冷冻水泵节能运行模拟分析

赵明名，吕子强，沈剑挥

（1.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司 能源管控中心，辽宁 朝阳 122004）

伴随着社会经济的高速发展，能源紧缺问题也日益严重。近十年来，全球能源消费总量以平均每年1.8%的速率增长［1］。其中，建筑能耗与交通能耗、工业能耗并驾齐驱，分别占全球能源消费总量的三分之一，并且呈现逐年增长的趋势，预计我国未来建筑能耗将占全国总能耗的35%左右，位居第一位［2］。与此同时，我国在第七十五届联合国大会和第十三届全国人大四次会议上都提出，加快形成绿色发展方式和生活方式，建设生态文明和美丽地球的倡议；力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。“双碳”目标对建筑节能计划提出了更高的要求，实现建筑节能势在必行。

大型公共建筑大量使用空调设备，在带给人们舒适环境的同时，也造成很多能源的浪费。空调系统的能耗约占整个建筑能耗的40%以上，其中空调水系统能耗约占整个空调系统能耗的15%～20%，且随着空调负荷率的降低，水系统能耗占比不断升高［3-4］。控制空调系统能耗中关键的一环就是控制水系统的能耗。

水泵的运行方式、开机组合、负荷分配等都是影响水系统能耗的关键因素。陈明［5］从能效最优的角度出发，对不同负荷区间段的最优开机组合进行研究，探索冷冻水系统运行特征及规律，分析验证变流量的可行性。焦乾峰等［6］通过模拟与实测相结合的方法对水泵进行变频优化控制后，平均节能率达到13%，最大节能率为25%。Chong等［7］通过对比压差控制与温差控制下水泵运行能耗，确定负荷分配对冷冻水泵工作状态点以及能耗值的影响。文献［8-9］给出了变频水泵能耗与流量之间的曲线关系，对变频水泵的测算方法进行分析，经济效益分析表明水泵变频技术具有可观的节能效果。Wang等［10］提出一种水泵在线自适应控制模型，与常规控制策略相比，可以节省高达50.59%的水泵能耗。Gao［11］提出通过消除故障或者采用水泵的最佳控制方式，冷水机组能耗可以降低20%，甚至是50%。

本文以上海某高校办公楼为实例，探究冷水机组在不同负荷率下冷冻水泵的最优组合形式，确定最节能的水泵运行策略，计算其节能量和减碳量，推进建筑空调领域减污降碳。

1 水泵能耗数学模型

中央空调系统的外部热交换由水系统来完成，在供回水温差恒定的情况下，水流量反映的就是空调系统的冷热负荷。变频泵借助对电机转速的变化达到对水泵的流量及扬程等技术参数的控制，从而控制水流量的变化。生活中常用的定频泵电机工作频率固定，相应的流量及扬程等技术参数也固定。二者计算能耗的方法不同。定频泵与变频泵功率关系如图1所示。

图1 水泵功率示意图Fig.1 Schematic diagram of water pump power

1.1 定频水泵能耗数学模型

定频水泵的输配水量以及转速不会随着末端负荷的改变而改变，在整个运行过程中，功率都是恒定的，数值为水泵铭牌标注，能耗值为铭牌功率值与时间的乘积

式中：P为冷冻水泵能耗，kWh；N为冷冻水泵功率，kW；t为冷冻水泵运行时间，h。

1.2 变频水泵能耗数学模型

变频调速水泵主要由电动机、变频器、水泵共同组成。水泵根据末端负荷的变化，改变电机的输出功率，进而使水泵的转速发生变化，使水泵在部分负荷条件下输出的流量与末端所需相匹配，达到降低水泵能耗的目的。计算不同负荷率下变频器与电动机的效率值，确定变频水泵的能耗

式中：x为负荷率；P为水泵能耗，kW；ρ为水密度，kg/m³；g为重力加速度，取9.8 m/s2；H为水泵扬程，m；Q为水泵流量，m³/h；ηm为电机效率；η为水泵综合效率；ηp为水泵运行效率；ηvfd为变频器效率。

综合效率的变化与负荷率的变化满足线性关系［12］。综合效率变化趋势大致分为三个阶段。第一阶段：负荷率在80%以上，综合效率在70%以上；第二阶段：负荷率在30%～70%之间，综合效率在30%～60%之间；第三阶段：负荷率低于30%，综合效率急剧下降，低于20%，水泵严重偏离高效率运行区间，这可能导致节约的电量被低能效抵消，变频水泵不再节能。

2 案例分析

2.1 建筑概述及负荷计算

以上海市某高校办公建筑为例，此建筑共有6层，层高为4.2 m，建筑总高度为25.2 m，建筑总空调面积为9 556 m2。建筑结构为框架结构，公共设施配备齐全。该办公建筑的三维模型如图2所示。

