前言

　　在当前的空调水系统设计中，变流量节能的概念可谓已深入人心。在国内多年的变流量设计或者改造工程中，二次泵水系统使用变频水泵得到了普遍的认可，但一次泵变频却始终得不到推广。实际上，相对二次泵系统，一次泵系统中使用变频水泵有许多有利条件，如设备初投资和占地比较少，对运行调节和自控系统要求较低。另外，根据Thomas B.Hartman的观点，较之二次泵系统，一次泵系统变流量在运行中更为高效[1]。
　　目前，一次泵变频技术的推广相当有限，究其原因，不外乎有以下几点担心，其中以第一点和第二点最为关键：
　　1、流量运行会对冷机运行产生不利影响。水侧流量变化可能会导致蒸发器（或冷凝器）的换热效率降低，并产生结冻危险。
　　2、冷机水侧变流量后COP会明显下降，抵消水泵所节省的能量，使整个系统节能效果不突出，甚至是不节能的。
　　3、变频会对整个大楼电网带来不利冲击。
　　4、初设计的问题。在这种情况下，有必要对这些问题进行深入研究，以论证一次泵变频的可行性。

二、可变流量冷机产品技术调研分析

　　随着冷机控制技术的发展，冷机蒸发器和冷凝器内的流量已经允许在一定范围内变化，一般为设计流量的30%～130%。例如在日立的水冷螺杆式冷水机组样本中，就已明确给出不同型号冷机允许变流量的范围，如表1所示。
　　此外，日立的测试数据表明，当冷却水出口温度保持恒定时，冷冻水流量和冷却水流量分别变化为原来的83%和85%时，冷机COP下降了约0.4左右，下降幅度约9%，其中包括冷冻水出水温度降低（下降约5℃）造成的COP下降。
　　对开利、顿翰布什等厂家冷机产品的调研结果与基本符合以上的结论，即：冷机允许蒸发器、冷凝器水侧流量的变化范围为设计流量的30～50%；同时，流量变化时冷机COP变化幅度不超过10%。

冷机蒸发器允许的最大和最小水流量（m³/h）　　　表1

三、一次泵水系统变流量运行对冷机COP影响的热力学研究

　　蒸发器的蒸发温度是决定冷机COP的一个重要因素，本文用热力学方法来分析蒸发温度和哪些因素有关。在部分负荷时，使用变流量运行，通过比较变流量情况下这些因素与满负荷设计流量情况下的对应值，得出蒸发温度的变化情况。在分析中，设定冷机控制冷冻水的进出水温度为12/7℃。
　　根据蒸发器侧的传热方程，分析影响蒸发温度的各个因素，可以得到变流量运行时，蒸发温度和相对流量的关系：
　　 　　　　（1）
　　这里，m为调节比例系数： ，c₁,c₂为和特定蒸发器和设计工况有关的常量。A、B为相对传热系数和相对流量关系中的系数： 。在图1中可以看出，尽管对于不同的蒸发器，A、B值有所不同，但是变化趋势相同，并且曲线比较接近。

图1 蒸发器相对传热系数随相对流量的变化规律

　　根据文献[3]中实测得出的数据，可回归得到与满负荷情况比较的相对负荷（即蒸发器的传热量）和设计流量相比较的相对流量的关系式：
　　 　　　　（2）
　　根据式（2）进行部分负荷时的变流量运行调节，由（1）式模拟开利蒸发器蒸发温度的变化趋势，得到图2结果。从图中可以看出，蒸发温度随冷冻水量的减少呈降低的趋势，但是变化不大，在1℃以内。根据不同的A、B值进行计算，可以得到相同的结果。

下面分析在冷却水流量不变的情况下冷机COP随冷冻水流量的变化。
　　冷机COP的变化与压缩机功率、蒸发温度t_e、蒸发器传热系数K有关，t_e和K的变化在前面的分析中已经给出，由样本数据可以得到变流量下压缩机功率随蒸发温度的变化规律，进而得出冷机COP的变化。图3是所得的结果。由图中可以看出，冷机的COP随流量减少呈下降的趋势，在流量下降60%范围内COP下降10%左右。

　　由以上的计算结果，可以得出以下的结论：
　　1、流量的减少导致了蒸发器传热系数的降低，总相对传热系数大约和相对流量的0.2次方成正比。
　　2、在供回水温度不变的条件下，流量变为设计流量60%，蒸发温度下降不到1℃，COP降低的幅度不超过10%。
　　这里热力学计算的结果和冷机厂家的数据基本相符。
　　总的来说，冷冻水的流量对冷机蒸发温度和COP的影响不大。只要保证流量没有降低到最小流量以下，保证蒸发器不被冻结，理论上冷机完全可以实现变流量。

四、一次泵水系统变流量运行时系统整体性能分析

　　虽然流量的降低导致了冷机本身COP的下降，但同时也使泵的能耗大大降低。为了比较这两种互为矛盾的结果对整个系统的影响，定义冷水机组综合COP，计算公式为：
　　 　　　　(3)
　　冷水机组COP可以反映出冷冻水变流量后，整个系统的能耗情况。基于以上分析，得出水泵能耗占整个空调系统能耗的不同比例下，冷水机组综合COP的变化。如图4。

　　由图中可以得出：水泵能耗占整个空调系统能耗的比例越大，系统综合COP升高幅度越大。泵耗较小，则节能幅度不大。20%左右为临界状态，泵耗比例在比临界比例以下，综合COP先有所下降再上升。所以，若泵耗占整个空调系统能耗20%以上时，使用变流量系统可以达到节能的效果。
　　以北京某宾馆（建筑面积3.3万㎡）为例，1999年空调系统用电量为391万度，其中水泵耗电量占空调用电量的25%。考虑到一年内大部分时间在部分负荷下运行，系统的平均负荷为设计情况的80%。若采用变流量运行，水流量相应调整为设计流量的60%，则冷水机组综合COP升高近10%，即变流量后每年节电约40万度。以每度电0.5元计，每年可节省费用20万元，经济效益明显。

五、一次泵变频中的注意事项

　　一次泵水系统中是通过一次泵变频来实现的。通过笔者对中外文献的调研，在一次泵系统变频设计和改造的实际工程中，要注意以下几方面的问题。
　　1、尽量保证与相似工况点近似，才能达到最佳的节能效果。
　　2、系统在制冷量低于最小临界负荷时不能运行。
　　3、流量降低有所控制，不能使流动呈层流状态。
　　4、要保证满足系统从最小到最大负荷，全流量范围内的所有扬程。
　　5、水泵程序化运行，要保证水泵的最高效率和最小的径向推力。
　　6、设计改造时，要能够提供出整个泵装置电力配线与水系统结合后的效率评估，以备查询计算。
　　7、负荷计算时记录逐时负荷，为变频设计制定参考值。

六、结论

　　本文在调研和计算的基础上得出了以下结论：
　　1、目前有许多冷机可以在变流量的情况下工作，且对冷机的COP影响不大。根据厂家产品样本提供的数据，变化幅度不超过10%。
　　2、用热力学分析的方法得出，冷冻水流量变化为原流量的60%，蒸发温度下降只有1℃，COP下降幅度小于10%，与样本数据相符。
　　3、虽然冷机本身的COP会随冷水流量降低而略有减少，但由于泵耗的大幅度降低，对整个系统而言，总体能耗减少。并且泵耗所占比例越大，节能效果越明显。泵耗在20%以上，变流量都会带来系统的能量节省。
　　总之，一次泵水系统变流量运行在实际工程中的应用完全是切实可行的，它不会对冷机性能带来明显的不利影响，而从整个水系统的角度出发，可以实现节能的目的。