CN110388706B - 中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，通过定频运行的一次泵和变频运行的二次泵满足用户冷冻水的输送需求，根据单台一次泵、二次泵额定频率下的性能，分别确定一次泵、二次泵变频率下的流量与扬程和功率的关系式；确定冷冻水输送回路的总压损以及确定相应的二次泵在冷冻水输送回路中应当承担的压损；以满足流量和扬程供应为约束，以二次泵总功率最小为目标，对二次泵的开启台数进行优化寻优；对一次泵不同频率运行时的一次泵功率和相应二次泵最小总功率之和最小为目标，确定一次泵最优运行频率以及相应频率下二次泵的运行台数最优模式。本发明具有一次泵和二次泵承担压损比例合理、节能率高、通用性强等优点。

Description

中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法

技术领域

本发明涉及一种设备配置运行优化技术，特别涉及一种中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法。

背景技术

随着社会的进步和人们生活水平的提高，人们对空调系统舒适性的要求越来越高，因此也伴随而来了高额的能耗。为了能够让空调系统节能运行，中央空调冷冻水系统经历了冷冻水的生产和输配为同一系统的一次泵系统，到冷冻水的生产和输送分配有各自的环路的二次泵系统的变化。与此同时，随着变频调速技术的进步和普及，改变二次泵频率的技术应用于二次泵系统，不仅节约二次泵的输送能耗，而且保持了冷冻水供回水温差的恒定，使冷机的COP值维持在较高的水平。因此，目前二次泵系统是常用的空调水系统形式，

在二次泵系统中，对于二次泵的控制有：(1)温差控制、(2)压差控制、(3)供水压差与供水温度联合优化控制、(4)最大阀位控制、(5)最大阀位控制和供水温度串级优化控制等控制方法，其中，压差控制是通过供回水管路压差值与预设的压差设定值的比较和偏差来调节二次泵转速的控制方式，该方法具有工程设计简单，初投资低，运行节能效果较为理想等优点，因此是目前二次泵系统实际运用较为理想的一种控制方法。

二次泵系统采用压差控制时，运行人员往往根据个人经验对一次泵运行频率和二次泵的开启台数进行经验性操作设置，通常的做法是：一是为了确保冷冻水的供水量，让一次泵定频运行在额定频率附近；二是简单地将二次泵开启台数与冷水机组的开启台数设定的一样。但是，这种根据经验进行的设备操作设置方法不一定是满足冷负荷需求的一次泵和二次泵耗功最小的设置方法。当冷负荷变化时，一次泵应该在多大频率下定频运行？与此同时，二次泵应该开启几台才能让输配冷冻水的一次泵和二次泵耗功最小？上述问题是中央空调供冷领域需要深入研究的问题。

发明内容

本发明是针对中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵优化节能的问题，提出了一种中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，通过定频运行一次泵和变频运行二次泵满足用户冷冻水的输送需求，通过合理分配一次泵和二次泵所承担的压损达到节能。

本发明的技术方案为：一种中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，每台冷水机组配一台一次泵，冷水机组生成的冷冻水汇总在供水一回路里，之后再通过二次泵组将冷冻水送入供水二回路供用户使用，然后再通过一次泵回流到对应的冷水机组进行制冷，中央空调冷冻水二次泵系统通过定频运行一次泵和变频运行二次泵满足用户冷冻水的输送需求，具体包括如下步骤：

1)根据单台一次泵、单台二次泵额定频率下的性能曲线，分别确定单台一次泵、单台二次泵变频率下的流量与扬程和功率的多项式形式的关系式；

2)根据用户冷负荷需求和制冷机开启台数，确定冷冻水输送回路的总压损；

3)计算单台一次泵在某一设定频率下的扬程和功率，再根据总压损，确定相应的单台二次泵在冷冻水输送回路中应当承担的压损,即可得所需二次泵的扬程；

4)在二次泵允许的流量范围内，根据冷冻水总流量，确定二次泵可以开启的台数为m，以二次泵总功率最小为目标，对二次泵的开启台数m进行优化寻优，同时确定二次泵的运行频率；

5)更改步骤3)中设定频率，重复上述步骤3)和4)，对一次泵不同频率运行时的一次泵功率和相应二次泵最小总功率进行计算，以一次泵功率和二次泵的最小总功率之和最小为目标，确定一次泵最优运行频率，相应频率下二次泵的开启台数最优运行模式为最终最优冷冻泵运行模式。

