变水量空调系统

第三节　变水量空调系统

虽然我国近几年采取了各种节能降耗措施，但据建设部有关专家分析，建筑的能耗约占社会总能耗的30%。由清华大学建筑节能研究中心发布的报告称，暖通空调系统的能耗在建筑能耗中约占50%。统计资料显示，一幢大楼的空调系统，全年有80%以上的时间是在设计负荷的50%～55%以下运行的。通过改变水量，很容易满足空调系统的部分负荷特性，而由于空调水系统(包括一次冷水、二次冷水、冷水等)能耗要占整个空调系统能耗的15%～20%，因此空调水系统的控制是空调节能控制的重要方面。

目前冷水系统的配置有下列3种形式:一次泵系统、二次泵系统和一次泵变流量系统。一次泵系统是指一次泵系统的蒸发器侧定流量，用户侧变流量;二次泵系统是指二次泵系统的蒸发器侧定流量，用户侧变流量;一次泵变流量系统是指一次泵系统的蒸发器侧变流量，用户侧变流量。

一、一次泵系统

一次泵系统是国内工程设计中应用较多的一种系统形式。因用户侧水流量随负荷的变化而改变，故许多人也习惯称其为变流量系统。实质上它是一个简化的二次泵系统，这种系统存在的问题与二次系统大致相同。

1.一次泵系统特点

如图5－8所示，冷水机组蒸发器侧的冷水流量不变，而用户侧末端设备的冷水流量随室温的改变而变化。这种变化通过设置在末端设备出口的电动两通阀实现。同时在冷水的供水总管和回水总管上设置一根旁通管来平衡蒸发器侧与用户侧的流量。旁通管上装有压差旁通阀，可根据最不利环路压差变化来调节压差旁通阀开度，从而调节旁通水量。旁通水仅有一个流动方向，即从供水总管流向回水总管。一次泵定流量水系统最大特点是通过蒸发器的冷水流量不变，不存在发生结冰的危险。其次根据此压差调节旁通阀的开度，调节旁通水量大小。当室温升高即末端负荷增大时，旁通阀开度减小，通过末端盘管的水流量增大;反之则用户侧冷水流量减小。这种水系统尽管可以通过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。适用于水温要求一致且各区域管路压力损失相差不大的中小型工程。

图5－8　空调冷水一次泵系统示例

1.分水器;2.集水器;3.冷水机组;4.定流量冷水循环泵;5.止回阀; 6.压差控制器;7.旁通电动调节阀;8.末端空气处理装置;9.电动两通阀

2.一次泵系统设计原则与要点

(1)末端空气处理装置的回水支管上宜设置电动两通阀，在末端负荷变化时进行变流量调节。应在冷热源侧和负荷侧的集、分水器(或总供、回水管)之间设旁通管和电动两通调节阀，旁通管和旁通阀的设计流量应取单台最大冷水机组的额定流量。

(2)水泵与冷水机组的设置与连接方式。一般来说，冷水机组与水泵在数量上应采用一一对应的设置方式，保证在运行时机组与水泵能够一一对应地运行，联动控制。加机时先启动对应的冷水泵，再开启冷水机组;减机时，先关闭冷水机组，再关闭对应的冷水泵。

通常有两种连接方法。

图5－9(a)为一一对应连接方式，设计中应优先考虑这种方式。这种方式的优点是操作方便，控制及运行管理较简单，各机组相互干扰较小。缺点是机房内实际管路布置相对复杂。在实际运行中，当出现负荷减少至1台冷水机组运行就能满足要求，而水量要2台水泵运行时，就出现矛盾了。图5－9(b)为机组与水泵各自并联后通过母管连接的方式，优点是管道布置整洁、有序。但其缺点是水泵及冷水机组进出口都要求有各自的阀门，因此附件增加;各冷水机组水流量在初调试中应进行调整，保证每台机组水量符合设计要求;在要求自动连锁起停的工程中，必须在每台冷水机组支路上增加电动蝶阀，才能保证冷水机组与水泵的一一对应运行。

图5－9　冷水机组与水泵的连接方式

(a)一一对应连接(b)通过母管连接

(3)冷水机组的加减机。以系统设定供水温度为依据，当供水温度大于系统设定供水温度的误差死区时，并且这种状态持续10～15min，另一台冷水机组就会启动。

以旁通管的流量为依据，当旁通管内冷水从供水总管流向回水总管，并且流量达到单台冷冻机设计流量的110%～120%，如果这种状态持续10～20min，控制系统会关闭一台冷冻机。

二、二次泵变流量系统

1.二次泵变流量系统的特点

二次泵变流量系统是在冷水机组蒸发器侧流量恒定前提下，把传统的一次泵分解为二级。一次泵用来克服冷水机组蒸发器到平衡管的一次环路的阻力;二次泵用来克服从平衡管到负荷侧的二次环路的阻力。

二次泵变流量系统的冷源侧一次泵与冷水机组一一对应，水泵设计流量为冷水机组蒸发器额定流量，通过合理的计算选型，使一次泵运行在最佳效率工况点，也可防止蒸发器发生结冰事故，确保冷水机组出水温度稳定。

