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林一t l , 关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 摘要 能源的曰渐短缺是制约经济发展的一个重要因素之一，如何合理开发和 利用能源，提高能源利用率已成为全球经济可持续发展的一个重要课题。因 此如何在满足使用功能的前提下实现空调系统的最大节能则是摆在我们面 前的一大难题，而变频则是实现系统节能的一个重要方法之一。 中央空调系统是耗能大户，本文首先介绍了中央空调的现状，分析中央 空调系统设计及运行管理耗能的原因，提出采用变频手段降低空调循环水泵 能耗的措施。通过分析我们得出：空调循环水系统阻力特性曲线的建立，水 泵性能曲线的合理选取，水泵频率及台数的控制策略，是变频控制系统实现 的关键技术。本文建立了空调循环水系统的阻力计算模型，运用数据分析的 曲线回归的最小二乘法拟合得到水泵的性能曲线，然后在前两者的基础上分 析空调循环水系统的运行调节规律，结合空调的全年负荷模型，提出了一套 最优化的水泵频率及台数运行控制策略。同时，结合具体的工程实例，利用 目前流行的可编程控制器技术及开发系统，对本文的控制理论及方法进行了 具体编程实现。通过对比分析定频与变频水泵的全年能耗数据，本文所采用 的变频控制方法节能效果显著。 最后，对变频技术作为空调系统节能的有效措施提出展望。 【关键词】数据分析，中央空调系统，循环水泵，可编程控制 器，传感器，变频器 林心关中山大学软件研究所中央宅调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 t h e c o m p u t e r a i d e dr e s e a r c ho i lv a r i a b l e f r e q u e n c yp u m p o fa i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m c o m p u t e r s o f t w a r ea n d t h e o r y n a m e ：l i n x i n g u a n s u p e r v i s o r ：y a oz h e n g a n a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g ei s o n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r si nr e s t r i c t i n gt h e e c o n o m i c d e v e l o p m e n t h o w t o e x p l o i t a n dm a k eu s eo f e n e r g y r e a s o n a b l ya n di m p r o v e t h ee n e r g ye f f i c i e n c yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t t a s ki nd u r a b l ed e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m y t h e r e f o r e ，h o wt o i m p l e m e n tt h ee n e r g ys a v i n go fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi nm a x i m u m e x t e n tu n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fs a t i s f y i n gt h eo p e r a t i o nf u n c t i o nh a s b e c o m ea no b s t a c l et ou s a n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ni s o n eo ft h e i m p o r t a n tm e t h o d s t oi m p l e m e n tt h es y s t e m e n e r g ys a v i n g c e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m c o n s u m e sm u c h e n e r g y t h i s p a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e st h es t a t u s q u o o fc e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n g ， a n a l y s e st h e r e a s o n sf o re n e r g yc o n s u m p t i o no fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n g d e s i g na n do