3．1水泵的节能运行与管理

3．1　水泵的节能运行与管理

在集中空调系统的水系统中，不论是冷却水系统还是冷冻水系统，驱动水循环流动所采用的水泵大多是各种卧式单级单吸、双吸清水泵或立式单吸泵。

在集中空调系统中配置使用的水泵，由于使用要求和场合的不同，既有单台工作的，也有联合工作的；既有并联工作的，也有串联工作的，形式多种多样。

循环冷却水系统中，常见的水泵使用形式就有以下3种：

①冷水机组、水泵、冷却塔分类并联然后连接组成的系统，简称群机群泵对群塔系统，如图3．1所示。

②冷水机组与水泵一一对应与并联的冷却塔连接组成的系统，简称一机一泵对群塔系统，如图3．2所示。

③冷水机组、水泵、冷却塔一一对应分别连接组成的系统，简称一机一泵一塔系统，如图3．3所示。

图3．1　群机群泵对群塔系统

图3．2　一机一泵对群塔系统

图3．3　一机一泵一塔系统

在循环冷冻水系统中，水泵使用形式除了有群机对群泵和一机对一泵（见图3．2和图3．3）等系统形式外，还有一级泵和二级泵系统形式之分。图3．1即为一级泵系统，而图3．2和图3．3则为二级泵系统。

不论水泵在水系统中如何配置，其运行调节主要是围绕改变系统中的水流量以适应负荷变化的需要进行的。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置需要扬程-流量曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，优化改进水泵的调节方式是节能最有效的途径和关键所在。

水泵的调节方式可分为非变速调节与变速调节。详细划分如下：

集中空调系统中常见的调节方法有节流调节、并联水泵运行台数调节、变频调速与并联水泵运行台数和变频调速的组合等。

1）节流调节

节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开度，以改变管路局部阻力损失，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。水泵性能曲线的形状与运行效率的下降速度密切相关。低比转速泵性能曲线较平缓，在节流调节过程中，节流损失增大较缓慢，泵的运行效率，下降也较缓慢，轴功率值缓慢减小；而对于高比转速泵，其性能曲线较陡，在节流调节过程中，节流损失迅速增大，泵的运行效率下降也较快，轴功率值反而不断增大。故高比转速泵采用节流调节时，不但经济效果不好，电动机还有过载的危险。

节流调节具有调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少等优点，故以前各种离心泵多采用这种调节方式。但由于其能量损失很大，目前己逐渐被其他调节方式所取代。

2）并联水泵运行台数调节

对不能调速的多台并联水泵来说，可以采用投入使用的水泵台数组合来配合风机盘管系统的供水量变化。由于是用开停台数来调节流量，所以调节的梯次很少、梯间很大，与风机盘管系统的供水量变化适应性比较差。无调速的多台水泵并联形式是目前使用最广泛的一种形式，虽然改变水泵运行台数来调节流量的方式操作起来不太方便，适应性也比较差，但应用得好，其节能效果还是很明显的。相对于调速方式来说，这种调节方式对运行管理人员技术水平和操作技能的要求要更高一些。

3）变频调速

水泵的性能参数都是相对某一转速而言的，当转速改变时，水泵的性能参数也会改变。当风机盘管系统从设计负荷减小到部分负荷时，其总供水量就要从设计流量L_A减小到运行流量L_B，此时可以通过改变水泵的转速来达到这个目的，即将水泵转速从n_A降至n_B，如图3．4所示。

图3．4　变频调速与流量变化的关系

变速调节与节流调节相比，除了没有节流损失外，还由于在相似工况下水泵功耗的减少是流量减少倍数的三次方关系，而使得节能效果显著，并且调节的稳定性好。

·冷冻水变频调速

以变频调速为例，冷冻水系统变频调速常采用的控制方式有温差控制和压差控制两种。

（1）温差控制

温差控制的主要原理是在分、集水器干管处分别设置温度传感器，实时监测供、回水温度，并将信号传输给中央控制设备，中央控制器将实时温差值与设定温差值（通常为5℃）进行对比，如果实时温差小于设定温差，说明末端负荷降低水量过大，这时控制系统自动向水泵变频器输出准确的变频信号，通过降低频率减小水泵转速，达到节能目的。反之，则输出升频信号，提高水泵转速以增大流量。

