冷凍水泵節(jié)能運(yùn)行模擬分析

趙明名，呂子強(qiáng)，沈劍揮

（1.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司 能源管控中心，遼寧 朝陽(yáng) 122004）

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源緊缺問題也日益嚴(yán)重。近十年來，全球能源消費(fèi)總量以平均每年1.8%的速率增長(zhǎng)［1］。其中，建筑能耗與交通能耗、工業(yè)能耗并駕齊驅(qū)，分別占全球能源消費(fèi)總量的三分之一，并且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)我國(guó)未來建筑能耗將占全國(guó)總能耗的35%左右，位居第一位［2］。與此同時(shí)，我國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)和第十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議上都提出，加快形成綠色發(fā)展方式和生活方式，建設(shè)生態(tài)文明和美麗地球的倡議；力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。“雙碳”目標(biāo)對(duì)建筑節(jié)能計(jì)劃提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能勢(shì)在必行。

大型公共建筑大量使用空調(diào)設(shè)備，在帶給人們舒適環(huán)境的同時(shí)，也造成很多能源的浪費(fèi)?？照{(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)建筑能耗的40%以上，其中空調(diào)水系統(tǒng)能耗約占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的15%～20%，且隨著空調(diào)負(fù)荷率的降低，水系統(tǒng)能耗占比不斷升高［3-4］。控制空調(diào)系統(tǒng)能耗中關(guān)鍵的一環(huán)就是控制水系統(tǒng)的能耗。

水泵的運(yùn)行方式、開機(jī)組合、負(fù)荷分配等都是影響水系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素。陳明［5］從能效最優(yōu)的角度出發(fā)，對(duì)不同負(fù)荷區(qū)間段的最優(yōu)開機(jī)組合進(jìn)行研究，探索冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行特征及規(guī)律，分析驗(yàn)證變流量的可行性。焦乾峰等［6］通過模擬與實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)水泵進(jìn)行變頻優(yōu)化控制后，平均節(jié)能率達(dá)到13%，最大節(jié)能率為25%。Chong等［7］通過對(duì)比壓差控制與溫差控制下水泵運(yùn)行能耗，確定負(fù)荷分配對(duì)冷凍水泵工作狀態(tài)點(diǎn)以及能耗值的影響。文獻(xiàn)［8-9］給出了變頻水泵能耗與流量之間的曲線關(guān)系，對(duì)變頻水泵的測(cè)算方法進(jìn)行分析，經(jīng)濟(jì)效益分析表明水泵變頻技術(shù)具有可觀的節(jié)能效果。Wang等［10］提出一種水泵在線自適應(yīng)控制模型，與常規(guī)控制策略相比，可以節(jié)省高達(dá)50.59%的水泵能耗。Gao［11］提出通過消除故障或者采用水泵的最佳控制方式，冷水機(jī)組能耗可以降低20%，甚至是50%。

本文以上海某高校辦公樓為實(shí)例，探究冷水機(jī)組在不同負(fù)荷率下冷凍水泵的最優(yōu)組合形式，確定最節(jié)能的水泵運(yùn)行策略，計(jì)算其節(jié)能量和減碳量，推進(jìn)建筑空調(diào)領(lǐng)域減污降碳。

1 水泵能耗數(shù)學(xué)模型

中央空調(diào)系統(tǒng)的外部熱交換由水系統(tǒng)來完成，在供回水溫差恒定的情況下，水流量反映的就是空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷。變頻泵借助對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化達(dá)到對(duì)水泵的流量及揚(yáng)程等技術(shù)參數(shù)的控制，從而控制水流量的變化。生活中常用的定頻泵電機(jī)工作頻率固定，相應(yīng)的流量及揚(yáng)程等技術(shù)參數(shù)也固定。二者計(jì)算能耗的方法不同。定頻泵與變頻泵功率關(guān)系如圖1所示。

