某办公楼中央空调系统冷冻泵变频节能改造效益分析

　　摘要：针对某办公大楼中央空调系统的特点，结合当地实际情况，本文重点介绍了该大楼中央空调系统冷冻水变频改造工程设计中相关数据的计算依据，并通过实际计算数据的分析，讨论了该项目改造的可行性及相关经济效益。
　　
　　关键词：冷冻泵变频，节能，效益分析
　　
　　1、概述：
　　1.1、引言：近十几年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器已广泛地用于交流电动机的速度控制。在暖通空调领域应用变频调速技术，一方面可以极大地节省水泵或风机的电能，实现系统的节能运行；另一方面可以提高系统的运行品质，实现高精度控制，满足对环境舒适度的要求，从而有效地提高经济效益。
　　1.2、项目简介：该大楼为综合办公楼，位于广东省中山市，整栋建筑共五层，总建筑面积约为4900㎡；水泵为离心式管道泵，流量为43CMH，扬程为30M，配套电机额定功率为11KW；系统设计为定流量系统，当主机开启以后，不管末端需求如何，水泵始终以恒定速率运行；原中央空调制冷系统图如下：
　　
　　
　　1.3、变频节能改造方案介绍：将冷冻水泵由恒速运行改为变频调速运行，即将原有的定流量系统改造为一次泵变流量系统；在实际运用中应考虑中央空调主机对水流量的要求以及水泵自身特性，水泵变频器应设定最小运行频率，以保证空调主机及水泵能够正常运行。
　　2、水泵变频节能的理论依据
　　2.1、离心泵是变容积系统，其压头(P)、流量(Q)和功率的关系为：
　　轴功率 ＝有用功率÷泵效率
　　   ＝流体密度×流体流量×压头×重力加速度÷泵效率
　　 对任一在40％以上效率区内的离心泵，其流体流量×压头为近似常数。这一关系通常用离心泵性能曲线表示。
　　2.2、离心泵可以通过改变转速和改变叶轮直径来调整输出性能，其关系称为“离心泵相似率”，即：
　　 在叶轮不变的情况下，转速与流量成正比；
　　 在叶轮不变的情况下，转速的平方与压头成正比；
　　 在叶轮不变的情况下，转速的立方与轴功率成正比；
　　 在转速不变的情况下，叶轮直径与流量成正比；
　　 在转速不变的情况下，叶轮直径的平方与压头成正比；
　　 在转速不变的情况下，叶轮直径的立方与轴功率成正比。
　　对于采用三相异步电动机的离心泵，其动力电源的频率与转速为常数关系——二极电动机约为58.5倍、四极电动机约为29倍。根据离心泵相似率，有如下关系：
　　 离心泵动力电源的频率与流量成正比；
　　 离心泵动力电源的频率平方与压头成正比；
　　 离心泵动力电源的频率立方与轴功率成正比。
　　2.3、一般商用中央空调系统在设计中以最不利状况下的冷量负荷为系统的设计负荷，并以此为据选择制冷主机和附属设备。
　　2.4、根据GB19577-2004《冷水机组能效限定值及能源效率等级标准》，中央空调系统制冷周期内的总负荷可加权近似为：
　　 满负荷运行时间占总运行时间的1％；
　　 75％负荷运行时间占总运行时间的42％；
　　 50％负荷运行时间占总运行时间的45％；
　　 25％负荷运行时间占总运行时间的12％；
　　2.5、采用电动温控二通阀的中央空调系统属于变流量设计，随着末端设备的负荷变化，其主干管路内的冷冻水流量相应改变，空调系统管路阻力曲线随之改变。由于中央空调系统的冷冻水管是闭式绝热的，这些超出需要的动能以摩擦、振动等方式转换为热能释放到冷冻水中，进一步增加了系统的冷负荷。
　　2.6、通过使用变频装置调节离心泵动力电源频率，可以较精确地调整离心泵的流量和压头，以最低的能耗令冷冻水获得必需的动能。
　　3、冷冻泵变频节能改造效益分析
　　3.1、系统定义和计算参数说明
　　 现场系统为4主机并联风冷冷水机组，每台主机配有独立的冷冻水泵；
　　 冷冻水经共用主干管路向末端设备供冷；
　　 末端设备主要采用温控二通阀控制；
　　 为简化计算过程将冷冻水管路的阻力分为冷源段、管路段和末端段，各段占总阻力(Hp)的比例为：冷源段(Ha)25％、管路段(Hb)50％、末端段(Hc)25％；
　　 为简化计算过程将按照1－4台机组运行的方式模拟部份负荷状态。
　　 为简化计算过程将按照冷冻水维持恒定温差计算冷冻水流量，即冷冻水流量与负荷变化维持正比关系。
　　 为简化计算过程在计算部分负荷冷冻水管路阻力时假定冷源段和末端段阻力不变。
