一次泵冷水變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略華東交通大學(xué)羅新梅摘要一次泵變流量系統(tǒng)與一次泵定流量/二次泵變流量系統(tǒng)相比具有初投資小、節(jié)省制冷機(jī)房占地面積和降低運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。本文闡述了一次泵變流量系統(tǒng)在工程應(yīng)用時(shí)在設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的問題以及應(yīng)采取的相關(guān)控制策略。關(guān)鍵詞一次泵冷水變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制策略0引言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，空調(diào)能耗在生產(chǎn)和生活總能耗的比重越來越大，目前國內(nèi)空調(diào)能耗占居民建筑能耗的25%35%，占公共建筑能耗的30%45%。空調(diào)系統(tǒng)年能耗中冷水機(jī)組的能耗約占33%，水泵能耗約占22%，冷卻塔能耗約占2%，風(fēng)機(jī)能耗約占43%，盡管水泵功率較小，但水泵能耗卻占到制冷機(jī)房能耗的2/31。可見，如果水系統(tǒng)采用節(jié)能技術(shù)，具有很大的節(jié)能空間。空調(diào)水系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了定流量，一次泵定流量/二次變流量，隨著制冷機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展，近年來一次泵變流量系統(tǒng)也不斷得到應(yīng)用。目前離心機(jī)蒸發(fā)器最小冷水流量可降到設(shè)計(jì)流量的30%左右2，螺桿機(jī)蒸發(fā)器最小冷水流量可降到設(shè)計(jì)流量的40%左右3，蒸發(fā)器最小允許水流量與冷水機(jī)組品牌有關(guān)，在工程應(yīng)用中須向產(chǎn)品制造廠家進(jìn)行詳細(xì)咨詢。在一定范圍內(nèi)改變蒸發(fā)器水流量，不會(huì)對(duì)冷水機(jī)組的效率及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，這為一次泵變流量系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供的技術(shù)保障，但是要充分發(fā)揮一次泵變流量系統(tǒng)減少初投資及節(jié)能潛力，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，怎樣進(jìn)行系統(tǒng)控制，是暖通設(shè)計(jì)師值得關(guān)注的問題。1冷水變流量系統(tǒng)常用類型“變流量系統(tǒng)”是指在水路系統(tǒng)的空調(diào)末端使用二通調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)，是與水路系統(tǒng)末端使用三通調(diào)節(jié)閥或不使用調(diào)節(jié)閥的“定流量系統(tǒng)”相對(duì)而言的。所謂“變流量”與“定流量”均是指輸送冷水的水路系統(tǒng)的流量是變化的。變流量系統(tǒng)根據(jù)其系統(tǒng)構(gòu)成形式不同，又可分為“相對(duì)的變流量系統(tǒng)”，即冷量制備環(huán)路是定流量，而冷量輸送環(huán)路是變流量（如一次泵定流量/二次泵變流量系統(tǒng)（圖1）、傳統(tǒng)的一次泵變流量系統(tǒng)（圖2）；和“真正的變流量系統(tǒng)”，即冷水機(jī)組蒸發(fā)器變流量系統(tǒng)（如一次泵變流量系統(tǒng)（圖3）。圖1一次泵定流量/二次泵變流量系統(tǒng)一次泵定流量/二次泵變流量系統(tǒng)利用旁通管將冷量制備環(huán)路和冷量輸配環(huán)路在水力上分離開來，因此這里的旁通管除了具有旁通流量使冷量制備環(huán)路保持定流量運(yùn)行的作用外，另外還有“解耦”的作用，防止一次泵和二次泵串聯(lián)運(yùn)行。