圖1 水泵功率示意圖Fig.1 Schematic diagram of water pump power

1.1 定頻水泵能耗數(shù)學(xué)模型

定頻水泵的輸配水量以及轉(zhuǎn)速不會(huì)隨著末端負(fù)荷的改變而改變，在整個(gè)運(yùn)行過程中，功率都是恒定的，數(shù)值為水泵銘牌標(biāo)注，能耗值為銘牌功率值與時(shí)間的乘積

式中：P為冷凍水泵能耗，kWh；N為冷凍水泵功率，kW；t為冷凍水泵運(yùn)行時(shí)間，h。

1.2 變頻水泵能耗數(shù)學(xué)模型

變頻調(diào)速水泵主要由電動(dòng)機(jī)、變頻器、水泵共同組成。水泵根據(jù)末端負(fù)荷的變化，改變電機(jī)的輸出功率，進(jìn)而使水泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，使水泵在部分負(fù)荷條件下輸出的流量與末端所需相匹配，達(dá)到降低水泵能耗的目的。計(jì)算不同負(fù)荷率下變頻器與電動(dòng)機(jī)的效率值，確定變頻水泵的能耗

式中：x為負(fù)荷率；P為水泵能耗，kW；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為水泵揚(yáng)程，m；Q為水泵流量，m3/h；ηm為電機(jī)效率；η為水泵綜合效率；ηp為水泵運(yùn)行效率；ηvfd為變頻器效率。

綜合效率的變化與負(fù)荷率的變化滿足線性關(guān)系［12］。綜合效率變化趨勢(shì)大致分為三個(gè)階段。第一階段：負(fù)荷率在80%以上，綜合效率在70%以上；第二階段：負(fù)荷率在30%～70%之間，綜合效率在30%～60%之間；第三階段：負(fù)荷率低于30%，綜合效率急劇下降，低于20%，水泵嚴(yán)重偏離高效率運(yùn)行區(qū)間，這可能導(dǎo)致節(jié)約的電量被低能效抵消，變頻水泵不再節(jié)能。

2 案例分析

2.1 建筑概述及負(fù)荷計(jì)算

以上海市某高校辦公建筑為例，此建筑共有6層，層高為4.2 m，建筑總高度為25.2 m，建筑總空調(diào)面積為9 556 m2。建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，公共設(shè)施配備齊全。該辦公建筑的三維模型如圖2所示。

圖2 辦公建筑的模型圖Fig.2 Model of office building

上海地區(qū)屬于夏熱冬冷A類地區(qū)，建筑類型為辦公建筑，空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度24～26℃，相對(duì)濕度為45%～60%。夏季制冷區(qū)間為5月1日至9月30日?？照{(diào)每日運(yùn)行時(shí)間為上午7時(shí)至晚上20時(shí)。

通過DeST建模計(jì)算得出，建筑最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在6月29日，最大冷負(fù)荷值1 423 kW，最大單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)為148 kW/h。

選擇兩臺(tái)制冷量為720 kW的風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組，機(jī)組額定功率為189.3 kW。設(shè)計(jì)冷凍水流量為247.68 m3/h，揚(yáng)程為38.7 m；選用冷凍水泵型號(hào)為VGDW130-42，額定流量為130 m3/h，揚(yáng)程為42 m，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，軸功率為19.6 kW，電機(jī)功率為25 kW。冷水機(jī)組與水泵采用一機(jī)一泵的串聯(lián)方式，控制方式選擇溫差控制。此辦公建筑全年8 760 h的逐時(shí)冷熱負(fù)荷模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 辦公建筑逐時(shí)冷熱負(fù)荷結(jié)果Fig.3 Hourly cooling and heating load of buildings calculated by DeST

2.2 冷負(fù)荷率及時(shí)間頻數(shù)

負(fù)荷率是夏季逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷與夏季最大冷負(fù)荷的比值。冷負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)（Cooling load time frequency，CLTF）是夏季某一個(gè)負(fù)荷率出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)占空調(diào)總運(yùn)行時(shí)數(shù)的比例［13］。通過DeST模擬計(jì)算負(fù)荷率與冷負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。5～9月份最大負(fù)荷率分別為52.0%、100%、94.4%、94.2%和72.4%。

