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泵水系统变流量的分析 |
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摘要：本文试图解决一次泵水系统变频中的两个关键性问题：1.冷机是否可适应水侧的变流量运行。2.变流量运行对冷机COP和整个系统的影响。通过对冷机厂家的技术调研、冷机变流量运行的热力学模型分析以及整个一次泵水系统变流量运行的技术经济比较，消除了人们对于冷机不能适应变流量工况的担心，指出水侧在一定范围内变流量运行不会给冷机COP带来明显影响（流量减至设计流量的60？COP下降不到10？，而整个水系统的节能效果则是相对显著的，进而从技术和经济上论证了部分负荷时一次泵水系统采取变频运行的可行性，并通过计算，得出了水泵能耗占空调水系统总能耗20？上时可以达到节能的效果。另外，本文对实际工程提出了一些技术要求。
关键词： 制冷机 一次泵 变流量 COP
一、前言
在当前的空调水系统设计中，变流量节能的概念可谓已深入人心。在国内多年的变流量设计或者改造工程中，二次泵水系统使用变频水泵得到了普遍的认可，但一次泵变频却始终得不到推广。实际上，相对二次泵系统，一次泵系统中使用变频水泵有许多有利条件，如设备初投资和占地比较少，对运行调节和自控系统要求较低。另外，根据Thomas B.Hartman的观点，较之二次泵系统，一次泵系统变流量在运行中更为高效[1]。
目前，一次泵变频技术的推广相当有限，究其原因，不外乎有以下几点担心，其中以第一点和第二点最为关键：
1、流量运行会对冷机运行产生不利影响。水侧流量变化可能会导致蒸发器（或冷凝器）的换热效率降低，并产生结冻危险。
2、冷机水侧变流量后COP会明显下降，抵消水泵所节省的能量，使整个系统节能效果不突出，甚至是不节能的。
3、变频会对整个大楼电网带来不利冲击。
4、初设计的问题。在这种情况下，有必要对这些问题进行深入研究，以论证一次泵变频的可行性。
二、可变流量冷机产品技术调研分析
随着冷机控制技术的发展，冷机蒸发器和冷凝器内的流量已经允许在一定范围内变化，一般为设计流量的30%～130%。例如在日立的水冷螺杆式冷水机组样本中，就已明确给出不同型号冷机允许变流量的范围，如表1所示。
此外，日立的测试数据表明，当冷却水出口温度保持恒定时，冷冻水流量和冷却水流量分别变化为原来的83%和85%时，冷机COP下降了约0.4左右，下降幅度约9%，其中包括冷冻水出水温度降低（下降约5℃）造成的COP下降。
对开利、顿翰布什等厂家冷机产品的调研结果与基本符合以上的结论，即：冷机允许蒸发器、冷凝器水侧流量的变化范围为设计流量的30～50%；同时，流量变化时冷机COP变化幅度不超过10%。冷机蒸发器允许的最大和最小水流量（m3/h）表1
 三、一次泵水系统变流量运行对冷机COP影响的热力学研究
蒸发器的蒸发温度是决定冷机COP的一个重要因素，本文用热力学方法来分析蒸发温度和哪些因素有关。在部分负荷时，使用变流量运行，通过比较变流量情况下这些因素与满负荷设计流量情况下的对应值，得出蒸发温度的变化情况。在分析中，设定冷机控制冷冻水的进出水温度为12/7℃。
根据蒸发器侧的传热方程，分析影响蒸发温度的各个因素，可以得到变流量运行时，蒸发温度和相对流量的关系：
这里，m为调节比例系数： ，c1,c2为和特定蒸发器和设计工况有关的常量。A、B为相对传热系数和相对流量关系中的系数： 。在图1中可以看出，尽管对于不同的蒸发器，A、B值有所不同，但是变化趋势相同，并且曲线比较接近。
根据文献[3]中实测得出的数据，可回归得到与满负荷情况比较的相对负荷（即蒸发器的传热量）和设计流量相比较的相对流量的关系式： 
根据式（2）进行部分负荷时的变流量运行调节，由（1）式模拟开利蒸发器蒸发温度的变化趋势，得到图2结果。从图中可以看出，蒸发温度随冷冻水量的减少呈降低的趋势，但是变化不大，在1℃以内。根据不同的A、B值进行计算，可以得到相同的结果。
下面分析在冷却水流量不变的情况下冷机COP随冷冻水流量的变化。
冷机COP的变化与压缩机功率、蒸发温度te、蒸发器传热系数K有关，te和K的变化在前面的分析中已经给出，由样本数据可以得到变流量下压缩机功率随蒸发温度的变化规律，进而得出冷机COP的变化。图3是所得的结果。由图中可以看出，冷机的COP随流量减少呈下降的趋势，在流量下降60%范围内COP下降10%左右。
由以上的计算结果，可以得出以下的结论：
1、流量的减少导致了蒸发器传热系数的降低，总相对传热系数大约和相对流量的0.2次方成正比。
2、在供回水温度不变的条件下，流量变为设计流量60%，蒸发温度下降不到1℃，COP降低的幅度不超过10%。
这里热力学计算的结果和冷机厂家的数据基本相符。
总的来说，冷冻水的流量对冷机蒸发温度和COP的影响不大。只要保证流量没有降低到最小流量以下，保证蒸发器不被冻结，理论上冷机完全可以实现变流量。
