2009年07月沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Jul. 2009第25卷第4期Joumal of Shenyang Jianzhu University ( Natural Science)Vol.25, No. 4文章編號:1671 -2021(2009)04 -0757 -05閉式循環(huán)水系統(tǒng)的變頻水泵能耗測試王岳人,宋濤,于晶(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧沈陽110168)摘要:目的 探討影響閉式循環(huán)水系統(tǒng)水泵變頻運行節(jié)能效果的原因及工程應(yīng)用中循環(huán)水泵變頻運行的控制范圍.方法通過人工模擬空調(diào)負(fù)荷變化的方法對壓力控制下的空調(diào)實驗系統(tǒng)變頻冷水泵的節(jié)能特性進(jìn)行了實測分析.結(jié)果水泵有效功率和輸入功率均隨著電機頻率的下降而不斷降低，同時水泵效率也隨著頻率下降而降低.當(dāng)電機頻率由“效率突降點"40.82 Hz下降至39.74 Hz時,水泵效率η,從32.43%急劇下滑至23.05%.結(jié)論壓力(差)控制下的變頻水系統(tǒng),在包含“效率突降點”的某一頻段上水泵的運行效率具有急劇下滑的特性.處于或低于該頻段時變頻水泵往往不具備預(yù)估的節(jié)能效果.同時比例定律的直接套用也是導(dǎo)致變頻水系統(tǒng)節(jié)能效果預(yù)估失真的原因.而高于“效率突降點”的頻段時變頻水系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果.關(guān)鍵詞:壓差控制;水泵效率;節(jié)能;變頻中圖分類號:TU831.3*6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A0引言1變頻水系統(tǒng)的壓差控制原理隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)廣壓差控制是變頻水系統(tǒng)的-一種最常見控制方泛應(yīng)用于各種建筑中.目前我國絕大多數(shù)高層商式[1] ,主要由壓差傳感器、變頻器(部分由PLC或業(yè)建筑的集中式空調(diào)系統(tǒng)均為定流量系統(tǒng),并且DDC等控制器來控制變頻器)、水泵及管路等組按空調(diào)設(shè)計負(fù)荷配置,而系統(tǒng)90%的時間是在成.其閉環(huán)壓差控制系統(tǒng)圖見圖1.65%空調(diào)設(shè)計負(fù)荷以下運行,普遍存在“大流量干找小溫差"問題['.隨著能源形勢的嚴(yán)峻,為了解決↓這一問題,水泵變頻技術(shù)被引入中央空調(diào)系統(tǒng)--交頻控制器冷陳水第二一空調(diào)末端用戶個中1-3] ,然而技術(shù)人員普遍反映該技術(shù)在實際工設(shè)定壓差值f4sP程中的節(jié)能效果并不如預(yù)期的那么顯著(4].筆者壓差傳感器對壓力控制下空調(diào)實驗冷水系統(tǒng)的變頻水泵進(jìn)行圄1閉環(huán)壓差控制系統(tǒng)圖了實測,發(fā)現(xiàn)變頻水泵效率隨電機頻率的下降而降低,在某頻段上效率會出現(xiàn)急劇下滑現(xiàn)象,使得壓差控制主要有2種控制方式:供回水干管電機頻率降至該頻段后變頻水泵不具備預(yù)估的節(jié)壓差控制和最不利環(huán)路末端壓差控制(6] ,本實驗?zāi)苄Ч?技術(shù)人員在采用變頻技術(shù)時,應(yīng)考慮效率中測試的空調(diào)實驗系統(tǒng)采用了冷水供水干管壓力下滑因素對水泵變頻節(jié)能特性的影響,從而得出控制,空調(diào)實驗系統(tǒng)如圖2所示.由圖2可以看出,由于膨脹水箱在回水干管客觀合理的預(yù)測分析.b點處的定壓作用，使得壓差設(shè)定值可近似簡化中國煤化工基金項目:國家+一五科技支撐計劃項目(2006DAJ02A12);遼寧收稿日期:2009 -02 -23.MHCNMHG_- 20090作者簡介:王岳人(1956一)，男,教授,主要從事供熱空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究.758沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第25卷為供水千管恒壓點a處的壓力設(shè)定值,系統(tǒng)中的泵性能曲線1。(工頻)與管網(wǎng)特性曲線的交點壓差傳感器也相應(yīng)地可簡化為壓力傳感器,故而M6.隨著室內(nèi)負(fù)荷下降,部分空調(diào)末端機組停止此實驗系統(tǒng)中供水千管的壓力控制實際上即是供運行,管路系統(tǒng)中電動二通閥的開度相應(yīng)減小,系回水干管壓差控制.統(tǒng)阻力增加,管網(wǎng)特性曲線由S。變化至S.負(fù)荷變化過程中,水泵的運行工況點在干管壓力控制目脹水箱下沿等壓力線P=P。(等壓差線)由M。