空调冷水一次泵变流量系统设计要点
山东省建筑设计研究院 于晓明 赵建博 石颖 李向东
≤80%
=75%≤80%
1 引言
随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，空调得到越来越多的应用，但是空调的普及使得空调能耗在生产和生活总能耗中所占的比重越来越大。空调系统能耗约占整个建筑能耗的35%以上，其中中央空调冷水和冷却水系统能耗约占空调系统总能耗的30%。工程实践表明，导致中央空调系统电耗高的主要原因是由于目前我国大型建筑空调冷水系统多为定流量系统，且系统运行中普遍存在“大流量，小温差”的问题，由此造成冷水循环泵扬程过大、电耗过高。空调冷水一次泵变流量系统通过改变输送管网内的冷水流量满足用户负荷要求，可有效降低系统输送能耗，具有较大节能潜力，因此得到越来越广泛的应用。本文将就空调冷水一次泵变流量系统的设计要点进行探讨，以供同行在工程设计中参考。
2 空调冷水一次泵变流量系统的原理及组成
2.1 原理
空调冷水一次泵变流量系统的工作原理：一方面是在负荷侧通过调节电动两通调节阀的开度改变流经末端设备的冷水流量，以适应末端用户空调负荷的变化；另一方面是在冷源侧采用可变流量的冷水机组和变频调速冷水泵，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冷水循环泵的能耗。同时，要确保通过冷水机组蒸发器的水流量在安全流量范围内变化，维持冷水机组的蒸发温度和蒸发压力相对稳定，保证冷水机组能效比相对变化不大。
2.2 组成
空调冷水一次泵变流量系统的典型配置如图1所示。在冷源侧配置变频泵，每台冷水机组的进（出）水管上设置慢开慢关型隔断阀，冷水泵与冷水机组不必一一对应设置，且二者启停应分开控制；在空调冷水总供回水管之间设置旁通管，旁通管上设置旁通控制阀（电动调节阀），当负荷侧冷水量小于单台冷水机组的许可最小流量时，旁通管上的电动调节阀打开，使流经冷水机组蒸发器的最小流量为负荷侧冷水量与旁通管流量之和，最小流量由流量计或压差传感器测得。另外，系统末端需安装电动两通调节阀。
1—冷水机组 2—变频调速冷水循环水泵 3—电动隔断阀
4—旁通控制阀 5—电动两通调节阀 6—末端空气处理装置 7—止回阀
图1 空调冷水一次泵变流量系统举例
3 空调冷水一次泵变流量系统的优点及适用性
3.1 优点
空调冷水一次泵变流量系统与传统的空调冷水一次泵系统及二次泵系统相比较，具有以下优点：
1、由于取消了二次泵系统中的二级泵与相应零配件、减振器、启动器、电线、控制器等，因而减少了空调冷水系统的机房面积及初投资。
2、与一、二次泵系统相比，降低了系统中循环水泵的电耗。原因之一是由于一、二次泵系统中的一级泵通常是大流量低扬程，其固有的效率较低；而一次泵变流量系统中的一级泵均是大流量高扬程的水泵，其固有的效率要高于同等流量低扬程的水泵；原因之二是由于取消了二次泵系统中二级泵消耗在附加零配件与装置（阀门、除污器、变径管、集水器等）上的阻力损失。
3、一、二次泵系统中的一级泵是定流量泵，必须像冷水机组一样分级投入运行，而且其电耗是恒定不变的；而一次泵变流量系统中只配备变流量泵，能根据末端负荷的变化，通过改变水泵的转速调节负荷侧和冷水机组蒸发器侧的流量，最大限度地降低变频调速水泵的电耗。
4、能够消除一次泵和二次泵系统的“低温差综合症”，使冷水机组高效运行。
5、能够充分利用冷水机组的超额冷量，减少并联的冷水机组和冷却水泵的全年运行时间和能耗。
3.2 适用性
目前，常用的空调冷水一次泵和二次泵及一次泵变流量三种系统适用于不同类别、规模及使用特点等的工程。通常，冷源侧定流量、负荷侧变流量的一次泵系统（见图2）,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；冷源侧和负荷侧分别设置一级泵和二级泵（变频泵）的二次泵变流量系统（见图3）适用于负荷侧系统较大、阻力较高的工程，且当各区域管路阻力相差悬殊（超过50KPa）或水温要求不同时，宜按区域分别设置二级泵；而对于冷源侧和负荷侧均变流量的一次泵（变频）变流量水系统（见图1），则适用于以下空调系统：