　　 为简化计算过程将按照每制冷季节180日，每日运行10小时计算中央空调系统的运行时间，制冷季节总运行时数1800小时。根据GB19577-2004标准，系统总运行时数中满负荷运行18小时，75％负荷(3台机组)运行756小时，50％负荷(2台机组)运行810小时，25％负荷运行216小时。
　　3.2、部分负荷状态下，冷冻水管路阻力和水泵功率计算
　　 符号说明：
　　  HXX% ：在某部分负荷时冷冻水泵的必需扬程。
　　  Ha  ：冷冻水管路在冷源段的阻力。
　　  Hb  ：冷冻水管路在管路段的阻力。
　　  Hc  ：冷冻水管路在末端段的阻力。
　　  P  ：冷冻水泵的运行功率(本项目为11KW)。
　　 A）75％负荷时的冷冻水总阻力(H75%)：
　　  管路段流量为满负荷时的75％，管路段管路特性曲线不变，因此有：
　　  H75%=Ha+Hb×0.752+Hc
　　   =0.25Hp+0.5Hp×0.5625+0.25Hp
　　   =0.781Hp
　　  在75％负荷时，由于管路段阻力减小，冷冻泵的需要扬程降低至满负荷工况的约0.781倍，冷冻泵运行功率约为满负荷工况的0.8倍。因此，通过变频装置使冷冻泵扬程维持所需扬程，每制冷周期的节能为：
　　  W =(1-0.8)P×3台×756小时
　　   =454×11
　　=4994（KWh）
　　 B）50％负荷时的冷冻水总阻力(H50%)：
　　  管路段流量为满负荷时的50％，管路段管路特性曲线不变，因此有：
　　  H50%=Ha+Hb×0.502+Hc
　　   =0.25Hp+0.5Hp×0.25+0.25Hp
　　   =0.625Hp
　　  在50％负荷时，由于管路段阻力减小，冷冻泵的需要扬程降低至满负荷工况的约0.625倍，冷冻泵运行功率约为满负荷工况的0.65倍。因此，通过变频装置使冷冻泵扬程维持所需扬程，每制冷周期的节能为：
　　  W =(1-0.65)P×2台×810小时
　　   =567×11
　　   =6237（KWh）
　　 C）25％负荷时的冷冻水总阻力(H25%)：
　　  管路段流量为满负荷时的25％，管路段管路特性曲线不变，因此有：
　　  H25%=Ha+Hb×0.252+Hc
　　   =0.25Hp+0.5Hp×0.0625+0.25Hp
　　   =0.531Hp
　　  在25％负荷时，由于管路段阻力减小，冷冻泵的需要扬程降低至满负荷工况的约0.531倍，冷冻泵运行功率约为满负荷工况的0.55倍。因此，通过变频装置使冷冻泵扬程维持所需扬程，每制冷周期的节能为：
　　  W =(1-0.55)P×1台×216小时
　　   =97×11
　　   =1067（KWh）
　　3.3、变频装置投资回收周期计算
　　 由于本项目的中央空调系统运行时间为8时至18时，根据中山市大工业峰谷电价标准此时段的电价加权平均值为1.01元/KWh(不分峰谷的大商业电价为0.97元/KWh)。因此，变频改造后冷冻水泵在一个制冷周期内可节省：
　　 (4994+6237+1067)×1.01=12421元
　　 本项目冷冻泵变频改造总投资约为40000元，回收周期约为3.22年。
　　4、结论和建议
　　 尽管上述计算过程中存在一些假定和参数简化，例如恒定供回水温差、管道和设备的阻力比例关系、末端负荷正态随机分布等，但仍然从流体力学原理上说明了在多(3台或以上)泵并联系统中，部份流量工况下存在较大的变频节能空间。
　　此外，以下因素也会影响中央空调系统的冷冻泵能耗，并使得多泵并联系统的变频节能结果远大于上述计算结果：
　　 设计师在管道水力计算过程中通常取较大的余量系数致使水泵设计规格过大；
　　 水泵选型时工况点选择不当，造成水泵在低效率区运行；
　　 水泵制造商有各自的型号和模数，设备选型时匹配失当，造成“大马拉小车”的结果；
　　 在同时更换旧水泵的变频节能项目中，高效电机和高效新泵体的节能作用往往被误归结为变频改造的效果。
　　
　　
　　参考文献：《变频调速技术与应用》电子工业出版社李良仁著
　　《泵与风机节能技术》化学工业出版社魏新利等编
　　《中央空调系统模糊控制节能技术及应用》中国建筑工业出版社李玉街等著

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