基于空调水泵运行中散热系统的研究

摘要:水泵是空调系统的重要组成部分,其耗电量非常大,占空调系统耗电量15%-30%,文章结合空调水泵运行特点，阐述了水泵运行过程中对循环水产生加热的原因及散热性能对空调系统影响及变化规律，以供参考。

关键词:空调系统；散热理论；测试

中图分类号：TH184 文献标识码：A 文章编号：

随着我国经济的持续发展，空调在商业和民用建筑中越来越普及，其能耗在社会总能耗中所占比例也在不断上升，而空调用水泵作为一种动力设备，主要作用是利用循环水将室内环境所需要的热量和冷量转移到室内。然而水泵在运行过程中，由于摩擦等原因会对循环水产生加热的效果，此对于输送循环水(尤其是冷冻水)会产生冷热抵消的负面影响，造成制冷能力的下降。因此研究水泵散热特性，有利于掌握水泵对循环水系统的影响程度，此对于空调系统能量平衡分析至关重要。

1 空调水泵散热理论分析

水泵作为一种液体传输设备，在空调系统中用于将所需要的冷量和热量传输到室内，满足室内舒适性要求。对于闭式冷冻水循环系统，水泵耗功主要用于克服管道的阻力，维持管道水的循环。扬程为单位重量液体通过泵所获得的有效能量。其表达式为:

(1)

式中：

pd――泵进口处压力表的读数，N/m2

ps――泵出口处压力表的读数，N/m2

vs――泵进口压力表处水流的平均速度，m/s

vd――泵出口压力表处水流的平均速度，m/s

Zd－Zs――泵出口压力表与进口压力表的中心高差，m

ρ――水的密度，kg/m3

g――重力加速度，m/s2， g=9.81m/s2

水泵的轴功率是原动机传输到泵轴的功率，其计算表达式为:

(2)

式中：

N1――电动机输入功率，kW

ΔN――电动机空载功率，Kw

s――转差率

I――电动机定子相电流，A

R――电动机定子相电阻，Ω

低速低压的循环水通过水泵变为高速高压的循环水，随着循环水在整个管道中运行，循环水与管道发生摩擦，压力逐渐降低，水流速度略有降低。在水泵入口处压力降低到最低点，同时水流速度亦降低到最低点。在整个水泵运行过程中循环水与管道发生摩擦，部分能耗以热量的形式散入到了整个管道中。同时原动机的能量传输到泵轴上，带动水泵运转，由于中间有能量损失，部分能量亦以热量的形式传入到了整个循环管路中。

由此可知由于水泵运行而产生的热量主要是由水泵电机的热损耗和水循环管道摩擦损耗而产生的。大部分热量都将伴随着循环水与管壁的摩擦而产生，造成循环水的温升。为此研究了水泵对循环水的注热量，将注热量与水泵的耗功的比值定义为水泵散热百分比，分析了其随水泵频率和管道阻力的变化规律。

2 空调用水泵散热测试系统

为了更好地了解空调用水泵散热对循环系统的影响，本文以冷水机组的冷冻水侧环路为水泵测试管路。冷水机组的系统如图1所示，其中蓝色表示需要测试的冷冻水侧循环。水泵采用MX306/075T型水泵，水泵额定耗功为0.75kW，转速为2900r/min。整个水泵测试循环系统包含空气处理机组、蒸发器、恒温器、涡轮流量计以及测温盲孔。循环管道内总水量为20kg，闭式循环系统处于保温状态。水泵测试时，空气处理柜、蒸发器和恒温器均处于不工作状态，水泵在闭式管道中循环运行，温度逐渐升高，涡轮流量计用于测量系统的流量，而水泵出口温度探头T11用于测量循环系统温度的变化。采用变频器调节水泵的频率，水泵的耗功则通过功率计测量。所有测量数据通过安捷伦34970A传输到电脑中。