所述步骤1)单台一次泵变频率f₁下的流量q₁与扬程

和功率

的关系式，以及单台二次泵变频率f₂下流量q₂与扬程

和功率

的关系式如下：

其中a₁₀、a₁₁、a₁₂、b₁₀、b₁₁、b₁₂、b₁₃、a₂₀、a₂₁、a₂₂、b₂₀、b₂₁、b₂₂、b₂₃为多项式形式的关系式系数；f_nom为泵的额定频率。

所述步骤3)具体步骤如下：

31)假定单台一次泵在设定频率下工作，根据单台一次泵变频率下的

和

的关系式，由单台一次泵流量q₁计算单台一次泵提供的扬程

和消耗的功率；

32)由单台一次泵功率和一次泵的运行台数，计算一次泵设定频率下工作时的总功率；

33)根据冷冻水输送回路的力平衡关系，即总压损＝总扬程，由冷冻水输送回路的总压损和单台一次泵提供的扬程，得出相应的单台二次泵在冷冻水输送回路中应该承担的压损，即可得所需二次泵的扬程。

所述步骤4)具体步骤如下：

41)在二次泵允许的流量范围内，根据冷冻水总流量，确定二次泵可以开启的台数；

42)假定二次泵开启台数为m，由冷冻水总流量和二次泵开启台数m计算流过单台二次泵的流量；

43)在二次泵允许的频率范围内，根据单台二次泵变频率下的

关系式，由单台二次泵承担的流量和扬程，确定二次泵的工作频率；并根据单台二次泵变频率下

关系式，确定出单台二次泵的耗功；

44)在二次泵开启不同台数的情况下，重复步骤42)和43)，并由二次泵开启台数和步骤43)中确定出的单台二次泵功率计算得出二次泵总功率；

45)以二次泵总功率最小为原则，确定出二次泵的最优开启台数和相应的运行频率。

本发明的有益效果在于：本发明中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，针对用户冷负荷需求，可以为二次泵系统确定出冷冻泵总耗功最小情况下的一次泵定频运行的频率和二次泵开启的台数，相比目前通常用经验来设定一次泵、二次泵运行模式的方法来说，冷冻泵的优化节能效果更明显；本发明基于流体力学和泵的工作原理，对一次泵、二次泵运行模式的优化有理论依据，可信度更高；目前多数建筑的中央空调都采用二次泵系统，本发明技术可以适用于所有的二次泵系统，不需要投入额外资金便可以对系统能耗进行有效的降低，应用成本低，且推广范围广泛。

附图说明

图1为本发明中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法流程图；

图2为本发明实例中央空调冷冻水输送回路的系统示意图；

图3为本发明实例中一次泵的额定频率下的一次泵流量-扬程曲线图；

图4为本发明实例中一次泵的额定频率下的一次泵流量-功率曲线图；

图5为本发明实例中二次泵的额定频率下的二次泵流量-扬程曲线图；

图6为本发明实例中二次泵的额定频率下的一次泵流量-功率曲线图。

具体实施方式

中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，中央空调冷冻水二次泵系统通过定频运行一次泵和变频运行二次泵满足用户冷冻水的输送需求，该方法通过合理分配一次泵和二次泵所承担的压损达到节能的目的，如图1所示流程图，该方法具体包括下列步骤：

如图2所示实例中央空调冷冻水输送回路的系统示意图，每台冷水机组配一台一次泵，冷水机组生成的冷冻水汇总在供水一回路里，之后再通过二次泵组将冷冻水送入供水二回路，供水二回路中冷冻水供用户使用，供用户使用后通过一次泵回流到对应的冷水机组进行制冷。

s1)根据单台一次泵、单台二次泵额定频率下的性能曲线，分别确定单台一次泵、单台二次泵变频率下的流量与扬程和功率的关系式；

s11)根据厂家提供的单台一次泵和单台二次泵的有关数据或资料，采用拟合方法，分别拟合得出单台一次泵和单台二次泵在额定频率下的流量(q₁、q₂)-扬程(H₁、H₂)和流量-功率(P₁、P₂)的多项式形式的关系式，分别如式(1)～式(4)所示。

H₁＝a₁₀+a₁₁q₁+a₁₂q₁ ² (1)

P₁＝b₁₀+b₁₁q₁+b₁₂q₁ ²+b₁₃q₁ ³ (2)

H₂＝a₂₀+a₂₁q₂+a₂₂q₂ ² (3)