四、一次泵水系统变流量运行时系统整体性能分析
虽然流量的降低导致了冷机本身COP的下降，但同时也使泵的能耗大大降低。为了比较这两种互为矛盾的结果对整个系统的影响，定义冷水机组综合COP，计算公式为： 
冷水机组COP可以反映出冷冻水变流量后，整个系统的能耗情况。基于以上分析，得出水泵能耗占整个空调系统能耗的不同比例下，冷水机组综合COP的变化。如图4。
由图中可以得出：水泵能耗占整个空调系统能耗的比例越大，系统综合COP升高幅度越大。泵耗较小，则节能幅度不大。20%左右为临界状态，泵耗比例在比临界比例以下，综合COP先有所下降再上升。所以，若泵耗占整个空调系统能耗20%以上时，使用变流量系统可以达到节能的效果。
以北京某宾馆（建筑面积3.3万㎡）为例，1999年空调系统用电量为391万度，其中水泵耗电量占空调用电量的25%。考虑到一年内大部分时间在部分负荷下运行，系统的平均负荷为设计情况的80%。若采用变流量运行，水流量相应调整为设计流量的60%，则冷水机组综合COP升高近10%，即变流量后每年节电约40万度。以每度电0.5元计，每年可节省费用20万元，经济效益明显。
五、一次泵变频中的注意事项
一次泵水系统中是通过一次泵变频来实现的。通过笔者对中外文献的调研，在一次泵系统变频设计和改造的实际工程中，要注意以下几方面的问题。
1、尽量保证与相似工况点近似，才能达到最佳的节能效果。
2、系统在制冷量低于最小临界负荷时不能运行。
3、流量降低有所控制，不能使流动呈层流状态。
4、要保证满足系统从最小到最大负荷，全流量范围内的所有扬程。
5、水泵程序化运行，要保证水泵的最高效率和最小的径向推力。
6、设计改造时，要能够提供出整个泵装置电力配线与水系统结合后的效率评估，以备查询计算。
7、负荷计算时记录逐时负荷，为变频设计制定参考值。
六、结论
本文在调研和计算的基础上得出了以下结论：
1、目前有许多冷机可以在变流量的情况下工作，且对冷机的COP影响不大。根据厂家产品样本提供的数据，变化幅度不超过10%。
2、用热力学分析的方法得出，冷冻水流量变化为原流量的60%，蒸发温度下降只有1℃，COP下降幅度小于10%，与样本数据相符。
3、虽然冷机本身的COP会随冷水流量降低而略有减少，但由于泵耗的大幅度降低，对整个系统而言，总体能耗减少。并且泵耗所占比例越大，节能效果越明显。泵耗在20%以上，变流量都会带来系统的能量节省。
总之，一次泵水系统变流量运行在实际工程中的应用完全是切实可行的，它不会对冷机性能带来明显的不利影响，而从整个水系统的角度出发，可以实现节能的目的。
七、参考文献
1、 Thomas B. Hartman, P.E, Design issues of variable chilled-water flow through chillers, ASHRAE Transactions: Symposia, v102.n2. 1996,679-683.
2、郭庆堂、吴进发等，实用制冷工程设计手册，p315，北京，中国建筑工业出版社，1997.
3、高养田，空调变流量水系统设计技术发展，暖通空调，1996，3，p21.
4、 J.M. Gordon, K.C. Ng, H.T. Chua, C.K. Lim, How varying condenser coolant flow rate affects chiller performance: thermodynamic modeling and experimental confirmation, ASHRAE Transactions: Symposia, Thermal Engineering 20(2000), 1149-1159.
符号
Q----冷机的制冷量 W1----所有运行冷机的总耗功，Kwh
W2-----所有运行的冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔的总功耗，Kwh
th----冷冻水回水温度Q实----实际负荷、实际冷机制冷量
Q设----设计负荷、设计冷机制冷量 te-----制冷剂蒸发温度
G实-----实际冷冻水流量G设-----设计冷冻水流量
A----蒸发器传热面积 K-----蒸发器传热系数
 ----相对流量
 ---相对负荷
(end)
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(3/3/2005) |
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佳工网友
于6/25/2005 9:37:00 AM评论说：
核心内容是抄的孟彬彬的
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