冷冻水变流量特性研究
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谢明华等则利用水电比拟原理提出冷冻水泵的耗功 与流量的一次方成正比[ 5] , 似乎过分贬低了其节能 潜力 ;James B.Rishel 则认为泵的扬程与负荷的 n 次
收稿日期 :2002-2-20
1 6 REFRIGERATION
No
Vol
.2 , 2003 .23 (Total
第
22
200 卷第
3 2
年 6月 期(总 83
期)
制
冷
15
文章编号 :ISSN1005-9180 (2003) 02-0015-06
中央空调冷冻水泵变频调速运行特性研究 (1)
王 寒栋
(深圳职业技术学院 机电系 , 广东 深圳 518055 )
1 引 言
空调冷冻水泵变频节能 , 在国内外都是一个令
人感兴趣的课题 , 很多空调专业人士对此进行了研 究[ 1 ～ 6] 。但对于如何计算及分析空调冷冻水泵变频
运行的工况参数及能耗 , 颇多局限于泵的相似定律
的直接应用 , 即利用在一定条件下水泵的流量 Q 、
扬程 H 、功率 N 与转速 n 间的关系式 (称为相似定 律或比例定律)
Q1 = n1 , H1 =(n1)2 , N 1 =(n1)3
Q2 n2 H2
n2 N2
n2
(1)
直接进行计算 , 导致人们普遍认为空调水泵的耗电 量与转速或流量的三次方成正比 , 只要降低泵的转 速就能以三次方的规律降低耗电量 。 事实上 , 据此 所得的结果与试验或实际结果存在着一定的差异 , 一些研究者 针对这些差异进行 了研究[ 1, 5, 7] , 但方 法与结论各不相 同 , 如 Michel A.Bernier 和 Bernard Bourrent 认为是泵的全效率的影响 , 从泵的全效率 的角度提出泵的耗功不与流量的 3 次方成正比[ 7] ;
(■p 或 ■h )的供水系统 。 根据并联管路阻力损失的特点 , 即各支路的阻
力损失 大小都相等 , 有 :
■h1-1′ = ■h1-2-2′-1′ = … = ■h1-2-…-n-n′-…-2′-1′
因此 , 式 (3)可表示为 :
(4)
H = S2Q2 +2 ■h1-2 +2 ■h2-3 + … + 2 ■h(n-1)-n + ■hn-n′ =S2 Q2 + 2S1-2 Q21-2 +2S2-3 Q22-3 + … + 2S(n-1)-nQ(2n-1)-n + ■hn-n′
(3)
分析如图 1 所示的空调冷冻水系统可以发现 :
(1)保持 S 2 不变时 (即 II 部分管路不发生变 化 , 如没有冷水机组或泵的运行台数变化等), 由
于所有楼层的空调管路可看作是 1 -1′间的并联管
VT — 温度调节 阀 ;T — 温度传感器 ;V — 平衡阀 图 1 空调冷冻水系统示意图
最远支路的压力降或阻力损失为 ■p 或 ■h )。 当
冷冻水泵采用变频调速时 , 往往是根据这一要求的
■p 或 ■h 来控制泵的转速 , 当检测到系统中某支 路中 ■p 增大时 , 控制器发出信号使变频装置调低
泵的转速 , 反之 则调高 泵的转 速 , 总 是要维 持该
■p 不变 。 可见 , 这是一个维持某空调用户端恒压
(2)S2 变化时 (如 当冷水机 组运行台 数等改 变), 不但 S 1 会随负 荷变化 , S2 也不再是 一个常 数 , 而是随着冷水机组运行台数的变化而变化 。
可见 , 当空调负荷变化时 , 冷冻水管路的总阻 力系数并不维持 恒定值 , 当负 荷变小时 , S 增大 ; 反之 , S 减小 , 即变负荷时 , 冷冻水管路系统的特 性曲线不再与设计负荷时相同 。由于水泵的工况点 是由泵的特性曲线与其管路特性曲线共同决定的 , 所以变负荷时冷冻水泵的工作点要按新的特性曲线 而变化 。因此 , 在确定冷冻水泵变频的工况点与功 耗时 , 就不能把 S 作为恒定值而直接应用相似定律 了 , 否则 , 就会得出错误的结论 。 这里所谓直接应 用相似定律 , 是指将 S 当做恒定常数时 , 由于管路
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特性曲线正好与相似抛物线重合 , 按相似定律计算 的参数正好落在泵的管路特性曲线 H =SQ2 上 , 因 此就直接用满负荷时的 H = SQ2 代替相似抛物线 — 这是人们在分析冷冻水泵变频时常用的方法 。
(5a)
式中 S1-2 、S2-3 、…、S(n-1)-n — 分别为 1 -2 层 、2 -3 层 、… 、(n -1)-n 层间冷冻水管的阻力系数 。
Q1-2 、Q2-3 、… 、Q(n-1)-n — 分别为 1 -2 层 、2 -3 层 、… 、(n -1)-n 层间冷冻水管中的冷冻水流
