黃維冬，錢雪峰，馬小津，賈甲，陳熙，李昀達(dá)

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

冷水（熱泵）機(jī)組的性能系數(shù)和制冷量成正相關(guān)的關(guān)系，隨著節(jié)能意識(shí)的提高，市場上大型的冷水（熱泵）機(jī)組得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平，對(duì)大型冷水（熱泵）機(jī)組的性能測(cè)試系統(tǒng)需求也在不斷的增長。冷水（熱泵）機(jī)組的性能測(cè)試是其生產(chǎn)制造過程中能耗較大的一個(gè)環(huán)節(jié)[3]，有研究學(xué)者通過能量回收的方式優(yōu)化冷水（熱泵）機(jī)組的性能測(cè)試系統(tǒng)[4-9]，減少系統(tǒng)投入的冷量和熱量，降低實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。但分析并驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)循環(huán)水泵運(yùn)行能耗的節(jié)能潛力的研究還很少。而水泵是系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，如何降低測(cè)試系統(tǒng)中水泵的運(yùn)行能耗是其節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

為提高冷水機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)在低負(fù)荷下的綜合運(yùn)行效率，降低冷水機(jī)組在研發(fā)測(cè)試中的能源消耗，本文設(shè)計(jì)了一套循環(huán)水泵采用雙泵并聯(lián)的冷水機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)，并在不同制冷能力下，對(duì)比冷水機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)采用單泵和雙泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的水泵功耗，以期通過優(yōu)化冷水機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到降低能源消耗的效果。

1 機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)及誤差分析

根據(jù) GB/T 10870—2014《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》[10]，冷水（熱泵）機(jī)組的性能測(cè)試可以采取液體載冷劑法或液體制冷劑流量計(jì)法。工程實(shí)踐中，多采用液體載冷劑法進(jìn)行性能測(cè)試[11-14]，圖1所示為測(cè)試系統(tǒng)原理，由進(jìn)出水溫度和流量測(cè)出機(jī)組的實(shí)際制冷量。

圖1 液體載冷劑法測(cè)試系統(tǒng)原理

目前多數(shù)企業(yè)采用的水冷冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)由冷媒水和冷卻水兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)組成，被試機(jī)的冷媒水和冷卻水之間由兌水實(shí)現(xiàn)部分水的熱交換，多余熱量通過水箱配的冷源進(jìn)行散熱。具體調(diào)節(jié)方式為：使用側(cè)的出水溫度通過兌水泵變頻，調(diào)節(jié)由使用側(cè)回路進(jìn)入熱源側(cè)回路的水量來實(shí)現(xiàn)出水溫度的控制；熱源側(cè)的進(jìn)水溫度通過加水泵變頻，調(diào)節(jié)由水箱到熱源側(cè)回路的水量來實(shí)現(xiàn)進(jìn)水溫度的控制。被試機(jī)使用側(cè)和熱源側(cè)流量分別通過變頻器控制冷媒水泵和冷卻水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體測(cè)試原理如圖2所示。

風(fēng)冷冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試臺(tái)由一個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)組成，測(cè)試機(jī)組時(shí)，通過水泵1的變頻調(diào)節(jié)控制被試機(jī)組所需要水流量，通過調(diào)節(jié)閥控制機(jī)組的出水溫度。通過變頻調(diào)節(jié)水泵2將恒溫水箱的水送入空氣處理機(jī)組與被試機(jī)組的冷凝熱風(fēng)進(jìn)行換熱，并將被試機(jī)組的冷凝熱負(fù)荷部分帶入恒溫水箱，這部分冷凝熱負(fù)荷與水泵1的回水所帶來的被試機(jī)組的冷量相互抵消，多余的熱量通過冷卻塔散掉。具體測(cè)試原理如圖3所示。在冷水（熱泵）機(jī)組的性能測(cè)試過程中不可避免地使用到水泵的變頻調(diào)節(jié)，且水泵的能耗為測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備的主要能耗。

圖2 水冷冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)原理

圖3 風(fēng)冷冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖

為降低冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試過程中水泵能耗，將測(cè)試系統(tǒng)中的單臺(tái)循環(huán)水泵替換為雙泵并聯(lián)模式，其原理如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)過程中水泵能耗測(cè)試回路由電流互感器、功率計(jì)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，測(cè)試結(jié)果的拓展不確定度為U(P)：

式中：

k——包含因子；

u1——重復(fù)測(cè)量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)；

u2——功率測(cè)試系統(tǒng)允許誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)。

u1計(jì)算如下：

u2由檢定證書給出測(cè)量的偏差值，按照相應(yīng)概率分布，得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.5%。

圖4 雙泵并聯(lián)水冷冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)

2 雙泵并聯(lián)模式分析

2.1 雙泵并聯(lián)模式的節(jié)能分析

變頻調(diào)速水泵主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)和水泵組成，變頻器用來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的性能曲線，使水泵始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，有利于在部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下降低能耗。每臺(tái)水泵都有其工作效率，對(duì)于定轉(zhuǎn)速水泵而言，工作點(diǎn)都選在其高效區(qū)內(nèi)，對(duì)于變頻調(diào)速水泵來說，水泵的轉(zhuǎn)速改變，其性能曲線會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)管路的特性曲線不變時(shí)，水泵一直處在高效區(qū)運(yùn)行，因此水泵的效率ηb可看成常數(shù)，但電機(jī)的效率ηd和變頻器效率ηb都不是定值，隨轉(zhuǎn)速的降低而減小。表1所示為水泵在不同的負(fù)荷狀態(tài)下的綜合效率η。