P₂＝b₂₀+b₂₁q₂+b₂₂q₂ ²+b₂₃q₂ ³ (4)

其中a₁₀、a₁₁、a₁₂、b₁₀、b₁₁、b₁₂、b₁₃、a₂₀、a₂₁、a₂₂、b₂₀、b₂₁、b₂₂、b₂₃为采用选用拟合方法得到的多项式的系数。拟合方法有多种，常用的为最小二乘法；

s12)根据泵的相似原理知识，根据单台一次泵额定频率下的性能，确定单台一次泵变频率下的流量q₁与扬程

和功率

的关系式；根据单台二次泵额定频率下的性能，确定单台二次泵变频率下流量q₂与扬程

和功率

的关系式，分别如式(5)～式(8)所示。

其中f_nom为泵的额定频率，通常为50Hz。

s2)根据用户冷负荷需求Q和制冷机开启台数n，确定冷冻水输送回路的总压损Δp；

s21)根据用户对冷负荷Q的需求，以及用户对冷冻水供、回水温度的要求，计算冷冻水的供应量，即冷冻水总流量q；

s22)根据冷水机组开启的台数n，再根据冷冻水总流量q，计算单台冷水机组提供的冷冻水流量，该流量同时亦是即单台一次泵的流量q₁；

s23)根据冷水机组冷冻水设计流量下的压损和单台冷水机组设计工况提供的冷冻水流量，计算冷水机组的冷冻水侧压损Δp_冷机；

s24)结合满足用户侧阻力需求给出的压差设定值Δp_{用户侧设定值}，计算得出冷冻水输送回路的总压损Δp，Δp＝Δp_冷机+Δp_{用户侧设定值}。

s3)计算单台一次泵在某一设定的变频率f₁下的扬程

和功率

再根据总压损，确定相应的单台二次泵在冷冻水输送回路中应当承担的压损,即单台二次泵的扬程H₂；

s31)假定单台一次泵在设定的变频率f₁下工作，根据单台一次泵变频率下的

和

的关系式(对应式(5)，式(6))，由单台一次泵流量q₁计算单台一次泵提供的扬程

和消耗的功率

s32)由单台一次泵功率

和一次泵的运行台数n，计算一次泵在变频率f₁下工作时的总功率

s33)根据冷冻水输送回路的力平衡关系(即总压损＝总扬程)，由冷冻水输送回路的总压损Δp和单台一次泵提供的扬程

得出相应的单台二次泵在冷冻水输送回路中应该承担的压损，即可得所需二次泵的扬程H₂。

s4)以满足流量和扬程供应为约束，以二次泵总功率

最小为目标，对二次泵的开启台数m进行优化寻优，同时确定二次泵的运行变频率f₂；

s41)在二次泵允许的流量范围内，根据冷冻水总流量q，确定二次泵可以开启的台数；

s42)假定二次泵开启台数为m，由冷冻水总流量q和二次泵开启台数m计算流过单台二次泵的流量q₂；

s43)在二次泵允许的频率范围内，根据单台二次泵变频率下的q₂—H_2，f2(对应式(7))，由单台二次泵承担的流量q₂和扬程H₂，确定二次泵变频率f₂的工作频率；并根据单台二次泵变频率下

关系式，确定出单台二次泵的耗功

s44)在二次泵开启不同台数的情况下，重复步骤s42)和s43)，并由二次泵开启台数m和步骤s43)中确定出的单台二次泵功率

计算得出二次泵总功率

s45)以二次泵总功率

最小为原则，确定出二次泵的最优开启台数m和相应的运行变频率f₂。

s5)重复上述步骤s3)～s4)，对一次泵不同频率运行时的一次泵功率

和相应二次泵最小总功率

进行计算，以一次泵和二次泵的总功率

最小为目标，确定一次泵最优运行频率(f₁)opt，相应频率下二次泵的开启台数最优(m)opt运行模式为最优运行模式。

s51)在一次泵允许的频率范围内，假定一次泵在不同频率下工作，重复步骤s3)和s4)；

s52)由步骤s32)中确定出的一次泵总功率

和s45)中确定出的二次泵最小总功率

计算冷冻水输送回路中冷冻泵的总耗功率

s53)以冷冻水输送回路中冷冻泵的总耗功率

最小为原则，确定一次泵的最优运行频率(f₁)opt，以及相应频率下二次泵的开启台数最优(m)opt为二次泵的最优运行模式。

图2所示为某中央空调冷冻水输送回路的系统图，该系统为通过定频运行的一次泵和变频运行的二次泵满足用户需求的中央空调冷冻水二次泵系统，系统包括6台冷水机组和6台二次泵，其中每台冷水机组配一台一次泵，冷水机组和二次泵均为5用1备模式。在该二次泵系统中，冷水机组生成的冷冻水首先汇总在供水一回路里，之后通过二次泵组将冷冻水送入供水二回路，然后分别提供给两个冷冻水用户母管供用户使用，最后再汇总到冷冻水的回水回路里，由一次泵再送入相应的冷水机组进行制冷。