温差控制的优点是系统简单，投资较低，只需在机房内布置传感器和传输导线即可，特别适用于原有空调系统变流量节能改造，或末端大多装设电动二通开关阀且负荷变化较为一致的宾馆客房部、办公等建筑中。系统采取这种控制方式时，冷冻水流量依照建筑整体负荷一致变化，对于存在不同功能房间负荷变化不一致的情况时（如商业楼中的商场和写字楼部分），该种控制方式容易产生水力失调。此外，由于温差控制检测的是同一时刻下的温度信号，一幢大楼的冷冻水循环一周通常需要几分钟甚至十几分钟的时间，因此，该种控制方式反应较慢，存在一定的滞后性。

（2）压差控制

①末端定压差控制。当空调各区域负荷变化不一致，个性化要求较高时，不宜采用温差控制，在这种情况下，比较理想的控制方法即可采取最小阻力控制法。实际工程中，多采取最不利末端环路上的压差控制法，通过在最不利末端设置电动调节阀和压差变送器，提取压差信号，并与设定压差值比较，进而控制电机频率和水泵转速。当负荷减小时，末端电动二通阀开度减小，瞬时压差增大，如该压差超过设定值，则控制水泵降低转速；反之，当负荷增大时阀门开度增大，压差减小，则控制水泵提高转速，使最不利末端压差值始终稳定在设定值附近。

该种控制方法实时性好、反应迅速，各空调支路不易产生水力失调，但也存在一些缺点。如布线较长施工不太方便，在实际工程中尤其是针对同程式水系统而言，确定最不利末端环路较为困难，末端必须安装有电动二通调节阀等。

②末端变压差控制。末端定压差控制流量调节余地较大，能从容面对扰动，但是调节余地大也意味着在电动调节阀上的压差较大，造成不必要的能量浪费。为了进一步提高变流量节能效果，也可采用末端变压差控制方式，即根据末端负荷变化情况及时调整压差设定值，在满足末端流量需求的基础上尽可能地降低压差设定值，实现水泵的最小频率运行。由于空调系统是动态变化的复杂系统，各点压力值时刻在变化，不利于变压差值的确定，且控制系统复杂，因此，该种控制方式在实际工程中应用较少。

③干管定压差控制。和末端定压差控制方式原理相似，干管定压差控制则是将压差变送器布置在机房分、集水器处，通过对实时干管压差值和设定压差值进行比较，控制水泵提高或降低转速，实现干管压差的近似恒定。该种控制方法由于线路仅局限在机房内，施工方便且具有控制实时性强、水力平衡性好等优点，在实际工程中也得到了普遍应用，但是和温差控制、末端压差控制相比，其节能效果较差。

和末端变压差控制一样，为了提高干管压差控制的节能效果，也可采用干管变压差控制方式，即根据建筑负荷变化及时调整干管压差设定值，最大程度地实现节能运行。

·冷却水变频调速

冷却水系统变频调速常采用的控制方式有定温差控制和冷凝温度控制两种。

（1）定温差控制方法

定温差控制即在机组冷却水进、出水管上分别布置温度传感器，控制器将实时进、出水温差和设定温差（通常为5℃）进行对比，进而控制水泵转速和流量。当系统负荷降低时，进、出水温差减小，控制器控制水泵降低转速，降低流量，进而维持设定温差，如图3．5所示。

（2）冷凝温度控制法

由于冷冻水系统出水温度与室内除湿效果相关，蒸发器出水温度不能太高，且考虑到机组效率的原因也不能太低，故其可变范围有限。而冷却水系统则与舒适性无关，在室外温度较低的部分负荷下，冷凝器进水温度较低，如果保持出水温度恒定（如37℃），则可利用温差增大，水泵能耗进一步降低，此种方法即冷凝温度控制法，它以冷凝器出水温度作为控制变量，间接地控制冷凝温度，如图3．6所示。