這種系統(tǒng)型式有時(shí)會(huì)在旁通管上設(shè)一個(gè)止回閥，以防止回水通過旁通管回流到供水端與冷水機(jī)組的出水混合而升高系統(tǒng)供水溫度，影響供冷效果。一次泵定流量/二次泵變流系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了適應(yīng)末端負(fù)荷變化時(shí)，節(jié)約流量輸送能量的需要；在多環(huán)路水系統(tǒng)中，如果各環(huán)路阻力損失相差太大，或因使用功能、運(yùn)行時(shí)間不同，要求分別管理等情況的需要；把一個(gè)系統(tǒng)的泵送壓頭分成兩部分，當(dāng)滿負(fù)荷時(shí)一次泵二次泵串聯(lián)運(yùn)行，而在部分負(fù)荷時(shí)為旁通分流系統(tǒng)，節(jié)省冷水輸送能量的需要；在超高層建筑中采用二級(jí)泵結(jié)合板式換熱器，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)豎向分區(qū)，解決系統(tǒng)底部承壓的問題的需要。圖2傳統(tǒng)的一次泵變流量系統(tǒng)圖2所示的一次泵變流量系統(tǒng)是國內(nèi)中小型水系統(tǒng)普遍采用的型式，末端盤管的二通閥根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷調(diào)節(jié)進(jìn)入盤管的水流量，引起輸配環(huán)路總水量的變化及供回水干管壓差的變化，壓差控制器根據(jù)此壓差調(diào)節(jié)旁通閥的開度，以保持流過冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量不變。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，旁通閥開度減小，反之則開度增大。采用這種水系統(tǒng)型式盡管可以調(diào)節(jié)盤管的水流量來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，供回水干管的水流量也能隨著負(fù)荷的變化而變化，但水泵始終是定流量運(yùn)行，節(jié)能效果很有限。另外對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)壓差控制器的設(shè)定值需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后才能確定一個(gè)合理的值，而且這個(gè)設(shè)定值還需根據(jù)季節(jié)的變化作適當(dāng)調(diào)整，因此給系統(tǒng)運(yùn)行管理帶來較大的麻煩，有些工程由于缺少有經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)調(diào)試人員，只好由運(yùn)行管理人員隨意設(shè)定一個(gè)數(shù)值，節(jié)能效果就可想而知了。圖3一次泵變流量系統(tǒng)隨著冷水機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展，冷水機(jī)組的控制已由電子控制取代了機(jī)械、氣動(dòng)控制，控制系統(tǒng)能夠?qū)ω?fù)荷變化做出及時(shí)的響應(yīng)，使得冷水機(jī)組在蒸發(fā)器變水量的情況下也能正常、穩(wěn)定地工作。90年代后期，以Hartman4,5,6等人為代表，提出了采用蒸發(fā)器可變冷水流量冷水機(jī)組的一次泵變冷水流量系統(tǒng)（如圖3），這種新型的水系統(tǒng)進(jìn)一步挖掘了變流量系統(tǒng)的節(jié)能潛力，在歐美國家得到了廣泛地應(yīng)用和推廣，近年來也引起了國內(nèi)專業(yè)人士的關(guān)注。圖3所示的一次泵變流量系統(tǒng)是真正意上的冷水變流量系統(tǒng)，不管是供回水干管，還是冷水機(jī)組蒸發(fā)器中的冷水流量都隨著末端負(fù)荷變化而變化的。這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)的一次泵變流量系統(tǒng)不同之處在于旁通管管徑不同、旁通閥的控制源不同、水泵是否變速運(yùn)行、冷水機(jī)組的出水管上是否設(shè)置電動(dòng)隔離閥（圖2所示的系統(tǒng)在自動(dòng)控制時(shí)也會(huì)設(shè)電動(dòng)閥，但其作用不同，詳細(xì)情況見后）。