[ 摘要] 通过分析变频冷冻水泵及冷冻水管路在变负荷时的 特性 , 得 出了冷冻水泵的扬程与流量 、 总能耗 与流量的一般关系式 , 同时针对特定的空调系统 , 提出了冷冻水泵 “等效静扬 程” 的概 念 , 并应 用其对空 调变负荷时冷冻水泵变频调速工况进行了 研究 。指 出在中央空调系统中 , 由于冷冻水管路特性曲线随空调 负荷而变化 , 在确定水泵变频调速运行工况点时已 不能直接应用泵的相似定律 , 泵的能耗不与转速的三次 方成正比 , 而是同时与负荷及空调用户的位置等有 关 。 [ 关键词] 空调 , 冷冻水泵 , 变频 , 特性 [ 中图分类号] TU831.4 ;TK32 [ 文献标识码] B
2 负荷变化对冷冻水管路阻力特性的影响
路系统 。当任何一层空调负荷发生变化时 , 在空调 自控系统的作用下 , 相应的冷冻水管路上的二通阀 V 的开度随之变化 , 从而引起该支路上阻力系数的 变化 , 并联管路的等效总阻抗也必然随之变化 , 即 图 1 中 I 部分管路系统的等效阻力系数 S1 并不是一 个恒定值 , 而要随空调负荷的变化而变化 。因此 , 冷 冻水管路系统的总阻力系数 S = S1 +S2 也将随负 荷的变化而变化 , 即意味着冷冻水管路的特性曲线 也将随之变化 。
一般来说 , 空调冷冻水泵是依据满负荷时所需
的、 按照冷冻水系统中最不利环路的要求来选型
的 。冷冻水泵管路系统的特性方程式 , 也是冷冻水
泵运行时应遵循的规律如下式 :
H =SQ2
(2)
式中 S —管路 系统 的阻力 系数 , S 与 管路 的长 度 、 直径 、 沿程阻力系数 、 局部阻力系数等密切相
- n′-… -2′-1′), 称为用户端 ;II 部分为 1 层
以下到冷冻站的主供 、 回水管路 (1′-冷冻水泵 -
冷水机 -1), 称为冷冻水制备与输送端 。
设这两部 分管路 的阻力 系数分 别为 S1 、 S2 ,
系统的总阻力系数 S =S 1 +S2 , 则泵的总扬程为 :
H =SQ2 =(S 1 +S2)Q2
, June No .83
. )
方成直线关系[ 1] , 虽考虑了负荷大小及全效率但忽 略了其它因素的影响 。为了较全面地揭示空调冷冻 水泵变频调速运行的特性 , 笔者从冷冻水管路系统 的阻力特性出发 , 结合空调系统的使用特点对此进 行了研究 。 下面就以采用一级泵的中央空调系统冷 冻水泵的变频调速为例来进行讨论 (对二级泵系统 的分析可参考一级泵系统进行 , 相当于一级泵系统 的特例 , 见下文)。
所示的空调冷冻水系统 。 在该系统中 , 要求在每个
空气处理装置的冷冻水管路上装设二通阀 V 以控制
水流与负荷相匹配 (在二级泵变频系统中亦同)。
如果以 1 -1′支路 (相当于第 1 层的空调用户)
为分界线将冷冻水系统分为 I 、 II 两部分 :I 部分为
从空调 1 层到 n 层的供 、 回水管路 (1 -2 -… -n
Research on Characteristics of Variable Frequency Chilled Water Pumps in Central Air -Conditioning Systems -Part 1
WANG Han-dong
(Dept.of M&E , Shenzhen Polytechnic , Shenzhen 518055 )
Abstract :Based on analyzing the characteristics of variable frequency chilled water pump and chilled water loop resistance curves varying with air -conditioning loads, a general relationship, which determines the range of variable frequency of the pumps, between the capacity and the head of pump is obtained.Meanwhile , in a air conditioning system with Se S2 both equivalent static head and equivalent chilled water loop resistance curve are put forward and applied to study the characteristics of variable frequency chilled water pumps.It is pointed out that the pump affinity laws can′t be