變化至M,水泵電機轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速no變化至n;,流量測點由Qo減小至Q.水泵有效功率與其流量關(guān)系(”壓力變送器為除幫C J99調(diào)N, =yQH=Q(Po-Pb),(1)冷水機組式中:N。為水泵有效功率,kW;r為水的重度,變頻器kg/m' 's;Q為水泵流量, m'/s;P為系統(tǒng)設(shè)計壓力,MPa;P,為系統(tǒng)定壓點b處的壓力,MPa.由式(1)可以看到,對于AP=(Po-P,)為常圖2空調(diào)實驗系統(tǒng)當(dāng)空調(diào)負(fù)荷變化時,由于相應(yīng)管路上控制閥數(shù)的定壓系統(tǒng),水泵的有效功率是與水泵流量成門開度的自動變化而引起供回水干管上壓差變化正比的.當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)流量減小時水泵輸人功率也(供水壓力的變化) ,壓力傳感器采樣后將這一-變隨之相應(yīng)減小，從而達(dá)到水泵節(jié)能的目的.根據(jù)冷化傳送給變頻控制器,變頻控制器與預(yù)設(shè)的供水凍水泵的額定揚程,筆者將水泵的供水壓力P。設(shè)壓力值進(jìn)行比較后,產(chǎn)生輸出信號調(diào)節(jié)水泵電機為0.3MPa,水泵實際運行工況如圖4所示.從圖的運行頻率和轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)改變水泵的流量來中可以看出,整個實驗過程中水泵揚程基本穩(wěn)定在定值H=27 m處.適應(yīng)空調(diào)的負(fù)荷變化.2壓力控制下變頻水泵的節(jié)能分析，-++"+2st圖3為供水干管壓力控制下水泵的運行工況圖.圖中S.-.S為管網(wǎng)的特性曲線,對于空調(diào)系統(tǒng)而言,管網(wǎng)特性變化主要取決于系統(tǒng)中閥門的相對開度. ...I為水泵變頻(工頻)狀態(tài)下的性能曲線.當(dāng)頻點改變引起水泵轉(zhuǎn)速改變,水泵的性能曲線也隨著發(fā)生變化.士設(shè)定壓力加.3MPa，一管網(wǎng)的特性曲線一變頻水泵的性能曲線0iz↓4ζ65，變頻水泵的工作點SQ/(m' .b")。圄4壓力控制下 水泵的實際運行工況圖3變頻水泵的能耗測試與分析I，M/MM(M,")3.1實驗 系統(tǒng)的概況與測試參數(shù)空調(diào)實驗系統(tǒng)主要由冷水機組、冷凍水泵、組合式空調(diào)箱、管路及測試儀表等組成,由圖2所示.其中冷凍水泵為清水離心泵,型號為ISG40 -160A,主要參數(shù)如下:額定流量5.6 m'/h,額定揚團3壓力控制下 水泵的理論運行工況圖程28中國煤化工斤配三相電機額如圖3所示,額定工況下水泵在設(shè)計壓力P。，定功YHCNMHG和設(shè)計流量l。狀態(tài)下運行,其運行工況點為水本實驗主要測試參數(shù)及測量儀表見表1.為第25卷王岳人等:閉式循環(huán)水系統(tǒng)的變頻水泵能耗測試759了確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,測試在空調(diào)系統(tǒng)及相調(diào)負(fù)荷改變的方法,即通過對冷水管路上的主要關(guān)測量儀器運行穩(wěn)定后進(jìn)行實測之前通過對冷閥門開度的手動調(diào)節(jié)(閥1~閥4),達(dá)到調(diào)節(jié)冷凍管路上某閥門(閥5)開度的手動調(diào)節(jié)使水泵在凍水泵轉(zhuǎn)速(頻率)的目的.因此測試中除空調(diào)負(fù)變頻下的初始工況點M。盡可能與工頻下的額定荷是人工改變外,其他方面均由系統(tǒng)自身調(diào)節(jié),做工況點Mo'重合,調(diào)節(jié)完畢后該閥門開度在整個到了與實際相-致.變頻水泵的能耗測試數(shù)據(jù)如實驗過程中將不再變化.同時為了能在較大范圍表2所示.內(nèi)獲得相應(yīng)數(shù)據(jù),測試過程中主要采用了模擬空表1所測參數(shù)及測量儀表參數(shù)測試儀表型號規(guī)格備注水泵供水壓力P。壓力顯示調(diào)節(jié)儀SL-62SSE沈陽天星微電子研究所水泵回水壓力P,壓力表0-0.25MPa沈陽天星儀表廠流量Q超聲波流量計TDS- 100艾博達(dá)(珠海)自動控制設(shè)備公司水泵輸人功率NDEXILI變頻器CDI9100P1R574德力西(杭州)變頻有限公司水泵運行頻率/轉(zhuǎn)速f/m;DEXIL變頻器褒2水泵變頻運行能耗測試數(shù)據(jù)電機頻點/Hz供水壓力/MPa回水壓力/MPa 流量/(m'.h-') 有 效功率/kW輸入功率/kW效率/%45.960. 2900. 0257.030.5171.3937.230.2980. 026.590. 4961.2938. 4643. 960. 3000.0296.070.4571.1938. 4042. 840.3000.0305.300.3981.0836.8141. 