p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，a n d r a i s e st h em e a s u r e st or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fa i r - c o n d i t i o n i n gc y c l ew a t e rp u m p w eg e tt h e c o n c l u s i o nf r o ma n a l y s i s ：t h ee s t a b l i s h m e n to fr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c c l l l v eo fa i r - c o n d i t i o n i n gw a t e rs y s t e m ，r e a s o n a b l es e l e c t i o no fp u m p p e r f o r m a n c ec u r v e ，a n d c o n t r o ls t r a t e g yo f p u m pf r e q u e n c ya n dq u a n t i t y i t 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 a r ec r u c i a lt e c h n o l o g yt o i m p l e m e n tt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l s y s t e m t h i sp a p e r e s t a b l i s h e sr e s i s t a n c ec a l c u l a t i o nm o d e lo f a i r - c o n d i t i o n i n gc i r c u l a t i n g w a t e r s y s t e m ，a n dg e t s t h e p u m p s p e r f o r m a n c ef i t t i n g c u r v e b yu s i n g l e a s t s q u a r e m e t h o db a s eo n c u r v i l i n e a rr e g r e s s i o no fd a t aa n a l y s i s ，a n dt h e na n a l y z e st h eo p e r a t i n g r e g u l a t i o nr u l e s o fa i r - c o n d i t i o n i n gw a t e rs y s t e mo nt h eb a s i so ft h e f o r m e r t w o ，a n d c o m b i n e sw i t h a n a l l - y e a r l o a dm o d e lo f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n dr a i s e sas e to f e x c e l l e n to p e r a t i o nc o n t r o l s t r a t e g i e so fp u m pf r e q u e n c y a n dq u a n t i t y a tt h es a m et i m e ，ic o m b i n e d e t a i l e dp r o j e c te x a m p l ea n dm a k eu s eo ft h ep r o g r a m m a b l el o g i c a l c o n t r o l l e rt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p i n gs y s t e m ，a n dh a v em a d ed e t a i l e d p r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n o ft h ec o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d si nt h i sp a p e r b yc o n t r a s t i n g a n da n a l y z i n gt h e a l l y e a re n e r g yc o n s u m p t i o n d a t a b e t w e e nt h ec o n s t a n ta n df r e q u e n c yc o n v e r s i o np u m p ，t h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o n t r o lm e t h o d si n t r o d u c e di n t h i s p a p e ro b t a i n o b v i o u s e n e r g ys a v i n g e f f e c t f i