由表1可知，變頻水泵的綜合效率隨轉(zhuǎn)速的降低而減小，當(dāng)水泵運(yùn)行狀態(tài)下的流量低于額定運(yùn)行流量的50%時(shí)，水泵的綜合效率大幅下降。而通常企業(yè)為滿足不同冷量段冷水（熱泵）機(jī)組性能的測(cè)試，所搭建的冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試范圍較廣，大型機(jī)組測(cè)試的頻率較低，使各調(diào)節(jié)水泵大部分時(shí)間都處于綜合效率較低的低頻率狀態(tài)運(yùn)行。為提高冷水（熱泵）機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)的節(jié)能潛力及水泵運(yùn)行可靠性，將測(cè)試系統(tǒng)中的單臺(tái)循環(huán)水泵替換為雙泵并聯(lián)模式。通過水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)優(yōu)先控制策略可避免水泵長時(shí)間處于低頻率下運(yùn)行[15-18]。

表1 不同負(fù)荷下水泵的綜合效率

2.2 雙泵并聯(lián)模式水泵的選型分析

利用雙泵并聯(lián)模式應(yīng)注意選用特性曲線合適的水泵，否則不但起不到節(jié)能的效果，甚至?xí)?dǎo)致電機(jī)燒毀[19-20]。圖5所示d曲線是性能曲線為a的兩臺(tái)曲線較陡的水泵并聯(lián)后所得，e曲線是性能曲線為b的兩臺(tái)曲線較平坦的水泵并聯(lián)后所得，c曲線為管路特性曲線。由圖可知，特性曲線較陡的水泵并聯(lián)后的流量增量較大（ΔQa＞ΔQb），泵的特性曲線越陡，流量增量越大，越適合并聯(lián)工作。當(dāng)水泵特性曲線越平坦，在使用雙泵并聯(lián)模式下切換使用單臺(tái)水泵調(diào)節(jié)時(shí)超流量現(xiàn)象可能性越大，容易造成電機(jī)燒毀。

圖5 水泵性能曲線對(duì)并聯(lián)后流量的影響

圖6所示為雙泵并聯(lián)運(yùn)行相對(duì)單泵運(yùn)行在不同管路特性下流量的增加情況。由圖6可知，管路阻力越小，ΔQ越大，越適合并聯(lián)工作，因此在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)減少管路阻力，可以降低能耗。

圖6 水泵并聯(lián)后流量的增量隨管路特性的變化

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文以設(shè)計(jì)測(cè)試能力在400～2,000冷噸的水冷冷水（熱泵）機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)為例。

表2所示為不同模式下水泵的選型。實(shí)驗(yàn)過程通過變頻水泵臺(tái)數(shù)優(yōu)化控制的方法，將總流量與單臺(tái)水泵效率分為兩個(gè)區(qū)，監(jiān)測(cè)工況所處分區(qū)，控制滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求流量與壓差設(shè)定值對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

圖7所示為雙泵并聯(lián)模式和單泵運(yùn)行模式時(shí)，水泵總功耗隨機(jī)組名義制冷量的變化。取置信概率P=0.95，k=2，計(jì)算得各次實(shí)驗(yàn)水泵功耗測(cè)試拓展不確定度均小于2.010 kW。且由實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知：當(dāng)測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷大于測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上限60%左右時(shí)，兩種設(shè)計(jì)模式下水泵都處于高頻率下運(yùn)行，使用雙泵并聯(lián)模式時(shí)水泵的總功耗與單泵模式偏差較小，在測(cè)試機(jī)組名義負(fù)荷為2,000 冷噸時(shí)相差最大，雙泵并聯(lián)相比單泵運(yùn)行功耗增加4.0%。當(dāng)測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷低于測(cè)試上限的60%時(shí)，通過水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)優(yōu)先控制策略調(diào)整水泵實(shí)際運(yùn)行臺(tái)數(shù)，此時(shí)雙泵并聯(lián)設(shè)計(jì)模式較單泵運(yùn)行模式更節(jié)能，測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷越接近測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)下限時(shí)節(jié)能效果越明顯，在測(cè)試機(jī)組名義冷量為400冷噸時(shí)，雙泵并聯(lián)相比單泵運(yùn)行功耗可降低35.9%。

表2 不同模式下水泵的選型

4 結(jié)論

本文研究了雙泵并聯(lián)應(yīng)用于大型蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組的性能測(cè)試系統(tǒng)的節(jié)能潛力，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了被測(cè)試機(jī)組在400～2,000冷噸制冷能力下，采用單泵和雙泵并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷大于測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上限60%時(shí)，使用雙泵并聯(lián)模式時(shí)水泵的總功耗與單泵模式偏差較小，在最大測(cè)試能力下，雙泵并聯(lián)模式水泵功耗比單泵運(yùn)行模式增加約4%；

2）當(dāng)被測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷低于測(cè)試系統(tǒng)上限的60%時(shí)，雙泵并聯(lián)模式較單泵運(yùn)行模式節(jié)能，測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷越接近測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)下限時(shí)，節(jié)能效果愈加突顯，在測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試下限時(shí)，雙泵并聯(lián)相比單泵運(yùn)行總功耗可降低35.9%。