摘要：中央空调系统设计首先是气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。在部分负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低……

关键词：中央空调系统 节能 冷却水系统

一、调水泵节能介绍

1、中央空调运行控制方法分析
中央空调系统设计首先是气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。在部分负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。
从美国制冷协会标准880-56数据可见，平均年负荷在60%左右。

冷负荷率	75-100	50-75	25-50	<25
占总运行时间的百分数	10	50	30	10

表1 空调负荷的全年分布（%）

　　现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节），主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。
若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV），使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的30~60%，而且节能是双效的，因为对制冷主机的需求能耗同时下降。
主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的YT型离心式冷水机组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。
过去在中央空调系统中应用变频技术为什么推广难呢？可能是价格太高的原因吧？在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：（1）中央空调运行时间更长，节能问题更突出；（2）变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；（3）变频控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。
中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在3～12个月，以变频控制器使用寿命10年计，其净收益在10倍投资额以上。
2、中央空调调速节能原理
中央空调系统中大部分设备是风机和水泵，是将机械能转变成流体的压力能或动能的设备，若流体为液体工质称其为泵；若流体为气体工质称其为风机。空调系统中的风机、水泵一般在结构上为透平式类。

参数	水泵	风机
透平式	离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵	离心风机、斜流风机、轴流风机
参数	水泵	风机
容积式	略	略
其它式	略	略

表2 泵和风机的分类表（按工作原理分）

风机和水泵的理论压力方程式表示为：
Hth=1/g(u2cu2－u1cu1)
对于轴流式
Hth=1/g(cu2－cu1) (∵u1=u2=u)
式中，Hth--理论扬程，m；
cu1、cu2--分别为叶轮进出口处绝对速度的周向分量，m/s。
但由于空气和水密度相差800多倍，所以升压也相差800多倍。
在现场，常根据用户需要改变风机和水泵的流量和压力，即改变工况点位置，这种以变应变的人工干预称为调节，因用户需求的"变化"是绝对的、经常的，而不变化却是相对的、暂时的，因此调节是一个至关重要的技术。
根据相似定律可知：

参数	仅n≠no	流量Q	Q=Qvo(n/no)
扬程H	H=Ho(n/no)2	全压P	P=Po(n/no)2
功率P	P=Po(n/no)3	效率n	n=no

注："o"为变化前参数，H对于风机称有头，第四项又称比例律。

表3 风机、水泵相似工况下参数变化

　从管网特性曲线可以看出，一般情况下，风机转速变化相似工况点连线过原点，由于水泵有静扬程存在，当转速变化时，相似共况点连线不通过坐标原点，转速变化前后工况点亦不再保持相似，所以效率也随之不再保持不变，也就是说，此时不满足比例律，如图2 a、b所示：

　　在图2（a）中，no为原转速，A为原工况点，转速降低到n1或提升到n2时的工况点分别为B和C。A、B、C均为相似工况点，其连线过坐标原点O，恰好与管网特性线R重合，Hst=0。
在图2（b）中，Hst>0，转速变化前后的特性线与管网特性线交于B和C点。
A、B、C是工况点，但不是相似工况点，因此效率也不是相似工况点，实际流量（减少时）的转速要比按一次方计算转速高，实际功率比按转速比二次方计算功率大。
从实际水系统的装置特性来看，不管是冷却水系统还是冷冻水（热水）系统，其进水势能与出水势能相差不大。
装置扬程H=Hz+[(p"-p′)/r]+KQ2,m
式中，Hz-----压出池液面与吸入液面高度差；
p"、p′----分别为密闭吸入池和压出池液面处压力，若是开口池（容器），均为大气压力；
K-------与吸入管路、压出管路等有关的阻力系数；
Q-------体积流量。

　　在图3中，分析偏离O点的差值
¤H2高度差在冷冻水密闭管路中接近零，在冷却水中差距很小；
¤P″、Pˊ在系统中差值小，所以，在空调水系统中作水泵节能分析时，可按相似律作粗略分析，即 H2+（P″-Pˊ）/r趋近零。
所以，在以下分析中，分机水泵的节能均按相似定律计算。
根据相似定律，可作出恒速调节和变速调节的能耗关系。

　　当风机或水泵稳定工作在工况点A1（Q1，P1）上，当需要减少流量到Q2时，（1）关小阀门开度，使管网曲线R2。值得注意的是：Q2的实现是靠人为节流引起的损失ΔP的代价换来的。（2）采用变速调节，将速度降到n2时，既可满足流量的要求，其功率降低显著。
因此，变转速调节是风机、泵经济运行的首选方式。
采用变频调速方式，对普通系列三相异步电动机拖动进行控制，是当前无级调速的主流。它的基本原理如下，当电动机极对数P选定后，运行时改变供电电源F1，就可改变其步转速n1。当同步转速n1改变了，电动机转轴转速n则随之而变。采用变频调速有以下特点：
　　（1）

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