n a l l y , t h ep r o s p e c t o fe f f e c t i v em e a s u r e so f f r e q u e n c y c o n v e r s i o nt e c h n o l o g yo ne n e r g ys a v i n go fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a s b e e nr a i s e d k e y w o r d s d a t a a n a l y s i s ，c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m ，c o o l i n g w a t e r c i r c u l a t i n gp u m p ，p r o g r a m m a b l el o g i c a l c o n t r o l l e r , s e n s o r ， c o n v e r t o r i i i 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 第一章前言 1 1 水泵变频技术应用的背景 我国社会经济在改革开放后得到快速发展，空调应用也在各种单位机构 中日益普及。常规空调在设计时输送系统( 水系统和风系统) 的流量一般不变， 即根据空调的最大负荷设计水系统和风系统，从而空调系统一旦开动就要全 负荷运行，这需要损耗大量能源。但是实际情况下空调系统的大部分时间处 于部分负荷状态，于是上面提到的大量能源损耗就是一种无形的且无意义的 浪费。据不完全统计，上海市夏季空调的高峰期用电量占全市总用电量的1 3 左右；中央空调系统的能耗在建筑中占的比例大约是6 0 “7 0 ；在实际运行的 中央空调系统的能耗组成中，循环水输送系统的空调水泵所占能耗约为4 5 ， 而国家节能标准的要求是不超过2 0 。这种浪费对于现今我国的发展是不利 的。另一方面，据中国电监会统计，2 0 0 3 年夏季全国电力紧缺的省份为十八 个，七、八两个月全国各地区累计拉闸限电超过十四万条次，全国累计限电 量十九亿千瓦时，各电网最大日拉闸限电负荷之和超过四千万千瓦。近年来， 随着空调社会拥有量的飞速增加，空调负荷在电网系统负荷中的比重不断增 大。据初步统计，目前我国家用空调的年耗电量为4 0 0 亿千瓦时以上，在许 多地区的电网中，空调制冷负荷比重超过3 0 ，空调使用高峰时甚至高达4 0 。 随着我国国民经济的迅猛发展，工业用电的供应将面临严峻的形势。同时， 随着人民生活水平的不断提高，空调技术及空调系统在人们工作、生活中应 用越来越广泛，生活用电的供应也将面临严峻的形势。面对当前电力紧缺局 面，作为第一能耗大户的中央空调应该如何做好节能是项大课题。 由北京市科协下达的“智能建筑软课题”，曾对智能建筑的国内外发展 状况和技术内涵进行过调查研究。在一年零三个月( 1 9 9 6 3 - 1 9 9 7 6 ) 的时问 内，组织了北京工业大学及兄弟院校，从事自控、计算机、通讯、空调方面 的教授、专家，对北京6 5 座大楼进行了普查；对北京京信大厦、京诚大厦、 中化大厦、长安俱乐部、远南饭店、发展大厦、徐州中房大厦、上海博物馆、 上海市政府大厦、上海金茂大厦、郑州期货商城等建筑物进行了实地考察。 用户对楼宇自控系统运行情况的评价是：满意的仅占3 0 ，一般的占4 0 ，差 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 的竞占到3 0 。在调查中发现：除少数建筑物技术先进、运行良好外，普遍存 在着各种各样的问题：有的技术不先进，有的在运行中存在严重缺陷，有的 根本不能开通。 在智能建筑中，空调自控系统的工程实施，目前大体上经过下列工程步骤： 由土建设计院的暖通空调专业人员进行空调设计，并提出空调自控要求，由 设计院自控专业人员进行空调自控设计，由自控设备厂商进行控制部分的方 案设计和施工图设计，并由自控设备厂商进行控制部分的安装调试，然后移 交给物业管理部门进行运行管理。在上述的工程环节中，需涉及的单位包括 设计院，土建旌工单位，设备安装单位，自控厂商等，当然还有起决定和控 制作用的业主。这其中本应形成密切配合、一环扣一环的、平滑运转的链条， 然而，实践证明：其中各个重要环节常常严重脱节，遗留后患，并给楼宇自 动化系统的正常运行和节能效果带来严重问题。 脱节现象常常表现为： ( i ) 设计院暖通空调专业人员对自控专业提的要求往往深度不够：一般 均未提供全年工况划分，相应的空气处理过程焓湿图，各种工况下各种执行 机构的动作要求及工作状态，工况转换的边界条件等。 ( 2 ) 设备安装单位的设备安装工作未按规程进行，在安装完毕之后对 各个风系统和水系统并未进行认真的测试和平衡。 ( 3 )自控设备供应厂商，在竟标时，往往“什么工作都能做”；但在 工程实施时，或者缺乏必要的专业人才，或者工程人员比例严重不足，因而 无力针对具体工程进行具体分析，常常凭借一些“c o p y ”来的东西甚至未经 消化来应付工程。自控设备厂商的调试工作也普遍不到位：比如针对建筑物 特性和具体管网特征的一些参数选择粗糙，夏季、冬季和过度季节等不同空 调工况普遍未进行足够调试等。 ( 4 ) 业主对楼宇能量管理系统( b e m s ) 的安排，它的节能潜力，它在 运行中可能出现的问题往往心中无数，对于空调设计和空调自控设计中的重 大方案问题往往缺乏判断能力，亦未组织必要的论证。