一次泵冷水变流量系统设计及控制策略

摘要 一次泵变流量系统与一次泵定流量/二次泵变流量系统相比具有初投资小、节省制冷机房占地面积和降低运行费用等优点。本文阐述了一次泵变流量系统在工程应用时在设计上应注意的问题以及应采取的相关控制策略。

0 引言

随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调能耗在生产和生活总能耗的比重越来越大，目前国内空调能耗占居民建筑能耗的25%~35%，占公共建筑能耗的 30%~45%。空调系统年能耗中冷水机组的能耗约占33%，水泵能耗约占22%，冷却塔能耗约占2%，风机能耗约占43%，尽管水泵功率较小，但水泵能耗却占到制冷机房能耗的2/3[1]。可见，如果水系统采用节能技术，具有很大的节能空间。空调水系统的发展经历了定流量，一次泵定流量/二次变流量，随着制冷机组控制技术的发展，近年来一次泵变流量系统也不断得到应用。目前离心机蒸发器最小冷水流量可降到设计流量的30%左右[2]，螺杆机蒸发器最小冷水流量可降到设计流量的40%左右[3]，蒸发器最小允许水流量与冷水机组品牌有关，在工程应用中须向产品制造厂家进行详细咨询。在一定范围内改变蒸发器水流量，不会对冷水机组的效率及稳定性产生影响，这为一次泵变流量系统的工程应用提供的技术保障，但是要充分发挥一次泵变流量系统减少初投资及节能潜力，在实际应用中应如何进行系统设计，怎样进行系统控制，是暖通设计师值得关注的问题。

1 冷水变流量系统常用类型

“变流量系统”是指在水路系统的空调末端使用二通调节阀的系统，是与水路系统末端使用三通调节阀或不使用调节阀的“定流量系统”相对而言的。所谓“变流量 ”与“定流量”均是指输送冷水的水路系统的流量是变化的。变流量系统根据其系统构成形式不同，又可分为“相对的变流量系统”，即冷量制备环路是定流量，而冷量输送环路是变流量（如一次泵定流量/二次泵变流量系统（图1）、传统的一次泵变流量系统（图2））；和“真正的变流量系统”，即冷水机组蒸发器变流量系统（如一次泵变流量系统（图3））。

图1 一次泵定流量/二次泵变流量系统

一次泵定流量/二次泵变流量系统利用旁通管将冷量制备环路和冷量输配环路在水力上分离开来，因此这里的旁通管除了具有旁通流量使冷量制备环路保持定流量运行的作用外，另外还有“解耦”的作用，防止一次泵和二次泵串联运行。这种系统型式有时会在旁通管上设一个止回阀，以防止回水通过旁通管回流到供水端与冷水机组的出水混合而升高系统供水温度，影响供冷效果。

一次泵定流量/二次泵变流系统的出现是为了适应末端负荷变化时，节约流量输送能量的需要；在多环路水系统中，如果各环路阻力损失相差太大，或因使用功能、运行时间不同，要求分别管理等情况的需要；把一个系统的泵送压头分成两部分，当满负荷时一次泵二次泵串联运行，而在部分负荷时为旁通分流系统，节省冷水输送能量的需要；在超高层建筑中采用二级泵结合板式换热器，实现水系统竖向分区，解决系统底部承压的问题的需要。

图2 传统的一次泵变流量系统

图2所示的一次泵变流量系统是国内中小型水系统普遍采用的型式，末端盘管的二通阀根据室内负荷调节进入盘管的水流量，引起输配环路总水量的变化及供回水干管压差的变化，压差控制器根据此压差调节旁通阀的开度，以保持流过冷水机组蒸发器水流量不变。当负荷增大时，旁通阀开度减小，反之则开度增大。采用这种水系统型式尽管可以调节盘管的水流量来调节室内温度，供回水干管的水流量也能随着负荷的变化而变化，但水泵始终是定流量运行，节能效果很有限。另外对于复杂系统压差控制器的设定值需要经过反复调试后才能确定一个合理的值，而且这个设定值还需根据季节的变化作适当调整，因此给系统运行管理带来较大的麻烦，有些工程由于缺少有经验的系统调试人员，只好由运行管理人员随意设定一个数值，节能效果就可想而知了。