用上述方法对某中央空调冷冻水输送回路系统进行优化运行计算实施：

A、已知条件

(1)盘管用户参数：

盘管用户的压差设定值为0.65bar。盘管供水温度为12℃，回水温度为18℃。假定盘管用户的冷负荷需求量为9842kW，为系统5台冷水机组总制冷量的70％。

(2)设备参数

图3、4为该系统中一次泵的额定频率下的一次泵流量-扬程曲线图和一次泵流量-功率曲线图；图5、6为该系统中二次泵的额定频率下的二次泵流量-扬程曲线图和二次泵流量-功率曲线图。一次泵、二次泵的额定频率均为50Hz。冷水机组设计参数如表1所示。

前期对冷水机组运行模式进行了优化，优化得出冷负荷9842kW时冷水机组运行台数为4台。

表1

B、实施步骤

(1)根据图3和图4，采用多项式形式，分别拟合得出一次泵、二次泵额定频率下的流量-扬程和流量-功率的关系式为：

其中q₁、q₂的单位为m³/s，H₁、H₂的单位为m，P₁、P₂的单位为kW。

(2)根据泵的原理知识，由一次泵、二次泵额定频率下的流量-扬程和流量-功率关系式得出一次泵、二次泵变频率下的流量-扬程和流量-功率关系式为：

其中q₁、q₂的单位为m³/s,H₁、H₂的单位为m，

的单位kW。

(3)根据用户冷负荷需求，以及用户对冷冻水供、回水温度的要求，计算冷冻水的供应量(其中冷冻水密度取值为1000kg/m³，比热容取值为4200J/(kg.K))即冷冻水总流量为：

(4)由冷水机组开启的台数n＝4，计算单台冷水机组提供的冷冻水流量为：

(5)根据冷水机组冷冻水设计流量下的压损，确定出冷冻水侧的压损特性关系式为：

其中Δp_冷机的单位为bar，q₁单位为m³/s。

(6)根据冷水机组冷冻水侧压损性能和单台冷水机组提供的冷冻水流量，计算冷水机组的冷冻水侧压损为：

(7)结合满足用户侧阻力需求给出的压差设定值，计算得出冷冻水输送回路的总压损为：

Δp＝Δp_冷机+Δp_{用户侧设定值}＝0.4458+0.65＝1.0883bar＝10.75m水柱

(8)假定一次泵在45Hz频率下定频运行，根据一次泵变频率下的特性关系式，由一次泵流量q₁计算一次泵提供的扬程H_1，45Hz和单台一次泵的功率P_1，45Hz，同时计算出二次泵在冷冻水输送回路中应该承担的压损，即二次泵所需提供的扬程H₂。表2给出一次泵在45Hz频率下定频运行时所能提供的扬程和所消耗的功率以及此时二次泵应当承担的压损。

表2

(9)在二次泵允许的流量范围内，根据冷冻水总流量q＝0.3906m³/s，确定出二次泵可以开启的台数分别为3、4、5台；

(10)分别假定二次泵开启3、4、5台，计算相应的单台二次泵的流量，根据二次泵变频率下的流量-功率关系式，由H₂和q₂，计算得到二次泵的运行频率f₂，然后根据二次泵变频率下的流量-功率关系式，计算此时单台二次泵的运行功率，最后计算二次泵运行总功率。表3给出了二次泵分别开启3、4、5台时的运行参数(一次泵运行频率为45Hz时)。

表3

(11)表3中三种情况二次泵总功率大小的比较得出，一次泵运行频率为45Hz时，二次泵5台运行时二次泵总功率最小，此时二次泵运行频率为35Hz。

(12)分别假定一次泵在不同频率下运行，重复(8)～(11)，得到一次泵不同频率运行时，二次泵总功率最小时的二次泵开启台数及运行参数情况。表4给出一次泵不同频率运行时二次泵总功率最小时的二次泵开启台数及运行参数。

