不明显主要原因是变频后水泵的扬程不能改变，特别是在定压差系统中，为了保证供回水干管的压差，水泵必须提供相应的扬程。而定压差的目的只是为了保证各个末端有充足的压头来保证流量，而如果能够保证每个末端的流量，压差是可以改变的，即可以采用变压差控制。下面以一个简化的水系统来对比这两种控制方法下变频变流量系统的节能效果（见图4）。

系统作如下假设：

（1）水泵能自由变频；

（2）制冷机房的管路阻力数在变流量过程中不变；

（3）水泵和制冷机对流量没有。

DFEC的压降不变，CABD的压降 ∆PCABD'=∆PCABD(Q'/Q0)2=39.2kPa H1'=∆PCABD'+∆PDFH+∆PCEG+∆PGH=209.2kPaN1'=ρgQ'H1'=2.87KW，水泵节能41.4% 若采用变压差控制，由于末端负荷的变化比例相同，可以只调节水泵的转速降低流量至Q'，管路不用改变，就可使末端的流量改变至要求的水平。此时 H2'=sQ'2=H0(Q'/Q0)2=122.5kPa N2'=ρgQ'H2'=1.68KW，水泵节能65.7% 此时变频变流量的水泵功率达到理论上的与流量三次方成正比的理论水平，节能最大。 计算流量连续变化的情况下，定压差控制和变压差控制方式下水泵的功率作曲线如图5。从图上可以看出，变压差控制的节能效果远远优于定压差控制。 图4 简化的空调水系统 图中在设计工况下： ∆PCABD=80kPa，∆PDFH=∆PCEG=50kPa，∆PHMG=∆PHNG=70kPa，流量Q0=20L/s，QHMG=QHNG=10L/s水泵的工作扬程 图5 末端水流量连续相同变化时两种控制方法的水泵功率曲线 2007年第1期 制冷与空调 27

简化的情况，并且支路间相互耦合，各末端的流量变化也总是交替往复，因而不可能根据具体的计算来得出每种情况下各支路阀门的阀位和水泵应提供的扬程。实际可操作的方法是最小压差控制法[8]

，具体做法是：当流量变化时，按一定规律减小供回水干管的压差，同时检查各阀门的开度，当一定比例的阀门处于全开状态时，就认为此时的压差为最小压差。虽然这样不能达到理论上的最节能控制，但是它尽可能减小了阀门关小带来的节流损失，并且在实际操作上也是可行的。

图6 末端水流量分别连续变化时两种控制方法

的水泵功率

5 结论

5.1在相似工况下，水泵的有效功率与流量的三次方成正比，通过变频调速变流量有很大的节能余地。 5.2实际工程中应用变频变流量技术节能效果不明显主要是因为：1.采用定压差控制；2.变频泵与定速泵并联。这两点使变频水泵的扬程在变频时不能相应降低，极大地降低了变频的节能效果。

5.3 定压差并不是必须的，采用变压差控制，水泵变频变流量能获得明显的节能效果，在某些情况下能达到水泵功率与流量三次方成正比的理论节能效果。

5.4 实际工程由于末端复杂多样，流量变化无规律，可采用具有可操作性的最小压差控制法。

4.2 支路流量分别变化

考虑更一般的情况，末端水量变化不相同，M的水量变为70%，而N的水量变化为50%。采用定压差控制时

∆PCABD''=∆PCABD(Q''/Q0)2=28.8kPa

H1''=∆PCABD''+∆PDFH+∆PCEG+∆PGH=198.8kPaN1''=ρgQ''H1''=2.34KW，水泵节能52.2%

若采用变压差控制，则首先要满足流量较大的

HMG支路所需要的压头

参考文献

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[2] 周谟仁.流体力学 泵与风机.第三版.北京：中国建筑工

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研究.2002，23（2）：35～36

[5] 李锡冲.空调两级泵水系统变频调速的自控设计.暖通

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[7] 黄文厚，李娥飞，潘云钢.一次泵系统冷水机组变流量

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自动化博览

∆PHMG''=∆PHMG(QHMG''/QHMG)2=34.3kPa∆PCABD''=∆PCABD(Q''/Q0)2=28.8kPa ∆PDFH''=∆PCEG''=∆PDFH(Q''/Q0)2=18kPa H2''=∆PCABD''+∆PDFH''+∆PCEG''+∆PGH''=99.1kPaN2''=ρgQ''H2''=1.17KW，水泵节能76.1%

计算两末端流量均连续变化时，定压差和变压差控制方式下水泵的功率如图6所示。

从以上计算可以看出，不管末端流量如何变化，变压差控制节能效果都要优于定压差控制。 4.3 最小压差控制

实际工程中的末端数目和种类都要远远多于