图3．5　冷却水变流量定温差控制法

图3．6　冷却水变流量冷凝温度控制法

常规空调系统是固定冷却水流量，定温差变流量系统是固定冷凝器进出水温差，而冷凝温度控制变流量则是固定冷凝器出水温度。定温差控制时冷却水流量与负荷呈线性变化，冷凝温度控制其流量不再与负荷等比变化，负荷越小时，室外温度可能越低，两种控制方式的流量差异将增大。在某一部分负荷下，与定温差控制相比，冷凝温度控制时机组冷凝温度稍高，能耗较大，而水泵能耗较低，它能充分发挥水泵的节能潜力、冷却塔的换热能力及部分负荷下的室外气候特征，故冷凝温度控制法对于水泵功率权重较高、建筑部分负荷率较高的系统更为适合。在控制方面，定温差控制需要两个温度测点，而冷凝温度控制只需要一个测点，其控制精度更高，也更简便易行。对于两种控制方式的节能效果的比较，其与建筑负荷特性、室外气候特性、机组变流量性能、水泵功率相对大小等因素有关，应针对具体工程作具体计算、分析。

应该引起注意的是，变频调速时的最低转速不要小于额定转速的50%，一般控制在70%～100%。否则水泵的运行效率太低，造成功耗过大，可能会抵消降低转速所得到的节能效果，还会影响到电机的安全。

4）并联水泵运行台数和变速调节相结合

将并联水泵全部配上变频调速器形成的水泵组，在项目一次投资和运行费用比较来看，相对上述第2种调节方式来说都是最理想的。负荷变化小时，用调速变流量来适应；负荷变化大时，用水泵启停台数粗调、调速细调来适应。这种调节方式的调节范围大、适应性好，是水泵适应变流量节能运行的最佳调节方式。

应当引起注意的是，并联水泵最好是同型号同规格的，而且要全部配上变频调速装置，在使用时同步调为一个转速运行。这是因为：由泵的并联运行特性可知，多台水泵并联运行的性能曲线是由各单台水泵的性能曲线在等扬程的条件下，使流量叠加而得到的，而各台水泵的性能曲线又是由其自身性能（如流量、扬程、效率等）或转速决定的。因此，为了保证并联有效，即并联运行的流量大于单台水泵或部分水泵并联运行时的流量，最好使用同型号的水泵并联并全部配上变频调速器，在变速时运行的几台水泵同步变为同一转速，避免出现并联失效的情况，否则可能节能不成，反而多耗能。

对于各类建筑的集中空调系统来说，全年运行能耗的30%甚至更高是用于水泵和风机。由于这类设备的数量种类多，安装使用分散，其总体能耗大的问题往往没有引起注意。因此，要提高认识、摸清情况、采取措施，把减少输配能耗作为建筑设备系统节能的重要工作。

空调水系统的节能运行还要遵循以下原则：

①冷冻水泵和冷却水泵的运行台数应满足冷水机组的运行需求。

②在部分末端不满足环境控制要求时，应通过对末端水系统的平衡调节来改善该部分末端的空调效果，而不能盲目地增加循环泵开启台数。

③有变频控制的水系统，冷却水的总供回水温差不应小于5℃；冷冻水的总供回水温差不应小于4℃。

④采用二次泵系统时，应采取措施，使冷冻水供回水温差不小于4℃。

⑤冬季供暖工况下，热水供回水温差不应小于设计工况的80%。

⑥安装有动态平衡阀的水系统，应检查有没有使用必要，如没有必要，且阻力过大应予以拆除。

在水泵的日常运行调节中还要注意两个问题：一是在出水管阀门关闭的情况下，水泵的连续运转时间不宜超过3min，以免水温升高导致水泵零部件的损坏；二是当水泵长时间运行时应尽量保证其在铭牌规定的流量和扬程附近工作，使水泵在高效率区运行，以获得最大的节能效果。