860. 0304.600.3450.9934.8540.820.0313. 820.2850.8832. 4439. 740.0332.300. 1710.7423.0539. 220.0350.900.066 .0.6410. 353.2壓力控制下變頻水 泵的能耗分析輸人功率也因有效功率的減小相應(yīng)的減小.由此通過測試結(jié)果分別得出壓力控制下變頻水泵可以看出壓力(差)控制下的變頻水系統(tǒng)的確具的有效功率-電機頻率、輸人功率-電機頻率及有一定程度上的節(jié)能效果.效率-電機頻率3組變化曲線,如圖5~6所示.0[3stof0.5rof40.8號量1s◆壓力設(shè)定0.3MPa“水泵有效功率+0.2★水泵輸人功事955°444444水泵電機頻率/Hz-的離隨頰壑的套化曲線圈5水泵有效( 輸人)功率隨頻率的變化曲線中國煤化工)功率下降時，從圖5中可看出,在整個測試過程中,水泵的水泵YHCNMHG而不斷降低.當(dāng)有效功率是隨著頻率下降而不斷降低的,水泵的電機頻率低于某- 頻點繼續(xù) 下降時,水泵效率會760沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第25卷發(fā)生突發(fā)性地急劇下滑,筆者將該頻點稱為“效功率.因此在分析變頻水泵輸配能耗問題時,直接率突降點”.如表2所示.實驗的“效率突降點"出套用比例定律無疑會夸大變頻水泵的節(jié)能效果.現(xiàn)在f=40.82Hz處,當(dāng)電機頻率f從40. 82 Hz .4結(jié)論下降至39.74 Hz時,水泵的運行效率η從32. 43%急劇下滑至23.05%.(1)變頻節(jié)能技術(shù)使用過程中，往往單方面在工程應(yīng)用中壓力(差)控制下變頻水系統(tǒng)追求水泵有效功率或輸人功率的降幅,而忽略了同樣存在著的效率急劇下滑的類似特性.MichelA水泵效率隨頻率的變化,更沒有意識到該變化過Bermier 曾指出對于高效電機及變頻裝置而言,當(dāng)程中水泵效率急劇下滑特性.這是導(dǎo)致對變頻水轉(zhuǎn)速降低到額定值的30%~40%時,繼續(xù)降低轉(zhuǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果判斷失真的原因之- -.速已不再有節(jié)能效果[8).鑒于實驗測試的誤差性(2)人們在分析變頻水系統(tǒng)輸配能耗向題以及工程實踐的復(fù)雜性,筆者認(rèn)為這種效率的急時,習(xí)慣于直接套用比例定律對變頻水泵的節(jié)能劇下滑現(xiàn)象表明在水泵變頻范圍內(nèi)存在著包含效果進(jìn)行預(yù)估,忽略了比例定律的適用條件,片面“效率突降點”的某-頻段. 水泵在該頻段變頻運夸大了水泵變頻節(jié)能的效果,這是影響變頻水系行時,效率會發(fā)生急劇下滑,而該頻段的具體范圍統(tǒng)節(jié)能效果評價的另一原因.則應(yīng)結(jié)合工程中的多方面因素(如:水泵型號參(3)壓力(差)控制下的變頻水系統(tǒng)在某段頻數(shù)變頻控制方式、壓差設(shè)定值、閥門特性'°等)率范圍內(nèi)存 在水泵效率急劇下滑現(xiàn)象,而在高于綜合分析得出.該頻率范圍時變頻水系統(tǒng)則具有明顯的節(jié)能效由于空調(diào)冷水系統(tǒng)是閉式循環(huán)系統(tǒng),人們在果.分析水泵變頻特性時,通常認(rèn)為空調(diào)系統(tǒng)的管網(wǎng)參考文獻(xiàn):特性曲線始終與滿負(fù)荷時(管路閥門開度最大)的等效率線重合,滿足相似工祝條件(0].于是直[1] 李彬,肖勇全,李德英,等.變流量空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)接套用泵的比例定律來確定冷水泵變頻(速)時能探討[J].暖通空調(diào),2003 ,6(1):132 - 136.的流量Q、揚程H、和功率pl").并簡單地認(rèn)為變[2] Rishel J B. Twenty years' experience with variable頻冷水泵的能耗與流量的立方成正比,只要降低speed pumps on hot and chlled water systems[J].泵的流量就能以三次方的規(guī)律降低耗電量.ASHRAE Transactions .1998 ,94(2) :215 ~219.然而事實并非如此.對于壓力控制下的變頻[3] Rishel J B. Control of variable - spee pumps on hot水系統(tǒng)而言,伴隨電機頻率的下降管網(wǎng)特性曲線and chilled water systems [ C]. NY: AHRAE Trans-也發(fā)生變化，已不再滿足相似工況條件.由圖7可actions ,1991.1.4F[4] Lamy Tllack, Rishel J B. Proper control of HVACvariable speed pumps[J]. ASHRAE Jourmal, 1998,11:41 -47.