有些投资者对于已建 和在建的智能建筑b e m s 方面屡屡发生的问题甚至处于几乎盲目状态。 智能建筑建成之后，不仅可以节电节能，而且可以极大的提高运行管理 水平，大量的减少维护管理人员；但应该指出的是：对维护管理人员的素质 2 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 要求高了。特别是业主必须选择一个合格的设备运行负责人，他( 她) 应该 了解供暖通风与空气调节( h v a c ) 各系统及其控制系统的运行原理。必要的 投资之后，管理就至关重要。业主可以在建设初期就注意选择和培养管理人 才。必要时，亦可在建设过程的各个环节以至全过程( 从设计方案到系统运 行) 聘请技术专家以避免盲目性。 在我国智能建筑当前的设计体制中，一般的情况是：土建设计院的暖通空调 专业人员做暖通空调系统设计，且由自控专业人员做暖通空调系统的控制系 统设计。但其中控制系统的设计，一般没有达到施工图设计的深度，而要控 制设备厂商或集成商重新做“弱电”方案设计和其后的施工图设计。目前有 的设计院提出做计算机控制( 即“智能”的一部分) 设计的要求，有的设计 院做了一些尝试，有的设计院则为此做着技术准备。以长远来说，土建设计 院承担“智能”部分设计也许是具有竞争力的，但就目前情况来看，“智能” 部分设计仍然是自控设备厂商和系统集成厂商的天地。 1 2c a d 技术简介及本文的主要工作 水泵变频技术应用于空调领域己有几十年，但并没有得到广泛普及且实 际成功的例子不多，主要原因有以下三点： 1 、水泵变频技术是跨领域的应用技术，它涉及到自动控制知识、计算机软 硬件知识以及空调专业知识。 2 、水泵变频控制系统相应的软硬件投资较大。 3 、水泵变频技术的研究大多处于理论阶段，与实际工程应用存在相当大的 差距，且实际应用存在差异性，它与具体工程的管网设计密不可分，一 个成功的应用必定是一个系统工程，它包括从设计、施工、调试、运行 调整等一系列过程，而目前并没有形成这样一套完整成熟的机制。 分析以上原因，本人认为要促进水泵变频技术在空调领域的广泛应用， 主要应从系统上提供一套完整的可操作的指导机制，保证变频系统经济性好， 投资最省；技术可行，运行节能效果好；系统简单紧凑，运行可靠性高。针对 以上三个目标，本文所做的工作主要有以下四个方面： l 、分析空调循环水管网，建立循环水系统管路阻力模型； 2 、用数据分析方法拟合水泵性能曲线，建立空调全年负荷模型，确立水泵 运行控制理论依据。 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山人学硕士学位论文2 0 0 4 3 、系统运行的可靠性及节能效果是变频系统成败的关键，也是变频系统设 计的难点。本文结合理论及实践，提出一套简单可靠的水泵运行台数及 频率控制方案，运用水泵理论参数及实测参数，通过数值计算及比较， 得到水泵最佳运行台数及频率。 4 、结合具体的工程实例，利用目前流行的可编程控制器技术及开发系统， 对本文的控制理论及方法进行了具体编程实现。 针对这几方面，我们用计算机作为工具，进行了中央空调水泵变频技术的 计算机辅助研究( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 。计算机辅助设计包括的内 容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘 图、计算机辅助设计过程管理等。在工程设计中，一般包括两项内容：带有创 造性的设计( 方案的构思、工作原理的拟定等) 和非创造性的工作，如绘图、 设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出以前不存在 的设计方案，这项工作一般应由人来完成。非创造性的工作是一些繁琐重复性 的计算分析和信息检索，完全可以借助计算机来完成。一个好的计算机辅助设 计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能 力，即要找到人和计算机的最佳结合点。 计算机辅助设计作为一门学科始于6 0 年代初，一直到7 0 年代，由于受到 计算机技术的限制，c a d 技术的发展很缓慢，进入8 0 年代以来，计算机技术 突飞猛进，特别是微机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备， 如大型图形显示器、绘图仪、激光打印机的问世，极大地推动了c a d 技术的 发展，c a d 技术己进入实用化阶段，广泛服务于机械、电子、宇航、建筑、 纺织等产品的总体设计、造型设计、结构设计、工艺过程设计等环节。 早期的c a d 技术只能进行一些分析、计算和文件编写工作，后来发展到 计算机辅助绘图和设计结果模拟，目前的c a d 技术正朝着人工智能和知识工 程方向发展，即所谓的i c a d ( i n t e l l i g e n t c a d ) 。另外，设计和制造一体化技 术即c a d c a m 技术以及c a d 作为个主要单元技术的计算机集成制造系统 即c i m s 技术都是c a d 技术发展的重要方向。 在工业化国家如美国、日本和欧洲，c a d 已广泛应用于设计与制造的各 个领域如飞机、汽车、机械、模具、建筑、集成电路中，基本实现1 0 0 的计 算机绘图。