圖3所示系統(tǒng)的旁通管是按通過最大冷水機(jī)組的最小允許水量來設(shè)計(jì)的，而圖2所示系統(tǒng)的旁通管是按旁通一臺(tái)冷水機(jī)組的流量來設(shè)計(jì)的，因此前者的旁通管較后者的小。圖3所示系統(tǒng)的旁通閥是通過流量計(jì)（也可通過檢測(cè)蒸發(fā)器水側(cè)壓差來測(cè)量流經(jīng)蒸發(fā)器的水流量，文獻(xiàn)7的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)器水側(cè)流量變化時(shí)，水側(cè)阻力與水流量的1.8次方成正比，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可向冷水機(jī)組生產(chǎn)廠家咨詢蒸發(fā)器水側(cè)阻力與水流量的關(guān)系）檢測(cè)冷水機(jī)組進(jìn)水干管的水流量，當(dāng)最大冷水機(jī)組蒸發(fā)器冷水流量達(dá)到最小允許流量時(shí)，逐漸開啟旁通閥以保證蒸發(fā)器的水流量不低于最小允許流量。旁通閥平時(shí)是處于關(guān)閉狀態(tài)的。圖2所示系統(tǒng)的旁通閥是通過壓差傳感器器檢測(cè)供回干管之間的壓差來調(diào)節(jié)旁通閥的開度，當(dāng)壓差減小時(shí)，旁通閥開度減小，壓差增大時(shí)，開度增大。旁通閥的開度始終處于設(shè)定的上下限之間。除了以上介紹的幾種冷水變流量系統(tǒng)之外，還有一次泵變流量/二次泵變流量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是在一次泵定流/二次泵變流量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上吸收一次泵變流量的思想，將原來定流量的一次環(huán)路改為變流量，旁通管和旁通閥均按蒸發(fā)器最小允許流量來設(shè)計(jì)。2一次泵冷水變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)一次泵冷水變流量系統(tǒng)具有初投資小，節(jié)省制冷機(jī)房占地面積和降低運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，但也有機(jī)組啟停控制、旁通閥最小流量控制較復(fù)雜，機(jī)組啟停時(shí)會(huì)造成供水溫度波動(dòng)的缺點(diǎn)。這種系統(tǒng)適用于至少有30%以上水流量變化、空調(diào)房間的溫度控制允許冷水供水溫度有少量變化（如舒適性空調(diào)系統(tǒng)）的變流量水系統(tǒng)。為了充分發(fā)揮這種水系統(tǒng)節(jié)能的潛力，正確設(shè)計(jì)水系統(tǒng)是十分重要的。在機(jī)組選型時(shí)，在滿足負(fù)荷調(diào)節(jié)需要的前提下，盡可能選用規(guī)格型號(hào)一樣的水冷螺桿式或離心式冷水機(jī)組，便于系統(tǒng)控制和各機(jī)組能夠均衡出力。在不降低機(jī)組能效比的情況下，蒸發(fā)器允許的最小冷水流量盡可能低，最好能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的40%-60%，這樣一方面可以擴(kuò)大流量的變化范圍，提高節(jié)能潛力，另一方面可以增強(qiáng)機(jī)組在啟停時(shí)對(duì)流量波動(dòng)的適用性。一次泵變流量系統(tǒng)的機(jī)組啟停時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的水流波動(dòng)，這是由于一次變流量水系統(tǒng)的總水流量是由末端盤管的用水量決定的，當(dāng)加載的冷機(jī)組隔離閥打開時(shí)，系統(tǒng)流量不會(huì)馬上增加，要從正在運(yùn)行的機(jī)組中分流出一部分流量，如果正在運(yùn)行的機(jī)組蒸發(fā)器水流量由于分流作用而降到允許的水流量以下，就會(huì)造成機(jī)組保護(hù)性停機(jī)。可能產(chǎn)生的最大水流波動(dòng)如表1所示。表1加載機(jī)組時(shí)運(yùn)行機(jī)組的蒸發(fā)器水流變化情況除了以上需要考慮的因素外，還要了解制冷機(jī)組蒸發(fā)器冷水流量的變化率，這對(duì)機(jī)組冷水供水溫度的穩(wěn)定性及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有較大影響。