图3 一次泵变流量系统

随着冷水机组控制技术的发展，冷水机组的控制已由电子控制取代了机械、气动控制，控制系统能够对负荷变化做出及时的响应，使得冷水机组在蒸发器变水量的情况下也能正常、稳定地工作。90年代后期，以Hartman[4,5,6]等人为代表，提出了采用蒸发器可变冷水流量冷水机组的一次泵变冷水流量系统（如图3），这种新型的水系统进一步挖掘了变流量系统的节能潜力，在欧美国家得到了广泛地应用和推广，近年来也引起了国内专业人士的关注。

图3所示的一次泵变流量系统是真正意上的冷水变流量系统，不管是供回水干管，还是冷水机组蒸发器中的冷水流量都随着末端负荷变化而变化的。这种系统与传统的一次泵变流量系统不同之处在于旁通管管径不同、旁通阀的控制源不同、水泵是否变速运行、冷水机组的出水管上是否设置电动隔离阀（图2所示的系统在自动控制时也会设电动阀，但其作用不同，详细情况见后）。图3所示系统的旁通管是按通过最大冷水机组的最小允许水量来设计的，而图2所示系统的旁通管是按旁通一台冷水机组的流量来设计的，因此前者的旁通管较后者的小。图3所示系统的旁通阀是通过流量计（也可通过检测蒸发器水侧压差来测量流经蒸发器的水流量，文献 [7]的研究发现当蒸发器水侧流量变化时，水侧阻力与水流量的1.8次方成正比，实际应用时可向冷水机组生产厂家咨询蒸发器水侧阻力与水流量的关系）检测冷水机组进水干管的水流量，当最大冷水机组蒸发器冷水流量达到最小允许流量时，逐渐开启旁通阀以保证蒸发器的水流量不低于最小允许流量。旁通阀平时是处于关闭状态的。图2所示系统的旁通阀是通过压差传感器器检测供回干管之间的压差来调节旁通阀的开度，当压差减小时，旁通阀开度减小，压差增大时，开度增大。旁通阀的开度始终处于设定的上下限之间。

除了以上介绍的几种冷水变流量系统之外，还有一次泵变流量/二次泵变流量系统，这种系统是在一次泵定流/二次泵变流量系统的基础上吸收一次泵变流量的思想，将原来定流量的一次环路改为变流量，旁通管和旁通阀均按蒸发器最小允许流量来设计。

2 一次泵冷水变流量系统设计

一次泵冷水变流量系统具有初投资小，节省制冷机房占地面积和降低运行费用的优点，但也有机组启停控制、旁通阀最小流量控制较复杂，机组启停时会造成供水温度波动的缺点。这种系统适用于至少有30%以上水流量变化、空调房间的温度控制允许冷水供水温度有少量变化（如舒适性空调系统）的变流量水系统。为了充分发挥这种水系统节能的潜力，正确设计水系统是十分重要的。

在机组选型时，在满足负荷调节需要的前提下，尽可能选用规格型号一样的水冷螺杆式或离心式冷水机组，便于系统控制和各机组能够均衡出力。在不降低机组能效比的情况下，蒸发器允许的最小冷水流量尽可能低，最好能达到设计流量的40%-60%，这样一方面可以扩大流量的变化范围，提高节能潜力，另一方面可以增强机组在启停时对流量波动的适用性。一次泵变流量系统的机组启停时会产生较大的水流波动，这是由于一次变流量水系统的总水流量是由末端盘管的用水量决定的，当加载的冷机组隔离阀打开时，系统流量不会马上增加，要从正在运行的机组中分流出一部分流量，如果正在运行的机组蒸发器水流量由于分流作用而降到允许的水流量以下，就会造成机组保护性停机。可能产生的最大水流波动如表1所示。