c a d 系统的销售额每年以3 0 4 0 的速度递增，各种c a d 软件 的功能越来越完善，越来越强大。国内于7 0 年代末开始c a d 技术的大力推 4 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 广应用工作，已经取得可喜的成绩，c a d 技术在我国的应用方兴未艾。 对于现实世界中的物体，从人们的想象出发，利用交互的方式将物体的 想象模型输入计算机，而计算机以一定的方式将模型存储起来，这种过程称为 几何建模。建模技术是c a d 系统的核心技术，因为它是分析计算的基础，也 是实现计算机辅助制造的基本手段。几何建模主要处理零件的几何信息和拓扑 信息。几何信息一般是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，拓扑信息则 是指物体各分量的数目及其相互间的联接关系。目前常用的建模系统是三维几 何建模系统，一般常用三种建模方式：线框建模、表面建模和实体建模。 计算机辅助设计还包括很多其它内容，如优化设计、智能c a d 、概念设 计、工程数据库、计算机分析和仿真、c a d c a m 集成及接口技术等。最早的 c a d 的含义是计算机辅助绘图，随着技术的不断发展，c a d 的含义才发展 为计算机辅助设计。一个完善的c a d 系统，应包括交互式图形程序库、工程 数据库和应用程序库。对于产品或工程的设计，借助c a d 技术，可以大大缩 短设计周期，提高设计效率。 在第二章中，我们首先描述了中央空调系统的构造原理，普通中央空调 系统主要由制冷机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、末端空气处理设备、冷却 水及冷冻水循环管路组成。接着给出了目前降低水泵运行能耗的最有效方法一 一采用变频水泵。变频水泵的运行原理是根据系统的需要调整水泵的输入频 率，从而改变水泵的转速及输入功率，达到适应系统实际需要的节能效果。最 后给出了空调系统流动阻力的概念及计算公式、空调制冷系统阻力计算公式、 空调末端设备阻力计算公式、空调水输送管路系统阻力计算公式和空调水输送 系统综合阻力模型。 第三章讨论了水泵变频系统的计算机模型。首先给出水泵变频技术理论 描述，包括循环水系统的管路性能曲线描述公式、离心式水泵的工作原理、水 泵的性能曲线等。然后利用计算机辅助研究技术提出了全年空调负荷模型，最 后基于最小二乘法拟合了水泵最优化运行模型及策略，分别考虑了数据拟合的 最小二乘法、水泵的拟合特性曲线、水泵最优化运行模型及策略，并用计算机 实现了这些技术。 第四章讨论了水泵变频控制系统的编程实现。主要利用了可编程控制器 来实现我们的水泵变频控制系统，重点放在了可编程控制器的定义、编程控制 器的工作原理及特点、可编程控制器的编程语言和可编程控制器选用应注意的 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 问题，并结合了实际工程实例中的应用，研究了下位机控制程序的编程实现、 上位机监控程序，并给出了控制系统的运行效果。 第五章分析了水泵的全年运行能耗。通过定频水泵全年运行能耗分析、 变频水泵最优化运行全年能耗分析和定频与变频水泵全年运行能耗的比较分 析，可以给出变频水泵的能耗要远远低于定频水泵的能耗的结论。 6 林心关中山大学软件研究所中央守调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 第二章中央空调系统及其工作原理 2 1中央空调系统简介 生产过程和科学实验所要求控制的空气环境，一般是指在某一特定空问 内对其空气温度、湿度、洁净度和空气流动速度进行调节，达到并保持满足人 体舒适和工艺过程的要求。在现代技术发展的条件下，有时还需对空气的压力、 成分、气味和噪声进行调节和控制。总之，采用技术手段，创造和保持满足一 定要求的空气环境，就是空气调节的任务。 空气调节对国民经济各部门的发展和对人民物质文化生活水平的提高有 着重要的作用。这不仅意味着受控的空气环境对各种工业生产过程的稳定运行 和保证产品的质量和数量有着重要作用，而且对提高劳动生产率，保护人体健 康，创造舒适的工作和生活环境有重要意义。工业生产中显示空气调节重要作 用的典型部门有以高精度恒温恒湿为特征的某些精密机械和仪器制造业；以高 洁净度为特征的电子工业及以保证湿度要求为特征的纺织业等。同时，在工业 及民用建筑中，随着对外开放，旅游业蓬勃发展，装有空气调节的大会堂、图 书馆、商店、宾馆和酒店、展览馆、游乐场所比比皆是。此外。在运输工具如 汽车、飞机、轮船和火车中，也不同程度地安装有空气调节设备。随着我国经 济发展和人民物质文化生活水平的提高，空调系统将越来越普及。 空气温度、湿度、洁净度、气流速度、气压、环境噪声是评价室内环境 的主要指标，不同领域对各项指标的要求不一样，按各自侧重不同空调系统主 要分为普通舒适性空调、恒温恒湿空滴、洁净空调。 舒适性空调系统就是我们常见的民用空调系统，主要目的是把室内空气 的温度、湿度及噪声控制在一定范围，满足人们工作需要；恒温恒湿空调对空 气温度及相对湿度提出了更高的要求，不允许超出设计值的某一正负偏差范 围，主要应用于精密性的生产厂房、重要场所的计算机房等；洁净空调主要目 的是严格控制空气的洁净度，又分为生物洁净室及工业洁净室。前者如医院手 术室，后者如洁净厂房。 