一般建議冷水流量變化率每分鐘在2%30%以內(nèi)，這與制冷機(jī)組的類型、控制及水在系統(tǒng)內(nèi)周轉(zhuǎn)時(shí)間有關(guān)8。水泵與冷水機(jī)組的聯(lián)接有水泵與冷水機(jī)組串聯(lián)“一機(jī)對(duì)一泵”的布置型式和水泵通過集管并聯(lián)以后再與冷水機(jī)組聯(lián)接的互為備用的布置型式（如圖3）。對(duì)于一次泵變流量系統(tǒng)宜優(yōu)先考慮采用后者，這主要是由于在冷水變流量運(yùn)行時(shí)，盤管的傳熱特性決定了冷量與水流量變化的非線性關(guān)系（如圖4）9，如水流量變化到設(shè)計(jì)流量的50%時(shí)，盤管還能提供盤管額定冷量的75%。因此可知，冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)與水流量之間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用圖3所示的水泵與冷水機(jī)組的聯(lián)接方式，可以實(shí)現(xiàn)在開一臺(tái)冷水機(jī)組時(shí)，開二臺(tái)水泵的運(yùn)行方式，有助于解決在部分負(fù)荷時(shí)的“小溫差”問題和水流量與供冷量之間不匹配問題。圖4水流量變化時(shí)末端盤管傳熱特性一次泵變流量系統(tǒng)的旁通閥和旁通管是為了防止蒸發(fā)器水流量低于允許的最小流量而設(shè)置的，從理論上來說，旁通管可以設(shè)在制冷機(jī)房供、回水干管（或集、分水器）之間，也可設(shè)在供水末端的供、回水干管之間。采用前一種方式旁通閥的承壓大，調(diào)節(jié)性能較差，但控制線路敷設(shè)簡(jiǎn)便，而后一種方式情況剛好相反。旁通管的管徑按最大的冷水機(jī)組允許的最小水流量來設(shè)計(jì)。旁通閥的選擇要考慮工作壓力有較大范圍的變化時(shí)的調(diào)節(jié)性能，選擇閥桿行程與流量盡可能成線性的調(diào)節(jié)閥。普通電動(dòng)蝶閥不能滿足這種調(diào)節(jié)性能的要求。旁通閥可按旁通管管徑小一號(hào)來選型，這樣不僅節(jié)省了初投資，而且增大了閥權(quán)度，調(diào)節(jié)性能也會(huì)有所改善。通過檢測(cè)冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量來控制旁通閥的開度，流量計(jì)可以如圖3所示那樣設(shè)在冷水機(jī)組的進(jìn)水干管上，也可以在每臺(tái)冷水機(jī)組的蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)出口設(shè)置一只壓差傳感器，根據(jù)制造廠家提供的蒸發(fā)器水側(cè)壓差與流量的關(guān)系，可以確定每一臺(tái)冷水機(jī)組的冷水流量，這可給控制帶來更多的靈活性，同時(shí)也節(jié)省了初投資。一次泵變流量系統(tǒng)每臺(tái)冷水機(jī)組出水管上需要安裝隔離閥，當(dāng)采用如圖3所示的水泵與冷水機(jī)組聯(lián)接型式時(shí)，當(dāng)冷水機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，隔離閥可以起到切斷水流通路的作用（這和以往在冷水機(jī)組水側(cè)管路加裝電動(dòng)閥的作用是一致的），在一次泵變流量系統(tǒng)中隔離閥還有更重要的作用，即在加載機(jī)組時(shí)緩慢（約23分鐘）開啟隔離閥減小水流波動(dòng)對(duì)正在運(yùn)行機(jī)組的影響。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，要選擇開啟時(shí)間長的電動(dòng)隔離閥。變流量系統(tǒng)末端盤管調(diào)節(jié)閥在使用時(shí)壓差和流量均發(fā)生變化，如果調(diào)節(jié)閥口徑選小了，不能達(dá)到最大工作流量Qmax，選大了，經(jīng)常小開度工作，調(diào)節(jié)性能差，壽命短；如果閥門閉合最大允許壓差Pmax小于工作壓差，將會(huì)造成閥關(guān)不死，打不開；可調(diào)節(jié)范圍R小了，不能滿足流量變化范圍。