图2 办公建筑的模型图Fig.2 Model of office building

上海地区属于夏热冬冷A类地区，建筑类型为办公建筑，空调系统室内设计温度24～26℃，相对湿度为45%～60%。夏季制冷区间为5月1日至9月30日。空调每日运行时间为上午7时至晚上20时。

通过DeST建模计算得出，建筑最大冷负荷出现在6月29日，最大冷负荷值1 423 kW，最大单位面积冷负荷指标为148 kW/h。

选择两台制冷量为720 kW的风冷螺杆式冷水机组，机组额定功率为189.3 kW。设计冷冻水流量为247.68 m³/h，扬程为38.7 m；选用冷冻水泵型号为VGDW130-42，额定流量为130 m³/h，扬程为42 m，转速为1 450 r/min，轴功率为19.6 kW，电机功率为25 kW。冷水机组与水泵采用一机一泵的串联方式，控制方式选择温差控制。此办公建筑全年8 760 h的逐时冷热负荷模拟结果如图3所示。

图3 办公建筑逐时冷热负荷结果Fig.3 Hourly cooling and heating load of buildings calculated by DeST

2.2 冷负荷率及时间频数

负荷率是夏季逐时空调冷负荷与夏季最大冷负荷的比值。冷负荷时间频数（Cooling load time frequency，CLTF）是夏季某一个负荷率出现的小时数占空调总运行时数的比例［13］。通过DeST模拟计算负荷率与冷负荷时间频数，统计结果如图4所示。5～9月份最大负荷率分别为52.0%、100%、94.4%、94.2%和72.4%。

图4 全年空调冷负荷率及时间频数统计图Fig.4 Statistical chart of annual cooling load rate and time frequency of air conditioning

空调开启时间共有1 950 h。负荷率达到80%以上的时间仅有51 h，只占整个供冷季的2.6%。在20%～30%负荷率运行的时间最长，共有367 h，是日常出现最多的工况。负荷率在40%、50%、60%时间频数持平，在250 h左右。部分负荷时间频数非常高。因此，实现水泵变频调节具有相当大的节能潜力。

2.3 水泵组合方案

水泵运行有三个方案：同步定频、定频+变频、同步变频。

同步定频水泵在整个制冷区间内，无论是制冷机组还是冷冻水泵都是恒定功率，始终保持满负荷运行。

当系统处于满负荷运行时，同时开启定频与变频两种水泵；当系统长期低负荷运行时，只开启低负荷的定频泵。

同步变频水泵在整个制冷区间内，功率会根据末端负荷率的改变而改变，功率时刻处于变化状态。

3 结果与讨论

碳排放计算的核心就是确定不同类型能源的消耗量以及对应的碳排放因子。碳排放因子是指每消耗单位质量的能源所产生CO2的量，是表征温室气体排放的重要指标［14］。

本文计算冷冻水泵以及冷水机组的碳排放量，消耗的能源同为电能。电能的碳排放由发电形式决定。电能的碳排放系数主要取决于电力的结构和各地区的发展水平，上海属于华东地区，电力碳排放因子为0.589 55 t/MWh［15］。

碳排放量计算式

式中：Tn为系统碳排放量，t；Qn为系统能耗值，MWh；EFd为电力排放因子，t/MWh。

计算水泵在不同组合形式下的能耗值以及冷机能耗和总能耗，并以同步定频方式作为基准计算水泵的节能率，根据国家碳排放标准计算减碳量，将结果列于表1中。

表1 不同组合方式冷冻水泵能耗统计Tab.1 Energy consumptions of chilled water pump at different combinations

同步定频水泵组合能耗最高，为814 710 kWh；相应碳排放量也是第一位，为480.31 t。定频+变频泵组合能耗与碳排放量均处于中间水平。采用同步变频泵方案能耗最小，为799 164.6 kWh，比同步定频水泵组合减少15 545.4 kWh；相应碳排放量也缩减了9.17 t。这表明采用同步变频泵的节能减排效果最佳。

4 结论

在建筑空调的实际运行中，存在着明显的负荷变化规律，水泵的运行需要结合实际负荷的变化相做出改变。本文以上海某高校办公建筑为实例，对冷冻水泵不同组合形式的能耗进行计算与讨论。计算表明，办公类型建筑水泵能耗占整个空调机组能耗的8.25%～10.35%之间。同步定频、同步变频和定频+变频这三种组合形式中，同步变频更加节能，制冷季节能率可以达到20.34%，约减少9.17 t CO2排放。