directly used to determine the operating points of variable frequency pumps and the energy consumed by variable frequency chilled water pumps is not proportional to the cube of speed but varies with the capacities and the positions of operating air-handling units (AHUs). Keywords:Air -conditioning , Chilled water pump, Variable frequency
关 , S2/m5 ;
Q —空调系统的冷冻水流量 , m3/s
传统的观 点认为 , 在任 何负荷下 , S 均 不变 ,
于是得出冷冻 水泵的扬程与 转速平方成正 比等结
论 。 事实上 , S 在这里并不是一个常数 , 而要随空
调负荷变化而变化 , 并且由于 S 的变化而决定了冷
冻水泵的变频特性 。例如 , 我们来考察一个如图 1
量 , 其中 Q(n-1)-n = Qn-n′即第 n 层空调用户的流 量 , m3/s 。
■hn-n′ — 第 n 层空调用户产生的管路阻力 损失 , MPa
当设置如图 1 所示的压差传感器 ■P 并用它来
控制冷冻水泵的转速大小时 , 对一般的定压控制系
统而 言 , 意 味 着 式 (5a) 中 ■hn-n′(■hn-n′ = ■P/ γ)为定 值 , 即 ■hn-n′ = C , 由 此可 将式
(5a)改写为 :
H =S 2Q2 +2S1-2 Q21-2 +2S2-3 Q22-3 + … +
2 S (n-1)-nQ(2n-1)-n
+C
=S 2Q2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
+S
eQ
2 e
+C
(5b)
式中 Se —从第 1 层到第 n 层间供水及第 1层到第
3 冷冻水变频调速泵的 H ～ Q 关系
按照空调系统的使用特点 , 为了保证所有并联
的空气调节装置都能独立工作而不受其它装置的影
响 , 无论是哪层楼的用户使用空调 , 无论有多少用
户同时使用空调 , 都必须要保证某供水管路处有一
定的压力 — 即该层空调装置正常工作所允许的阻
力损失 ■p 或 ■h (实际工程中往往是控制离水泵
收稿日期 :2002-2-20
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文章编号 :ISSN1005-9180 (2003) 02-0015-06
中央空调冷冻水泵变频调速运行特性研究 (1)
王 寒栋
(深圳职业技术学院 机电系 , 广东 深圳 518055 )
1 引 言
空调冷冻水泵变频节能 , 在国内外都是一个令
人感兴趣的课题 , 很多空调专业人士对此进行了研 究[ 1 ～ 6] 。但对于如何计算及分析空调冷冻水泵变频
运行的工况参数及能耗 , 颇多局限于泵的相似定律
的直接应用 , 即利用在一定条件下水泵的流量 Q 、
扬程 H 、功率 N 与转速 n 间的关系式 (称为相似定 律或比例定律)
Q1 = n1 , H1 =(n1)2 , N 1 =(n1)3
Q2 n2 H2
n2 N2
n2
(1)
直接进行计算 , 导致人们普遍认为空调水泵的耗电 量与转速或流量的三次方成正比 , 只要降低泵的转 速就能以三次方的规律降低耗电量 。 事实上 , 据此 所得的结果与试验或实际结果存在着一定的差异 , 一些研究者 针对这些差异进行 了研究[ 1, 5, 7] , 但方 法与结论各不相 同 , 如 Michel A.Bernier 和 Bernard Bourrent 认为是泵的全效率的影响 , 从泵的全效率 的角度提出泵的耗功不与流量的 3 次方成正比[ 7] ;
(■p 或 ■h )的供水系统 。 根据并联管路阻力损失的特点 , 即各支路的阻
力损失 大小都相等 , 有 :
■h1-1′ = ■h1-2-2′-1′ = … = ■h1-2-…-n-n′-…-2′-1′
因此 , 式 (3)可表示为 :
(4)
H = S2Q2 +2 ■h1-2 +2 ■h2-3 + … + 2 ■h(n-1)-n + ■hn-n′ =S2 Q2 + 2S1-2 Q21-2 +2S2-3 Q22-3 + … + 2S(n-1)-nQ(2n-1)-n + ■hn-n′
(3)
分析如图 1 所示的空调冷冻水系统可以发现 :
(1)保持 S 2 不变时 (即 II 部分管路不发生变 化 , 如没有冷水机组或泵的运行台数变化等), 由