普通中央空调系统主要由制冷机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、末端 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 空气处理设备、冷却水及冷冻水循环管路组成，如图2 - 1 及2 2 所示。室内的 热量通过末端空气处理设备交换到冷冻水，冷冻水通过制冷机将热量传递给冷 却水，冷却水通过冷却塔将热量散发到室外空气，中央空调就是运用这样的原 理达到室内降温的效果。在热量由室内运送到室外的过程中，末端空气处理设 备的风机送出冷风及从室内回风要消耗电能，冷冻水泵维持冷冻水在冷冻水 管、末端空气处理设备及制冷机中循环要消耗电能，制冷机马达驱动制冷压缩 机工作要消耗电能，冷却水泵维持冷却水在冷却水管、冷却塔及制冷机中循环 要消耗电能，冷却塔风扇运转要消耗电能。在一般民用建筑中，夏季空调用电 量超过建筑总用电量的4 0 ，在北京、广州等大城市，夏季用电高峰期空调用 电量超过城市民用总用电量的3 8 。空调设备已成为能耗大户。优化空调系统 设计，降低空调系统运行能耗已成为人们的迫切需要。 实际的空调系统运行能耗约4 0 消耗在水泵上，而设计及运行控制良好 的系统水泵运行能耗约为2 5 ，在水泵节能上有很大的空间。造成水泵运行能 耗居高不下的原因主要有两个，一是设计安全系数过大，二是水泵运行不能根 据系统实际需要投入。目前降低水泵运行能耗的最有效方法是采用变频水泵。 变频水泵的运行原理是根据系统的需要调整水泵的输入频率，从而改变水泵的 转速及输入功率，达到适应系统实际需要的节能效果。水泵变频系统包括压差 传感器、温度传感器、变频器、可编程控制器( p l c ) 、数字及模拟输入、输出 模块、下位机控制程序及上位机监控程序等一套软硬件系统。水泵变频是比较 成熟的节能措施，主要应用于二次冷冻水泵的变频控制。传统上一般认为一次 冷冻水泵及冷却水泵不适合进行变频控制，实际采用一次泵变频的例子很少。 但通过分析，采用一次泵变频是可行的，并可达到相当显著的节能效果。通过 采取一系列相应的技术措施并付之实践，一次泵变频可望在不久的将来为大家 接受，相应的软硬件系统将在大量的新旧系统中发挥巨大的节能效益。 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕+ 学位论文2 0 0 4 图2 1 冷却水循环系统 冷冻水泵 1 蚕2 - 2 冷冻水循环系统 2 2 空调系统阻力计算模型 2 2 1 空调系统流动阻力的概念及计算公式 普通中央空调系统由制冷系统、末端设备、冷却塔、循环水泵及管道阀 门组成，系统的所用部件都会对水流产生阻力，水流在管道及设备中流动会受 到摩擦阻力的作用，消耗循环水泵的能量。能量损失通常用单位重量的流体能 量损失( 或称水头损失) h 来表示。流体在流动过程中，克服内部相对运动出 现的切应力所作的功，将使它的一部分机械能不可逆地转化为热能，从而形成 9 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕十学位论文2 0 0 4 了能量损失。流动阻力是造成能量损失的原因，能量损失的变化规律是流动 阻力规律的反映。产生阻力的内因是流体的粘滞性和惯性，外因是固体壁面对 流体的阻滞作用和扰动作用。根据流体运动边壁是否沿程变化，把能量损失分 为两类：沿程损失h ，与局部损失h 。 1 、沿程阻力与沿程损失 在边壁沿程不变的管段上，流速也基本上是沿程不变的。流动阻力只 有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失， 称为沿程损失。由于沿程损失分布在整个管段的全程，与管段的长度成 正比，所以也称为长度损失。 2 、局部阻力与局部损失 在边界急剧变化的区域，由于出现了旋涡区和速度分布的改组，流动 阻力大大增加，形成比较集中的能量损失。这种阻力称为局部阻力。其 相应的能量损失称为局部损失。如管道进出口、变径管、阀门等处，都 会产生局部阻力。整个管段的能量损失等于各管段的沿程损失与所有局 部损失的总和。 3 、能量损失的计算公式 工程上常用的水头损失的计算公式为： 沿程水头损失， h f = 旯三兰( 2 1 ) d2 9 局部水头损失， k 了丢 ( 2 - 2 ) 如写成压强损失的形式，则为 旷丑争等 口z 2 h 蛩等 式中 卜一一管长，m ； d 一一管径，f f i ： 1 0 林心关中山人学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山火学硕士学位论文2 0 0 4 v 一断面平均流速，m s ，； g - - 重力加速度，m s 2 ： x 一一沿程阻力系数，无因次量 一局部阻力系数，无因次量； p 一一水的密度，k g m 3 。 这些公式不是严格的理论公式，而是根据工程上长期实践的经验，把能 量损失的计算问题转化为求阻力系数的问题。实验观察表明，h ，与1 成 正比，h ，和h 与v 有关。由于影响的因素复杂，目前还不能用纯理论的 方法来解决能量损失计算的全部闽题。由于公式中的两个无困次系数 和，必须借助于分析一些典型的实验成果，用经验或半经验的方法求 得。这样，公式中没有直接给出的其它影响能量损失的因素，就可以包 含在这两个阻力系数中，使计算结果与实际一致。 2 2 2 空调制冷系统阻力计算 空调制冷系统是空调系统的冷源，e l 前应用最广泛的制冷方法是压缩 式和吸收式制冷两种方法。