图1 冷水机组系统示意

3 空调用水泵散热测试结果分析

为了了解水泵运行散热对整个循环系统温升的影响，本文以空调试验系统的冷冻水循环为研究对象，分别调节水泵的运行频率和整个闭式管道的阻力，测试水泵对整个闭式循环系统注入热量及其运行的耗功，分别分析水泵频率对系统温升的影响和在不同管道阻力与对应流量下水泵各参数的变化规律。

3.1 水泵频率对水泵散热性能的影响

保持整个冷冻水闭式循环系统各个阀门处于最大开度状态，改变水泵频率从40Hz到60Hz，测试水泵的耗功、流量和循环水单位时间的温升，并对各测试实验数据进行分析。其水泵频率对水泵散热性能的影响如图2所示。

图2 不同频率下，循环系统温升随时间的变化曲线

根据图2所示不同水泵频率条件下，循环水温随时间变化基本成直线上升，当频率为60Hz时，水温从11℃上升到16℃所需要时间为660s；当频率为50Hz时，水温从11℃上升到16℃所需要的时间为1100s；而当频率为40Hz时，水温从11℃上升到16℃所需要的时间为2290s。由此可知，降低循环水泵频率，会增加给定温差下水温上升的时间，减弱水泵散热对整个循环系统温升的影响。

水泵的耗功和流量随频率的升高而升高。当水泵频率为40Hz时，水泵耗功仅为0.411kW，水泵流量为503L/h；当水泵频率增加到60Hz时，水泵耗功增加到1.211kW，比频率40Hz时高出了近两倍，而水泵流量为806L/h，仅在原来的基础上增加了60%。同时从图中可以看出，流量随频率升高基本呈直线上升关系，而水泵的耗功随着频率的升高增加的速度加快。由此可以得出，在低流量要求的情况下，通过变频器降低水泵频率从而减少水流量，水泵耗功的降低速度十分明显，而水流量的降低速度与耗功相比慢很多，因而其节能效果明显。

随着水泵频率的升高，水泵散热量增加的速度加快。当水泵频率为40Hz时，水泵散热量为0.209kW，而当水泵频率升高到60Hz时，水泵散热量达到0.679kW。与频率40Hz相比，水泵散热量增加了两倍多。因而降低水泵频率可以减少水泵注入循环系统的热量。而对于水泵散热百分比，仅存在微弱上升的趋势，随着水泵频率从40Hz上升到60Hz，水泵散热百分比从51%上升到56%。因此降低水泵频率可以降低水泵的实际散热量，同时其相对水泵耗功的散热量亦有微弱的降低。

3.2 管道阻力对水泵散热性能的影响

保证水泵频率为50Hz，通过调节冷冻水循环系统中阀门的开启度来改变系统流量，使流量从340L/h上升到795L/h，测试系统温升速率和水泵的耗功，并对各测试数据进行分析，其不同水流量对水泵散热性能的影响如图3所示。

图3 不同流量下，循环系统随温升的变化曲线

图3表示不同流量下，循环系统温升随时间的变化关系。随着流量从587L/h降低到445L/h，再降低到340L/h，水温温升从10℃上升到15℃所需要的时间依次为1120s、1230s和1320s。循环系统温升随时间基本上呈直线变化关系，且在不同流量下，水温温升从10℃上升到15℃所需要的时间相差不大。因而通过调节管道阻力来调节流量对系统温升的影响不大。

4 结论

综上所述，水泵频率对水泵散热性能的影响，保持整个冷冻水闭式循环系统各个阀门处于最大开度状态， 提高水泵频率从40Hz到60Hz，水泵流量仅增加60%左右，而水泵耗功将增加近两倍左右。频率对耗功的影响程度远远大于其对流量的影响程度，通过变频降低流量具有一定的节能性；采用减少整个循环系统中的管道阻力来提高水流量，对水泵的耗功、单位时间温升、水泵的散热量有微弱的增加，但散热百分比有一定的减少。

参考文献

[1] 曾振威, 李聪.一次冷冻水泵变频节能分析.制冷, 2005, (4): 80- 83.

[2] 贾瑞宣，徐鸿． 基于单耗理论的冷端水动力过程节能潜力分析［J］． 动力工程学报，2010，( 11) : 870-873．