[5]Rishel J B. Control of variable speed pumps forHVAC water systems [ J]. ASHRAE Transactions,2003 , 109 :380 -389.[6] 李彬,肖勇全,李振，等壓差控制下vwV系統(tǒng)特士水秦實際輸人功率性節(jié)能分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2005 ,24(1):44-47.678[7] 付祥釗,王岳人,王元,等.流體輸配管網(wǎng)[M].北圈7水泵實際( 理論)輸人功率隨流量的變化曲線京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.以看出,實驗中水泵的實際輸人功率曲線與比例中國煤化工variable frequency定律所確定的理論輸入功率曲線之間存在著明顯差異,實際輸人功率的降幅要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論輸入YHCN MH G.41(12):37-38.第25卷王岳人等:閉式循環(huán)水系統(tǒng)的變頻水泵能耗測試761[9]王岳人,楊毅,宋錦 ,等.調(diào)節(jié)閥特性對變流量空調(diào)社,2003.水系統(tǒng)的影響分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然[11]周謨?nèi)? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機[ M].北京:中國建筑科學(xué)版,2006 ,22(3) :445 -449.工業(yè)出版社,1991.[10]陳乃詳 ,吳玉林.離心泵[M].北京:機械工業(yè)出版Measure and Analyses of Pump Energy Consumeinof Variable Frequency Water SystemWANG Yueren , SONG Tao，YU Jing(School of Municipal and Environmental Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang China.110168)Abstract:The aim of the study is to analyze the reasons that affect the energy-saving effect of variable fre-quency pump in closed circulating water system , and research the variable frequency range of circulating wa-ter pump in the engineering practice. Through simulating the change of air-conditioning load , the energY-sav-ing characteristics of the variable-speed chilled water pump in air-condition experimental system were tested.The results show that available power and power input of water pump continuously decline with motor fre-quency reducing , and pump efficiency also decrease at the same time. Especially , pump efficiency suddenlyglides from 34. 43% to 23. 05% when motor frequency falls from“eficiency break point" 40. 82 Hz to39. 74 Hz. Based on the above analysis , under control of pressure difference , we can conclude that pump eff-ciency will suddenly glide in a frequency range including“ eficiency break point" . Variable-speed chilledwater pump has an obvious energy-saving effect when motor frequency is higher than the frequency range;otherwise variable frequency pump perhaps has not the predicted energy-saving effect.Key words: pressure difference control;pump efficiency ;energy-saving; variable frequency中國煤化工MYHCNMHG