压缩式制冷又分为蒸汽压缩式和气体压缩式制 冷两种，蒸汽压缩式制冷是利用液态制冷剂在一定压力和低温下吸热汽化 而达到制冷的目的，是目前应用范围最广泛的制冷方法。蒸汽压缩式制冷 系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大主件构成。冷凝嚣及蒸发器 是冷却冷冻水与冷媒进行热交换的部件，冷凝器及蒸发器内部由高效换热 管组成，对流经的水流产生阻碍，形成阻力损失。不同厂家的设备阻力大 小不同，在额定流量下，两器的阻力一般在2 0 k p a l o o k p a 范围内。在管 网系统阻力计算中，两器的阻力可根据( 2 - 2 ) 表示为局部阻力的形式， h m l 丢 ，与具体的两器构造有关，对特定的设备基本不变。 2 2 3 空调末端设备阻力计算 空调末端设备是用于对空气进行热、湿处理和净化处理以满足空调房 间送风要求的设备。常用的空调末端设备有加热、冷却、加湿、减湿设备。 表面式换热器是广泛应用于空调系统的空气加热、冷却、加湿、减湿设备， 其具有设备结构紧凑，水系统简单，水与空气不直接接触，对水质无卫生 林心关中山大学软件研究所中央宅调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 要求等特点。表面式换热器主要由肋管、联箱和护板组成，水和空气通过 高效换热肋管进行冷热交换。根据处理空气的要求不同，可选用不同的肋 管排数。水流在肋管内部流动时形成阻力损失，不同厂家和型号的设备阻 力大小不同，在额定流量下，末端设备的阻力损失一般在1 5 k p a 8 0 k p a 范围内。在管网系统阻力计算中，空调末端设备的阻力可根据( 2 - 2 ) 表示 为局部阻力的形式， 1 ，2 h i n 2 = f 2 上g ：与具体的末端设备构造有关，对特定的设备基本不变。 2 2 。4 空调水输送管路系统阻力计算 水管系统的功能是输配冷热能量，满足末端设备或机组的负荷要求。 其设计原则有五点：( 1 ) 具备足够的输送能力，经济合理地选定管材、管 径以及水泵台数、型号、规格；( 2 ) 具有良好的水力工况稳定性，满足并 联环路间的阻力平衡要求；( 3 ) 满足部分负荷时的调节要求；( 4 ) 实现空 调运行期间的节能运行要求；( 5 ) 便于管理维修保养工作。从管路和设备 的布局上分，空调水系统可分为开式系统和闭式系统两种形式。它们的主 要区别在于，开式系统的末端水管是与大气相通的，而闭式系统的管路并 不与大气相通。 空调管路系统由直管段与弯头、阀门等配件组成，其对水流产生的阻 力也分为沿程阻力和局部阻力两种。沿程阻力可用式( 2 1 ) 计算， h 。= 兄专，万v 2 沿程阻力系数 与流体的性质、流速、管内径大小和管内的粗糙度有 关，可以用下式计算： 面1 - 2 0 1 9 c 翥+ 嚣j 式中 e 一管内表面的当量绝对粗糙度，m ： 推荐水管的值如下：对于开式系统，取0 0 0 0 5 m ；对 于闭式系统，取0 0 0 0 2 m ； r e 一雷诺数，r e = v d v 。 1 2 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 其中v 是水的运动粘滞系数，与水温有关。 管路阻力的另一形式为局部阻力，它是流体流经局部配件如弯头，阀 类和其它连接部件时，发生流向改变和速度场重新分布等现象，而造成能 量损失，这种能量损失就是局部阻力。根据式( 2 - 2 ) ，管路的局部阻力表 示为： h 庐厶昙 z g 。为配件的局部阻力系数。配件的局部阻力系数均由实验方法获得。 与九值一样，。系数值也与流体的性质、流速和配件的有效通径等因素有 关。 2 2 5 空调水输送系统综合阻力模型 空调水输送系统由制冷设备蒸发器( 冷凝器) 、输送管路、末端设备、 循环水泵组成，循环水泵为动力设备，其它部件为阻力设备，当水泵提供 的扬程与系统的阻力相等时，系统处于平衡状态，系统以固定不变的流量 运行。综合以上各设备及部件的阻力分析，空调水输送系统的总阻力损失 可表示为： h ：= h 。i + h 。2 + h f 3 十h 。3 式中各项阻力皆与流速的平方成正比，故系统总阻力损失h ：也与流速 平方成正比。系统中循环水流量q 与流速的关系为：q = a v ，故系统总阻力 与系统循环流量的平方成正比。即： h ；= s q 2( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 就是管路性能曲线公式( 见3 1 1 节) 。这是进行系统分析 的基本公式。 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 第三章水泵变频系统的计算机模型 3 1 水泵变频技术理论 3 1 1 循环水系统的管路性能曲线 空调系统的冷冻水或冷却水在水泵动力的驱动下在空调系统水管和 设备中循环流动，水流动时受到管壁及设备摩擦力作用，该作用力与水泵 提供的动力平衡，从而维持水流在水管中平稳流动。水流在管路中流动必 须克服系统中的流动阻力，根据流体力学原理，可以将阻力损失表达为流 量的函数关系： h = s q 2 式中： h ：水流动所产生的阻力损失，m ； q ：水流量，m 。s ； s ：综合管路阻力系数，s 2 m 。 系数s 是系统中水管材料及管径、设备及阀门等部件阻力的综合反映， 任何部件的变动或阀门的调节都会引起s 的增大或减少。 将这一关系绘在以流量q 与压头h 组成的直角坐标系图上，就可以得 到一条通常称做管路性能的曲线。 