用户根据室温控制发出的信号来调节两通阀的流量，同时要求输配系统的流量也作变化。于是利用控制二次泵的运行流量(台数控制或变速控制)，使得输配管路的流量达到供需平衡。同时，冷源侧的流量又利用盈亏管保持恒定。

二次泵可以在不同的末端环路上单独设置，可以根据该环路负荷变化进行独立控制、变频调节。二次泵的流量与扬程可以根据不同负荷特性的环路分别配置，对于阻力较小的环路来说可以降低二次泵的设置扬程，做到“量体裁衣”。当二次泵采用变速或者台数控制，二次环路水量是可以随着负荷的改变而改变的，且不影响制冷主机规定流量的要求。

当负荷侧系统较大、阻力较大时，宜采用在冷源侧和负荷侧分别设置一级泵(定流量)和二级泵(变流量)的二次泵系统;当各区域管路阻力相差悬殊(超过0.05MPa)或各系统水温要求不同时，宜按区域或按系统分别设置二级泵，见图5－10。

图5－10　空调冷水二次泵系统示例

1.分水器;2.集水器;3.冷水机组;4.定流量一级冷水循环泵;5.止回阀;6.末端空气处理装置; 7.电动两通阀;8.变频调速二级冷水循环泵;9.压差控制器;10.平衡管

2.一次泵变流量系统的设计要点

(1)空调末端装置的回水支管上应采用电动两通阀;应在冷热源侧和负荷侧的分、集水器(或总供、回水管)之间设平衡管(旁通管)或耦合管，旁通管上不设阀门。平衡管流量一般不超过最大单台冷水机组的额定流量，平衡管管径一般与空调供、回水总管管径相同，其长度超过2m，减少水管弯头处湍流现象。

(2)一次泵与冷水机组之间的接管和转换、控制阀门的设置与一次泵变流量系统相同;二次泵宜采用变频调速泵。一次泵和二次泵的扬程必须通过精确的计算确定。

(3)水泵变速控制一般有两种方式。一种是定压差方式控制，当压差小于设定值，则提高二次泵的转速;反之，压差大于设定值，则降低二次泵的转速。另一种是变定压差方式控制，根据负荷侧末端两通阀开度，重新设定控制压差，尽量降低二次泵的转速，以便最大限度节能。压差信号一般取二次泵环路中最不利环路上代表性的压差信号。

(4)当二次泵采用台数控制方式时，二次泵系统的用户侧回路通常应设置压差旁通阀，此旁通阀与一次泵系统的功能相同(平衡用户侧需水量与二次泵组供水量)，旁通阀最大设计流量为一台定速二次泵的设计流量。当二次泵采用变速控制阀时，宜设置压差旁通阀，在水泵到达最低转速限制值时开始工作;旁通阀的最大设计流最为一台变速泵的最小运行流量。

(5)冷水机组的加机控制方案，是以压缩机运行电流为依据:若机组运行电流与额定电流的百分比大于设定值(如90%)，并且持续10～15min，则开启另一台机组。或者是以空调负荷为依据:测量负荷侧的流量和供、回水温差，计算空调负荷。若空调负荷大于冷水机组提供的最大负荷，且此状态持续10～15min，则开启另一台冷水机组。

冷水机组的减机控制方案是以旁通管的流量为依据:当旁通管内的冷水从供水总管流向回水总管，并且流量达到单台冷冻机设计流量的110%～120%，如果这种状态持续10～15min，则关闭一台冷水机组;另一种方案是以空调负荷为依据:测量负荷侧的流量和供、回水温差，计算空调负荷。若减少某台冷水机组后，剩余机组提供的最大负荷满足空调负荷要求，且此状态持续10～15min，则关闭该台冷水机组。

三、一次泵变水量系统

一次泵变流量系统作为空调水系统的较新布置方式，更好地解决了一、二次泵系统出现的问题，特别在初投资、运行费用方面具有突出优势。系统选择可变流量的冷水机组，使蒸发器侧流量随负荷侧流量的变化而改变，从而最大限度地降低水泵的能耗。

1.次泵变流量系统特点

在一次泵变水量系统(如图5－11)中，一次变速泵调节整个水系统的流量，包括通过机组和末端风机盘管的水流量。空调末端装置的回水支管上安装的电动两通阀根据室温的变化改变开度，从而引起系统的水流量变化，造成冷水系统供回水总管的压力变化，以此进行冷冻水泵的变频调速;制冷机组蒸发器侧具有较宽的流量范围，水泵变流量的范围和用户侧的流量变化相匹配。冷水机组和水泵不必一一对应，它们的启停也分别独立控制。系统中的供回水总管仍需设旁通管，当流量减少到单台冷水机组的最低允许流量时，冷冻水泵锁频，不再继续变频调速减少流量，这时启动辅助的启动旁通管上的电动二通阀，旁通一部分流量，使冷水机组维持允许的最低流量运行。通过蒸发器的水流量确保在安全流量范围内，维持蒸发温度和蒸发压力的相对稳定。