表1 加载机组时运行机组的蒸发器水流变化情况

除了以上需要考虑的因素外，还要了解制冷机组蒸发器冷水流量的变化率，这对机组冷水供水温度的稳定性及机组运行稳定性有较大影响。一般建议冷水流量变化率每分钟在2%~30%以内，这与制冷机组的类型、控制及水在系统内周转时间有关[8]。

水泵与冷水机组的联接有水泵与冷水机组串联“一机对一泵”的布置型式和水泵通过集管并联以后再与冷水机组联接的互为备用的布置型式（如图3）。对于一次泵变流量系统宜优先考虑采用后者，这主要是由于在冷水变流量运行时，盘管的传热特性决定了冷量与水流量变化的非线性关系（如图4）[9]，如水流量变化到设计流量的50%时，盘管还能提供盘管额定冷量的75%。因此可知，冷水机组的运行台数与水流量之间没有对应关系。采用图3所示的水泵与冷水机组的联接方式，可以实现在开一台冷水机组时，开二台水泵的运行方式，有助于解决在部分负荷时的“小温差”问题和水流量与供冷量之间不匹配问题。

图4 水流量变化时末端盘管传热特性

一次泵变流量系统的旁通阀和旁通管是为了防止蒸发器水流量低于允许的最小流量而设置的，从理论上来说，旁通管可以设在制冷机房供、回水干管（或集、分水器）之间，也可设在供水末端的供、回水干管之间。采用前一种方式旁通阀的承压大，调节性能较差，但控制线路敷设简便，而后一种方式情况刚好相反。旁通管的管径按最大的冷水机组允许的最小水流量来设计。

旁通阀的选择要考虑工作压力有较大范围的变化时的调节性能，选择阀杆行程与流量尽可能成线性的调节阀。普通电动蝶阀不能满足这种调节性能的要求。旁通阀可按旁通管管径小一号来选型，这样不仅节省了初投资，而且增大了阀权度，调节性能也会有所改善。

通过检测冷水机组蒸发器水流量来控制旁通阀的开度，流量计可以如图3所示那样设在冷水机组的进水干管上，也可以在每台冷水机组的蒸发器水侧进出口设置一只压差传感器，根据制造厂家提供的蒸发器水侧压差与流量的关系，可以确定每一台冷水机组的冷水流量，这可给控制带来更多的灵活性，同时也节省了初投资。

一次泵变流量系统每台冷水机组出水管上需要安装隔离阀，当采用如图3所示的水泵与冷水机组联接型式时，当冷水机组停止运行时，隔离阀可以起到切断水流通路的作用（这和以往在冷水机组水侧管路加装电动阀的作用是一致的），在一次泵变流量系统中隔离阀还有更重要的作用，即在加载机组时缓慢（约2~3分钟）开启隔离阀减小水流波动对正在运行机组的影响。为了实现这个目的，要选择开启时间长的电动隔离阀。

变流量系统末端盘管调节阀在使用时压差和流量均发生变化，如果调节阀口径选小了，不能达到最大工作流量Qmax，选大了，经常小开度工作，调节性能差，寿命短；如果阀门闭合最大允许压差△Pmax小于工作压差，将会造成阀关不死，打不开；可调节范围R小了，不能满足流量变化范围。

在调节阀选型时，要确定末端盘管的最大工作流量Qmax、最小工作流量Qmin，根据调节稳定性、经济性以及运行能耗综合考虑，确定阀权度S（一般取 0.1~0.3[10]），计算阀门在Qmax时的工作压差，然后再求出Qmax时的流量系数Kvmax，再根据Kvmax值及产品样本，选取大于 Kvmax值且与其接近一档的Kv值对应的口径，从而初步确定调节阀的口径，最后还需做相关的验算，验证所选的阀门能否满足工作要求。

