[摘要] 冷却水泵是空调系统的主要能耗设备，随着冷水机组冷负荷的变化相应调节冷却水流量
冷却水泵是空调系统的主要能耗设备，随着冷水机组冷负荷的变化相应调节冷却水流量，是冷却水泵节能运行的重要措施。目前，工程中冷却水的流量一般是采用阀门调节，实际上多数不进行调节，能量浪费比较严重。冷却水泵的变频调速，由于涉及到冷水机组的运行、管道特性及冷却塔的工作状况，故增加了一些不确定的因素。为此，本文通过冷却水泵变频调速的能耗分析，评价其节能性。
一、冷却水泵与冷水泵(水力特性)能耗比较
根据水泵的相似规律，水泵的转速与功率存在以下关系
N1/N2=(n1/n2)3 (1)
式中，N1，N2分别为水泵额定工况和实际工况下的功率，kW;n1, n2分别为水泵额定工况和实际工况下的转速，r/min。
式(1)说明了水泵转速对功率的影响很大。理论上，水泵的功率变化与转速变化的三次幂成正比。举例说，水泵转速降低25%，电耗可减少57.8%。不过，冷却水的管道特性不同于冷水系统，冷水系统为全闭式，管道特性曲线通过原点，水泵的扬程用于克服系统内的总阻力，而冷却水系统中，冷却塔布水点与集水盘水面之间存在高差(见图1)，此高差是定值，不会随着水泵流量的减小而减小。
H1=K1Q1+⊿h (2)
H2=K2Q22 (3)
冷却水系统与冷水系统的管道特性方程如下式(2)，(3)中。H1，H2分别为冷却水系统的阻力，m;Q1，Q2分别为冷却水和冷水的流量，m3/h;K1，K2分别为冷却水和冷水系统的管道特性参数;⊿h为冷却塔布水点与集水盘水面之间的高差，m。
以某工程冷却水泵性能为例，设Q1=Q2=500t/h，H=30m, ，K1=0.000102，K2=0.00012, ⊿h=4.5m，N轴=50 kW。
图2是同一型号水泵分别用于冷却水系冷水系统的管道特性及与水泵联合工作的曲线图。
当水量从500 t/h减小至250 t/h时，冷泵的转速要求从n至n2，而冷水泵可降至n1。
图中0—1—2的面积表示冷却水泵比冷水泵多消耗的电能状况。在实际运行中，其能耗差值与负荷段的时间频率有关。下面采用平均负荷率近似计算冷水和冷却水系统水泵变频调速能耗的差值。
表1 冷却水泵与冷水泵(水力特性)能耗比较
可以看出，冷水泵和冷却水泵变频恻运，由于管道特性的差异，同样条件下，冷水泵的节能效果优于冷却水泵，其差值与水泵负荷率有关，随着负荷率的降低，差值增大。当流量负荷达到50%时，冷却水泵能耗比冷水泵能耗约增加43%，不过此时的基本能耗相对较少。考虑到不同负荷段的时间频率，在运行过程中，两者的能耗差⊿N可按下式计算：
(4)
式中，⊿Ni为不同负荷率的能耗差，kW;Ti 为不同负荷率对应的时间频率，%。
二、变频和定频冷却水的水温分析
冷却水进水温度是影响冷水机组制冷系数的重要因素。据资料介绍：一般情况下，冷却水温度每升高1℃，制冷效率就降低2%~3%。冷却水泵变频调速采用供回水温差控制时，供水量与冷凝负荷成正比。而定流量系统，冷却水量不变，供回水温差随冷凝热负荷变化而变化。因此，二者的运行工况不同，将会影响到冷却水的温度，以至影响冷水机组的性能。
冷却水泵变频调速运行的能耗分析，应充分考虑冷却塔变工况运行的特性。冷却塔是根据水蒸发吸热冷却原理工作的，水分的蒸发量主要与水和空气的蒸汽分压力差及填料的热湿交换面积有关。冷却塔处理水量减少，热湿交换面积和冷却风量不变时，有利于冷却塔的冷却。表2是某公司冷却塔产品变工况运行的性能与额定工况的比较。
表2 冷却塔变流量运行工况(ts=28℃)
从表2可以看出：冷却塔变流量运行时，冷却相同的热量，处理水量较小的出水温度要低于额定水量工况的出水温度。也就是出水温度越逼近室外空气的湿球温度。但是，其进、出水平均温度略高于额定水量工况的平均温度。因此可以认为当冷却水泵变频调速时，冷却水的水温对冷水机组COP的影响是十分有限的。
此外，冷却水变流量系统，当流量减小时，冷凝器中水的流速会降低，同时，换热器水侧的放热系数也相应减小。不过，冷却水量的变化与冷水机组负荷的变化是同步出现的，而换热管水侧的换热系数与水的流速的0.8次幂成正比。说明了冷却水量的变化对冷凝器的运行几乎无影响。
三、并联水泵系统中单台运行的节能
冷却水泵并联系统中，水泵设计的扬程是按系统总水量考虑的。当其中一台工作时，工作点会发生较大的变化。图3是两台水泵并联的冷却水系统的Q-H曲线图。
两台水泵同时工作时，流量为2Q，扬程为H2(设计工况)。当一台水泵工作时，水泵的工作点为1，流量为Q1，扬程为H1。而系统运行要求的流量为Q，水泵的工作点在点3处即可。此时，要求水泵的扬程为H3。图中可以得知，水泵的工作点在点1时的能耗要远大于点3。工作点3便可通过水泵变频调速(转速为n2)实现。此时，虽然水泵的工作效率比较低，但节能效果是十分显着的。
四、变频调速对冷却水泵效率的影响
根据水泵的相似规律，相似工况点应符合：
H1/ Q12= H2/ Q22……= Hn/ Qn2 (5)
在推导相似规律的过程中，相似工况点的效率认为是相等的。水泵相似工况点曲线是一条通过原点的二次曲线，如图2的曲线①，也就是说，水泵的等效率曲线与经过原点的管道特性曲线是一致的。但是，冷却水管道系统的性能曲线不通过原点，如图2中的曲线②，当水泵转速降低至n2时，水泵的工作点不是沿着等效率点变化的。当水泵选型的效率在效率曲线的最高点的左侧时，水泵的工作效率将随着转速的降低而降低。
五、几点看法
1. 由于冷却塔布水点与集水盘水面存在高度差，冷却水泵变频调速运行时，水泵功率不符合与转速3次幂成正比的关系，与空调冷水泵的变频调速比较，节能率有所减小，但仍具有显着的节能效果。
2. 冷却水泵变频调速变水量，对冷却塔而言，冷却水量减少，冷却塔出水温度有所降低，但进、出水平均温度略有升高。说明冷却水温度对冷水机组的COP值影响较小。
3. 并联水泵中部分水泵工作时，水泵的工作状况较差，能耗较大，水泵变频调速可以有效地减少能耗。
4. 在水泵设计选型时，水泵的扬程往往选择偏大，造成水泵工作状况长期不合理。水泵采用变频调速后，可以调整水泵的工作点，对水泵运行节能具有积极的作用。
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