1 4 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕十学位论义2 0 0 4 0 图3 1 管路性能曲线 q ( m 吵s ) 3 1 2 循环水泵工作原理及性能参数 l 、离心式水泵的工作原理 中央空调循环水泵主要为离心式水泵，当水泵的叶轮随原动机的轴旋转 时，处在叶轮叶片问的流体也随叶轮高速旋转，此时流体受到离心力的作 用，经叶片间出口被甩出叶轮。这些被甩出的流体挤入泵壳后，泵壳内流 体压强增高，最后被导向泵的出口排出。与此同时，叶轮中心由于流体被 甩出而形成真空，流体从泵入口处补进，如此源源不断形成流体的循环流 动。实际上离心式水泵的工作过程是一个能量的传递和转化过程，它把电 动机高速旋转的机械能转化为被输送流体的动能和势能，最终变为克服管 道阻力的热能。 2 、离心式水泵的性能参数 2 1 流量 单位时间内水泵所输送的流体量称为流量。常用体积流量并用字母q 表示，单位是m 3 s 或m 3 h 。当采用重量流量时其单位为t h 。 2 2 泵的扬程 泵的扬程表示每单位重量或每单位体积的流体流经泵时所获得的总能 量。 流经泵的出口断面与进口断面单位重量流体所具有总能量之差称为泵 的 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕十学位论文2 0 0 4 扬程。用字母h 表示，其单位为n ，- ，m ：州。 2 3 功率 ( 1 ) 有效功率 有效功率表示在单位时间内流体从水泵中所获得的总能量。用字 母沁表示，它等于重量流量与扬程的乘积： n 。= r q h n 。：k w r ：k g m 3 ( 2 ) 轴功率 实际上，流体通过水泵时要引起一系列损失，如流动损失、轮阻 损失和内泄露损失、机械传动损失等，势必多耗功。从而使得原 动机传递到水泵轴上的输入功率增加，原动机传递到水泵轴上的 输入功率为轴功率，用字母n 表示。 2 4 效率 水泵的有功功率与轴功率之比为总效率，常用字母n 表示： r l = n 。n 效率反映损失的大小和输入的轴功率被利用的程度，效率高，则 损失小。 2 5 转速 转速指水泵的叶轮每分钟的转数即r m i n ，常用字母n 表示。 3 、水泵的性能曲线 由于水泵的扬程、流量以及所需的功率等性能参数显然是相互影响的， 所以通常用以下三种形式来表达这些性能之闽的关系： ( 1 ) 水泵所提供的流量与扬程之间的关系，用h = f l ( q ) 来表示； ( 2 ) 水泵所提供的流量与所需外加轴功率之间的关系，用n = f 2 ( q ) 来表示； ( 3 ) 水泵所提供的流量与设备本身效率之间的关系，用1 1 = f z ( q ) 来 表示； 上述三种关系常以曲线形式绘在以流量q 为横坐标的图上。这些曲线叫 做水泵的性能曲线。 1 6 林心关中山人学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 水泵的性能曲线可近似用三次瞌线拟合如水泵的流量与扬程之间的关 系，其三次拟合公式如下： h = ( q ) = h 。+ a ，q + 4 ：q 2 + 彳，q 3 式中： h ：水泵扬程，m ： q ：水泵流量，m 。s ： h o ，a 。、a 。、儿：拟合系数。 水泵的性能曲线如图3 2 所示。 o 图3 2 水泵性能曲线 3 1 3 变频水泵工作原理 水泵的性能调节方式可分为非变速调节和变速调节两大类。 非变速调节方式有：入口节流调节。切削叶轮调节等：而较为方便和常 用的是变速调节，尤其是变频调速是发展前景较好的调节方式。 水泵的变频调节是通过变频器改变电源的输入频率，从而改变水泵的转 数的调节方式。由流体力学的相似性原理，改变水泵的转数，可以改变水泵的 性能曲线，从而使工况点移动，流量随之改变。水泵的输入频率与水泵的转数 成正比关系，在相似工况点，频率或转数改变时水泵的性能参数变化如下： 旦：旦：一f ( 3 - 1 ) o ，z ，。 】7 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 导埘= ( 甜 芳= ( 舻( 甜 式中： h ：水泵扬程，m ； o ：水泵流量，m 。s ： n ：水泵功率，w ； n ：水泵转数，r p m ； ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) f ：水泵输入频率，h z ： 根据变频水泵流量、扬程、功率与水泵输入频率的关系式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 及( 3 - 3 ) ，变频水泵的流量与输入频率为正比关系，水泵扬程与输入频率为平 方关系，水泵输入功率与输入频率为立方关系。这样，在空调系统运行中，根 据系统流量的需求采用水泵变频调节方法，可以大大节省水泵运行能耗。如系 统流量需求变为水泵额定流量的8 0 时，按理论计算，这时水泵输入频率为 f = o 8 x 5 0 = 4 0 h z ，水泵扬程为水泵额定扬程的6 4 ，而水泵消耗功率为额定输 入功率的5 1 2 ，节能效果是非常可观的。图3 3 是变频水泵性能曲线。 o 图3 - 3 变频水泵性能曲线 林心关中山大学软件研究所中央空调水泵变频技术的计算机辅助研究中山大学硕士学位论文2 0 0 4 3 2 全年空调负荷模型 3 2 1 全年空调负荷模型的概念及意义 与暖通空调直接有关的耗能量是建筑物