于所有楼层的空调管路可看作是 1 -1′间的并联管
VT — 温度调节 阀 ;T — 温度传感器 ;V — 平衡阀 图 1 空调冷冻水系统示意图
最远支路的压力降或阻力损失为 ■p 或 ■h )。 当
冷冻水泵采用变频调速时 , 往往是根据这一要求的
■p 或 ■h 来控制泵的转速 , 当检测到系统中某支 路中 ■p 增大时 , 控制器发出信号使变频装置调低
泵的转速 , 反之 则调高 泵的转 速 , 总 是要维 持该
■p 不变 。 可见 , 这是一个维持某空调用户端恒压
(2)S2 变化时 (如 当冷水机 组运行台 数等改 变), 不但 S 1 会随负 荷变化 , S2 也不再是 一个常 数 , 而是随着冷水机组运行台数的变化而变化 。
可见 , 当空调负荷变化时 , 冷冻水管路的总阻 力系数并不维持 恒定值 , 当负 荷变小时 , S 增大 ; 反之 , S 减小 , 即变负荷时 , 冷冻水管路系统的特 性曲线不再与设计负荷时相同 。由于水泵的工况点 是由泵的特性曲线与其管路特性曲线共同决定的 , 所以变负荷时冷冻水泵的工作点要按新的特性曲线 而变化 。因此 , 在确定冷冻水泵变频的工况点与功 耗时 , 就不能把 S 作为恒定值而直接应用相似定律 了 , 否则 , 就会得出错误的结论 。 这里所谓直接应 用相似定律 , 是指将 S 当做恒定常数时 , 由于管路
第
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200 卷第
3 2
年 6月 期(总 83
期)
制
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特性曲线正好与相似抛物线重合 , 按相似定律计算 的参数正好落在泵的管路特性曲线 H =SQ2 上 , 因 此就直接用满负荷时的 H = SQ2 代替相似抛物线 — 这是人们在分析冷冻水泵变频时常用的方法 。
(5a)
式中 S1-2 、S2-3 、…、S(n-1)-n — 分别为 1 -2 层 、2 -3 层 、… 、(n -1)-n 层间冷冻水管的阻力系数 。
Q1-2 、Q2-3 、… 、Q(n-1)-n — 分别为 1 -2 层 、2 -3 层 、… 、(n -1)-n 层间冷冻水管中的冷冻水流
[ 摘要] 通过分析变频冷冻水泵及冷冻水管路在变负荷时的 特性 , 得 出了冷冻水泵的扬程与流量 、 总能耗 与流量的一般关系式 , 同时针对特定的空调系统 , 提出了冷冻水泵 “等效静扬 程” 的概 念 , 并应 用其对空 调变负荷时冷冻水泵变频调速工况进行了 研究 。指 出在中央空调系统中 , 由于冷冻水管路特性曲线随空调 负荷而变化 , 在确定水泵变频调速运行工况点时已 不能直接应用泵的相似定律 , 泵的能耗不与转速的三次 方成正比 , 而是同时与负荷及空调用户的位置等有 关 。 [ 关键词] 空调 , 冷冻水泵 , 变频 , 特性 [ 中图分类号] TU831.4 ;TK32 [ 文献标识码] B
2 负荷变化对冷冻水管路阻力特性的影响
路系统 。当任何一层空调负荷发生变化时 , 在空调 自控系统的作用下 , 相应的冷冻水管路上的二通阀 V 的开度随之变化 , 从而引起该支路上阻力系数的 变化 , 并联管路的等效总阻抗也必然随之变化 , 即 图 1 中 I 部分管路系统的等效阻力系数 S1 并不是一 个恒定值 , 而要随空调负荷的变化而变化 。因此 , 冷 冻水管路系统的总阻力系数 S = S1 +S2 也将随负 荷的变化而变化 , 即意味着冷冻水管路的特性曲线 也将随之变化 。
一般来说 , 空调冷冻水泵是依据满负荷时所需
的、 按照冷冻水系统中最不利环路的要求来选型
的 。冷冻水泵管路系统的特性方程式 , 也是冷冻水
泵运行时应遵循的规律如下式 :
H =SQ2
(2)
式中 S —管路 系统 的阻力 系数 , S 与 管路 的长 度 、 直径 、 沿程阻力系数 、 局部阻力系数等密切相
- n′-… -2′-1′), 称为用户端 ;II 部分为 1 层
以下到冷冻站的主供 、 回水管路 (1′-冷冻水泵 -
冷水机 -1), 称为冷冻水制备与输送端 。
设这两部 分管路 的阻力 系数分 别为 S1 、 S2 ,
系统的总阻力系数 S =S 1 +S2 , 则泵的总扬程为 :
H =SQ2 =(S 1 +S2)Q2
, June No .83
. )
方成直线关系[ 1] , 虽考虑了负荷大小及全效率但忽 略了其它因素的影响 。为了较全面地揭示空调冷冻 水泵变频调速运行的特性 , 笔者从冷冻水管路系统 的阻力特性出发 , 结合空调系统的使用特点对此进 行了研究 。 下面就以采用一级泵的中央空调系统冷 冻水泵的变频调速为例来进行讨论 (对二级泵系统 的分析可参考一级泵系统进行 , 相当于一级泵系统 的特例 , 见下文)。