圖4 全年空調(diào)冷負(fù)荷率及時(shí)間頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical chart of annual cooling load rate and time frequency of air conditioning

空調(diào)開啟時(shí)間共有1 950 h。負(fù)荷率達(dá)到80%以上的時(shí)間僅有51 h，只占整個(gè)供冷季的2.6%。在20%～30%負(fù)荷率運(yùn)行的時(shí)間最長(zhǎng)，共有367 h，是日常出現(xiàn)最多的工況。負(fù)荷率在40%、50%、60%時(shí)間頻數(shù)持平，在250 h左右。部分負(fù)荷時(shí)間頻數(shù)非常高。因此，實(shí)現(xiàn)水泵變頻調(diào)節(jié)具有相當(dāng)大的節(jié)能潛力。

2.3 水泵組合方案

水泵運(yùn)行有三個(gè)方案：同步定頻、定頻+變頻、同步變頻。

同步定頻水泵在整個(gè)制冷區(qū)間內(nèi)，無論是制冷機(jī)組還是冷凍水泵都是恒定功率，始終保持滿負(fù)荷運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)處于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，同時(shí)開啟定頻與變頻兩種水泵；當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，只開啟低負(fù)荷的定頻泵。

同步變頻水泵在整個(gè)制冷區(qū)間內(nèi)，功率會(huì)根據(jù)末端負(fù)荷率的改變而改變，功率時(shí)刻處于變化狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

碳排放計(jì)算的核心就是確定不同類型能源的消耗量以及對(duì)應(yīng)的碳排放因子。碳排放因子是指每消耗單位質(zhì)量的能源所產(chǎn)生CO2的量，是表征溫室氣體排放的重要指標(biāo)［14］。

本文計(jì)算冷凍水泵以及冷水機(jī)組的碳排放量，消耗的能源同為電能。電能的碳排放由發(fā)電形式?jīng)Q定。電能的碳排放系數(shù)主要取決于電力的結(jié)構(gòu)和各地區(qū)的發(fā)展水平，上海屬于華東地區(qū)，電力碳排放因子為0.589 55 t/MWh［15］。

碳排放量計(jì)算式

式中：Tn為系統(tǒng)碳排放量，t；Qn為系統(tǒng)能耗值，MWh；EFd為電力排放因子，t/MWh。

計(jì)算水泵在不同組合形式下的能耗值以及冷機(jī)能耗和總能耗，并以同步定頻方式作為基準(zhǔn)計(jì)算水泵的節(jié)能率，根據(jù)國(guó)家碳排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算減碳量，將結(jié)果列于表1中。

表1 不同組合方式冷凍水泵能耗統(tǒng)計(jì)Tab.1 Energy consumptions of chilled water pump at different combinations

同步定頻水泵組合能耗最高，為814 710 kWh；相應(yīng)碳排放量也是第一位，為480.31 t。定頻+變頻泵組合能耗與碳排放量均處于中間水平。采用同步變頻泵方案能耗最小，為799 164.6 kWh，比同步定頻水泵組合減少15 545.4 kWh；相應(yīng)碳排放量也縮減了9.17 t。這表明采用同步變頻泵的節(jié)能減排效果最佳。

4 結(jié)論

在建筑空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行中，存在著明顯的負(fù)荷變化規(guī)律，水泵的運(yùn)行需要結(jié)合實(shí)際負(fù)荷的變化相做出改變。本文以上海某高校辦公建筑為實(shí)例，對(duì)冷凍水泵不同組合形式的能耗進(jìn)行計(jì)算與討論。計(jì)算表明，辦公類型建筑水泵能耗占整個(gè)空調(diào)機(jī)組能耗的8.25%～10.35%之間。同步定頻、同步變頻和定頻+變頻這三種組合形式中，同步變頻更加節(jié)能，制冷季節(jié)能率可以達(dá)到20.34%，約減少9.17 t CO2排放。