一次泵变流量系统相对于二次泵变流量系统减少二次侧的水泵投资和相应的占地面积，但一次泵变频驱动、旁通阀及相关控制设备的花费会抵消一部分节省的投资。同时因为减少了制冷机组和水泵的运行时数，降低了运行费用。

2.次泵变流量系统设计原则与要点

(1)冷水机组选择。选用冷水机组时，选择蒸发器许可流量变化范围大，最小流量尽可能低的冷水机组，如离心机30%～130%，最小流量宜小于额定流量的45%。对最大流速限制是为了减缓水流对蒸发器管束的侵蚀、防止振动和蒸发器最大许可的水压降影响。对最小流速限制是为了保证蒸发器换热效果和运行安全性等，并且冷水机组的流量过小，将造成水流速不均匀，尤其是在一些转弯(如封头)处容易使流速减慢甚至形成不流动的“死水”，从而极易产生结冻危险。

图5－11　空调冷水一次泵(变频)变流量系统示例

1.冷水机组;2.变频调速冷水循环水泵;3.电动隔断阀;4.旁通电动调节阀; 5.电动两通阀;6.末端空气处理装置;7.止回阀

选用冷水机组时，选择单位时间内允许蒸发器水流量变化大的机组。冷水机组所能承受的每分钟最大流量变化率即允许流量变化率宜至少每分钟25%～30%，当然这个值越大越好以确保冷水机组出水温度稳定。在一次泵变水量系统中，蒸发器水流量是经常随建筑物实际负荷变化而变化的，机组允许的蒸发器的水流量变化范围一般是设计流量的2%～50%，而对于机组控制器允许流量的变化低于2%的机组，大概需要半小时才能使机组流量降低到设计流量的50%，因此必须选择单位时间内允许蒸发器水流量变化大的机组。

选用冷水机组时，选择通过蒸发器的水流压降相同的机组。对于多台冷水机组并联运行的情况，针对一次泵变流量系统，选择通过蒸发器的水流压降相同或接近的机组。冷水机组尽可能选择同一规格型号即保持蒸发器额定水阻力尽可能保持在相等的水平。在设计流量下，蒸发器的压降不同的机组并联运行时，实际的流量会偏离机组选型时的设计流量。这种情况会增加系统控制的复杂性，导致系统不稳定。如果蒸发器在设计流量下水压降基本相同或接近，当外网空调负荷导致空调冷冻水流量发生变化时，流经各冷冻机蒸发器的水流量可基本实现同步等比例变化。

冷水机组的进水或出水管道上应设置与冷水机组连锁开关的电动两通阀(隔断阀)。

(2)旁通管及旁通阀的设置。在空调负荷最小，末端水流量趋于极低的最不利情况下，旁通管将承担单台冷水机组保证正常运行所需的最低流量，据此确定管径。当冷水机组型号不一致时，旁通管宜根据最大型号冷水机组所要求的最低流量确定管径，以确保系统的宽容度，并保留一次水泵全部定速工作的可能性。旁通管的流量是单台最大规格冷水机组的最小允许流量。为了尽可能减少水路压降，降低水泵的能耗，旁通管的位置应尽量安装在水泵的附近。根据工程经验，旁通管长度尽可能控制在供回水总管管径的3～5倍。

旁通管上压差旁通控制阀作用是确保每一个正在运行的蒸发器的水流速在机组要求的最小流速之上。旁通控制阀的选型是根据计算而得的阀门系数选择，正常情况阀门开启度为50%～70%，而不是全开。同时阀门的流量和开度应呈线性关系，当系统压力减小，阀门仍然可以正常打开，当系统压力升高，阀门应具有正确的关断能力，并且在设计压力下不渗漏。还必须有弹簧复位功能，当系统关闭或流量测定装置失灵时，为了确保冷水机组的安全运行，阀门自动复位到开启状态。

(3)冷水循环泵和机组的布置方式。冷水循环泵应采用变频调速泵，根据整个系统包括冷水机组、末端、阀门、管路等的设计阻力及设计流量选择。确保每台调速泵在调速范围内运行时处于高效区为原则。

冷水机组与冷水循环水泵配置可不一一对应，并应采用共用集管连接方式。冷水机组和冷水循环水泵的台数变化及其运行与启停，应分别独立控制。

(4)冷水机组加减机控制。加、减机控制逻辑有多种选择，目前应用较多而精确、可靠的方式是以压缩机运行电流百分比作为依据。加机时，若机组运行电流与额定电流的百分比大于设定值，并且持续10～15min，则开启另一台机组。这种控制方式供水温度控制精度高，在系统供水温度尚未偏离设定温度时，已加机了。或者是以系统设定供水温度为依据，当供水温度大于系统设定供水温度的误差死区时，并且这种状态持续10～15min，另一台冷水机组就会启动。减机时，每台机组的运行电流与额定电流的百分比之和除以运行机组台数减1，如果得到的商小于设定值，那么一台机组就会关闭。当冷水机组加减机时，若蒸发器的规格不同，则要注意不同机组蒸发器的压降对流量分配的影响。