所示的空调冷冻水系统 。 在该系统中 , 要求在每个
空气处理装置的冷冻水管路上装设二通阀 V 以控制
水流与负荷相匹配 (在二级泵变频系统中亦同)。
如果以 1 -1′支路 (相当于第 1 层的空调用户)
为分界线将冷冻水系统分为 I 、 II 两部分 :I 部分为
从空调 1 层到 n 层的供 、 回水管路 (1 -2 -… -n
Research on Characteristics of Variable Frequency Chilled Water Pumps in Central Air -Conditioning Systems -Part 1
WANG Han-dong
(Dept.of M&E , Shenzhen Polytechnic , Shenzhen 518055 )
Abstract :Based on analyzing the characteristics of variable frequency chilled water pump and chilled water loop resistance curves varying with air -conditioning loads, a general relationship, which determines the range of variable frequency of the pumps, between the capacity and the head of pump is obtained.Meanwhile , in a air conditioning system with Se S2 both equivalent static head and equivalent chilled water loop resistance curve are put forward and applied to study the characteristics of variable frequency chilled water pumps.It is pointed out that the pump affinity laws can′t be directly used to determine the operating points of variable frequency pumps and the energy consumed by variable frequency chilled water pumps is not proportional to the cube of speed but varies with the capacities and the positions of operating air-handling units (AHUs). Keywords:Air -conditioning , Chilled water pump, Variable frequency
关 , S2/m5 ;
Q —空调系统的冷冻水流量 , m3/s
传统的观 点认为 , 在任 何负荷下 , S 均 不变 ,
于是得出冷冻 水泵的扬程与 转速平方成正 比等结
论 。 事实上 , S 在这里并不是一个常数 , 而要随空
调负荷变化而变化 , 并且由于 S 的变化而决定了冷
冻水泵的变频特性 。例如 , 我们来考察一个如图 1
量 , 其中 Q(n-1)-n = Qn-n′即第 n 层空调用户的流 量 , m3/s 。
■hn-n′ — 第 n 层空调用户产生的管路阻力 损失 , MPa
当设置如图 1 所示的压差传感器 ■P 并用它来
控制冷冻水泵的转速大小时 , 对一般的定压控制系
统而 言 , 意 味 着 式 (5a) 中 ■hn-n′(■hn-n′ = ■P/ γ)为定 值 , 即 ■hn-n′ = C , 由 此可 将式
(5a)改写为 :
H =S 2Q2 +2S1-2 Q21-2 +2S2-3 Q22-3 + … +
2 S (n-1)-nQ(2n-1)-n
+C
=S 2Q2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
+S
eQ
2 e
+C
(5b)
式中 Se —从第 1 层到第 n 层间供水及第 1层到第
3 冷冻水变频调速泵的 H ～ Q 关系
按照空调系统的使用特点 , 为了保证所有并联
的空气调节装置都能独立工作而不受其它装置的影
响 , 无论是哪层楼的用户使用空调 , 无论有多少用
户同时使用空调 , 都必须要保证某供水管路处有一
定的压力 — 即该层空调装置正常工作所允许的阻
力损失 ■p 或 ■h (实际工程中往往是控制离水泵