表4

(13)基于表4中的计算数据，由一次泵和二次泵的开启台数和单台耗功计算冷冻泵的总耗功。表5给出了一次泵不同频率运行、二次泵耗功最小时的冷冻泵运行参数及总耗功情况。

(14)表5中冷冻泵总功率的比较结果表明：冷负荷9812kW，冷水机组运行4台时，一次泵频率44Hz，二次泵运行5台，运行频率为36.3H中时，一次泵、二次泵总功率几乎为最小值且一次泵定频运行、二次泵变频运行的频率也在较为合适的范围内。

(15)同时计算了其他条件一致，而二次泵按经验启用4台时冷冻泵的总耗功为70.01kW，比用本发明技术确定的冷冻泵运行模式多耗功2.73kW。

表5

Claims (4)

1.一种中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，每台冷水机组配一台一次泵，冷水机组生成的冷冻水汇总在供水一回路里，之后再通过二次泵组将冷冻水送入供水二回路供用户使用，然后再通过一次泵回流到对应的冷水机组进行制冷，中央空调冷冻水二次泵系统通过定频运行一次泵和变频运行二次泵满足用户冷冻水的输送需求，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)根据单台一次泵、单台二次泵额定频率下的性能曲线，分别确定单台一次泵、单台二次泵变频率下的流量与扬程和功率的多项式形式的关系式；

2)根据用户冷负荷需求和制冷机开启台数，确定冷冻水输送回路的总压损；

3)计算单台一次泵在某一设定频率下的扬程和功率，再根据总压损，确定相应的单台二次泵在冷冻水输送回路中应当承担的压损,即可得所需二次泵的扬程；

4)在二次泵允许的流量范围内，根据冷冻水总流量，确定二次泵可以开启的台数为m，以二次泵总功率最小为目标，对二次泵的开启台数m进行优化寻优，同时确定二次泵的运行频率；

5)更改步骤3)中设定频率，重复上述步骤3)和4)，对一次泵不同频率运行时的一次泵功率和相应二次泵最小总功率进行计算，以一次泵功率和二次泵的最小总功率之和最小为目标，确定一次泵最优运行频率，相应频率下二次泵的开启台数最优运行模式为最终最优冷冻泵运行模式。

2.根据权利要求1所述的中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，其特征在于，所述步骤1)单台一次泵变频率f₁下的流量q₁与扬程

和功率

的关系式，以及单台二次泵变频率f₂下流量q₂与扬程

和功率

的关系式如下：

其中a₁₀、a₁₁、a₁₂、b₁₀、b₁₁、b₁₂、b₁₃、a₂₀、a₂₁、a₂₂、b₂₀、b₂₁、b₂₂、b₂₃为多项式形式的关系式系数；f_nom为泵的额定频率。

3.根据权利要求2所述的中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，其特征在于，所述步骤3)具体步骤如下：

31)假定单台一次泵在设定频率下工作，根据单台一次泵变频率下的

和

的关系式，由单台一次泵流量计算单台一次泵提供的扬程和消耗的功率；

32)由单台一次泵功率和一次泵的运行台数，计算一次泵在设定频率下工作时的总功率；

33)根据冷冻水输送回路的力平衡关系，即总压损＝总扬程，由冷冻水输送回路的总压损和单台一次泵提供的扬程，得出相应的单台二次泵在冷冻水输送回路中应该承担的压损，即可得所需二次泵的扬程。

4.根据权利要求3所述的中央空调冷冻水二次泵系统的冷冻泵运行优化配置方法，其特征在于，所述步骤4)具体步骤如下：

41)在二次泵允许的流量范围内，根据冷冻水总流量，确定二次泵可以开启的台数；

42)假定二次泵开启台数为m，由冷冻水总流量和二次泵开启台数m计算流过单台二次泵的流量；

43)在二次泵允许的频率范围内，根据单台二次泵变频率下的

关系式，由单台二次泵承担的流量和扬程，确定二次泵的工作频率；并根据单台二次泵变频率下

关系式，确定出单台二次泵的耗功；

44)在二次泵开启不同台数的情况下，重复步骤42)和43)，并由二次泵开启台数和步骤43)中确定出的单台二次泵功率计算得出二次泵总功率；

45)以二次泵总功率最小为原则，确定出二次泵的最优开启台数和相应的运行频率。

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