在調(diào)節(jié)閥選型時(shí)，要確定末端盤管的最大工作流量Qmax、最小工作流量Qmin，根據(jù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行能耗綜合考慮，確定閥權(quán)度S（一般取0.10.310），計(jì)算閥門在Qmax時(shí)的工作壓差，然后再求出Qmax時(shí)的流量系數(shù)Kvmax，再根據(jù)Kvmax值及產(chǎn)品樣本，選取大于Kvmax值且與其接近一檔的Kv值對(duì)應(yīng)的口徑，從而初步確定調(diào)節(jié)閥的口徑，最后還需做相關(guān)的驗(yàn)算，驗(yàn)證所選的閥門能否滿足工作要求。3一次泵冷水變流量系統(tǒng)的控制策略一次泵冷水變流量系統(tǒng)控制包括根據(jù)設(shè)定溫度對(duì)末端盤管水側(cè)流量調(diào)節(jié)、根據(jù)冷水機(jī)組最小允許流量對(duì)旁通閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)、根據(jù)最不利環(huán)路末端供水壓力的設(shè)定值對(duì)一次泵進(jìn)行工作水泵臺(tái)數(shù)和流量調(diào)節(jié)、根據(jù)系統(tǒng)需要制冷量確定所需冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)以及相關(guān)冷卻水泵和冷卻塔的控制。一次泵變流量系統(tǒng)的旁通管與傳統(tǒng)意義的旁通管的作用不同，前者是為了保證冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量高于最小允許流量以上運(yùn)行，旁通閥是常閉的，當(dāng)流量計(jì)檢測(cè)到冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量低于最小允許流量時(shí)才打開，旁通閥的開啟速度要慢，否則會(huì)影響一冷泵流量的控制。一次泵是通過檢測(cè)最不利環(huán)路末端供水壓力來確定水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)及流量調(diào)節(jié)，當(dāng)多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，最好所有水泵均采用變速調(diào)節(jié)，全變速運(yùn)行效率要比混合運(yùn)行效率高且控制簡(jiǎn)單。水泵流量調(diào)節(jié)速度不宜過快，否則會(huì)影響冷水機(jī)組的出溫度的穩(wěn)定及末端調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性。最佳的流量調(diào)節(jié)速率需在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中確定，可以按每分鐘10%的調(diào)節(jié)速率作為初始值進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試1。當(dāng)系統(tǒng)供回水溫差未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量已達(dá)到額定值，但其制冷量卻還未達(dá)到滿負(fù)荷，這時(shí)可不按一機(jī)對(duì)一泵運(yùn)行，而是再開啟一臺(tái)冷水泵，可使制冷機(jī)組制冷量繼續(xù)增加，甚至超過額定制冷量，解決“小溫差，大流量”問題，避免要再開啟一臺(tái)冷水機(jī)組和相應(yīng)的冷卻泵及冷卻塔才能滿足供冷需求、造成能量浪費(fèi)的問題。但冷水機(jī)組在過流量運(yùn)行時(shí)，要注意蒸發(fā)器水流量不要超過最大允許流量。根據(jù)系統(tǒng)冷水供水流量及供回水溫差來計(jì)算系統(tǒng)所需冷量，然后與正在運(yùn)行的冷水機(jī)組的額定制冷量（在實(shí)際控制中，可根據(jù)冷水機(jī)組的性能、冷水出水溫度及冷卻水進(jìn)水溫度確定冷水機(jī)組實(shí)際可能的最大制冷量）進(jìn)行比較，同時(shí)考慮冷水出水溫度是否超過設(shè)定值，來確定冷水機(jī)組的加載或停機(jī)。當(dāng)確定需要加載冷水機(jī)組時(shí)，為了避免加載時(shí)由于水流波