3 一次泵冷水变流量系统的控制策略

一次泵冷水变流量系统控制包括根据设定温度对末端盘管水侧流量调节、根据冷水机组最小允许流量对旁通阀进行流量调节、根据最不利环路末端供水压力的设定值对一次泵进行工作水泵台数和流量调节、根据系统需要制冷量确定所需冷水机组的运行台数以及相关冷却水泵和冷却塔的控制。

一次泵变流量系统的旁通管与传统意义的旁通管的作用不同，前者是为了保证冷水机组蒸发器水流量高于最小允许流量以上运行，旁通阀是常闭的，当流量计检测到冷水机组蒸发器水流量低于最小允许流量时才打开，旁通阀的开启速度要慢，否则会影响一冷泵流量的控制。

一次泵是通过检测最不利环路末端供水压力来确定水泵运行台数及流量调节，当多台水泵并联运行时，最好所有水泵均采用变速调节，全变速运行效率要比混合运行效率高且控制简单。水泵流量调节速度不宜过快，否则会影响冷水机组的出温度的稳定及末端调节阀的稳定性。最佳的流量调节速率需在现场调试中确定，可以按每分钟10%的调节速率作为初始值进行系统调试[1]。

当系统供回水温差未达到设计值时，往往会出现冷水机组蒸发器水流量已达到额定值，但其制冷量却还未达到满负荷，这时可不按一机对一泵运行，而是再开启一台冷水泵，可使制冷机组制冷量继续增加，甚至超过额定制冷量，解决“小温差，大流量”问题，避免要再开启一台冷水机组和相应的冷却泵及冷却塔才能满足供冷需求、造成能量浪费的问题。但冷水机组在过流量运行时，要注意蒸发器水流量不要超过最大允许流量。

根据系统冷水供水流量及供回水温差来计算系统所需冷量，然后与正在运行的冷水机组的额定制冷量（在实际控制中，可根据冷水机组的性能、冷水出水温度及冷却水进水温度确定冷水机组实际可能的最大制冷量）进行比较，同时考虑冷水出水温度是否超过设定值，来确定冷水机组的加载或停机。

当确定需要加载冷水机组时，为了避免加载时由于水流波动造成保护性停机，须先将正在运行机组的制冷量降到额定制冷量的50%，调整旁通阀流量设定值，然后开启一台冷水泵，逐渐（约2~3分钟）打开加载冷水机组的隔离阀，待隔离阀全开时，开启加载冷水机组，解除制冷量限定。

4 结语

一次泵变流量系统具有初投资小，节省制冷机房占地面积和降低运行费用的优点，同时在部分负荷时有助于解决“小温差，大流量”问题、水流量与供冷量之间不匹配问题。但也有机组启停控制复杂、对系统控制要求高的缺点。随着控制技术的发展以及系统设计师和控制工程师对一次泵变流量系统认识的深入，一次泵变流量系统将会得到更广泛的应用。

参考文献

1 MaQcay International. Chiller Plant Design Application Guaide AG 31-003-1，2002.10

2 陈劲晖. 一次泵变流量系统的应用探讨. 流体机械, 2005, 33(6):35-38.

3 上海一冷开利空调设备有限公司.螺杆式水-水热泵机组开机、运行维护手册. 2003年11月版

4 Thomas B.Hartman. Design issues of variable chilled-water flow through chiller, ASHRAE Trans,1996,102(1)

5 Hartman T. New horizons for HVAC control.Heating/piping/Air conditioning, 1995, (3):25-31

6 Thomas Hartman. All-Variable speed centrifugal chiller plants. ASHRAE Journal, 2001, 43(9):43-53.

7 George H. Redden. Effect of Variable Flow on centrifugal chiller performance. ASHRAE Trans., 1996

8 William P Bahnfleth. Variable Primary Flow System:Potential Benefits and Application Issues. ARTI -21CN program final report, 2004

9 高养田. 空调变流量水系统设计技术发展. 暖通空调, 1996, (6):20-26.

10 明赐东. 调节阀计算、选型、使用. 成都科技大学出版社, 1999