1、全年空调冷负荷变化较大的空调系统；
2、空调冷水供水温度可以允许轻微变化；
3、工程初投资及回收期可接受；
4、工程设计者对技术应用的把握到位，控制方案和运行管理可靠，用户（操作者）了解并能熟练掌握等。
尽管空调冷水一次泵变流量系统具有节能的优点，但是其旁通控制和冷水机组的分级启停控制较为复杂，因此在设计这种水系统形式时，一定要谨慎，必须准确理解和掌握其原理、组成及设计要点。
1—分水器 2—集水器 3—冷水机组 4—冷水循环泵 5—止回阀
6—压差控制器 7—电动调节阀 8—末端空气处理装置 9—电动两通调节阀
图2 空调冷水一次泵系统举例
1—分水器 2—集水器 3—冷水机组 4—冷水一级循环泵 5—止回阀
6—末端空气处理装置 7—电动两通调节阀 8—冷水二级循环泵 9—压差控制器 10—平衡管
图3 空调冷水二次泵系统举例
4 空调冷水一次泵变流量系统设计要点
4.1 冷水机组的选择
对于空调冷水一次泵变流量系统采用的可变流量的冷水机组，机组蒸发器的许可流量变化范围和许可流量变化率是衡量冷水机组性能的重要指标。机组蒸发器的许可流量变化范围越大，越有利于冷水机组的加、减机控制，节能效果越明显；机组蒸发器的许可流量变化率越大，冷水机组变流量时出水温度波动越小。在实际的机组设计选型中：选择蒸发器流量许可变化范围大，最小流量尽可能低的冷水机组，如离心机30%～130%，螺杆机45%～120%，最小流量宜小于额定流量的50%；选择蒸发器许可流量变化率大的冷水机组，每分钟许可流量变化率宜大于30%。
对于空调冷水一次泵变流量系统，冷水机组尽可能选择同一规格型号，如规格型号无法保持一致的话，建议各冷水机组蒸发器额定水阻力尽可能保持在相等的水平，此时，当外网空调负荷导致空调冷水流量发生变化时，流经各冷水机组蒸发器的水流量可基本实现同步等比例变化。
4.2 冷水机组的启停控制
对于空调冷水一次泵变流量系统来说，其运行难点是如何解决并联冷水机组的顺序启停的控制问题，而其冷水机组的最大流量、最小流量、温度设定值又是这些顺序启停控制的关键切换点。因此，空调冷水一次泵变流量系统的正常运行必定需要依靠预先编好的顺序启停软件来执行。
4.2.1 冷水机组的启动控制
在启动另一台冷水机组之前，应让正在工作的冷水机组几乎满负荷运行。当所监测的蒸发器出水温度超过了设定值的允许偏差上限，或其水流量超过了该机组所允许的最大流量时，才启动下一台冷水机组运行。通常做法是以压缩机运行电流为依据：若机组运行电流占额定电流的百分比大于设定值（如90%），并且这种状态持续10～15min，则开启另一台机组，这种控制方式的好处是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。此时，为防止正在运行的冷水机组蒸发器流量的突然下降，需要采取以下两项保护措施：
1、为缓解由于水流量突然下降，出现铜管内冷水冻结的危险，采取关小机组进口导叶阀或提高机组供水温度设定值1至3 min的办法来使正在运行冷水机组暂时卸载；
2、缓慢打开新启动冷水机组蒸发器的电动隔断阀，其打开速度要根据所启动冷水机组所能容忍的最大许可流量变化率而定。最大许可流量变化率越大，其电动隔断阀从全关到全开所需要的时间越短，例如：对于最大许可流量变化率每分钟允许30％的机组，其电动隔断阀从全关到全开，大约为2min；对于最大许可流量变化率每分钟允许10％的机组，约需要经历6min；而对于最大许可流量变化率每分钟只允许5％的机组，则需要12min左右。
4.2.2 机组的关闭控制
根据机房内机组的台数与部分负荷效率曲线，应设计“停机”策略，避免机组的低负荷运行。在空调冷水一次泵变流量系统中,通过测定机组运行时的电流RLA ( running load amps) 来控制机组的启停间隔。RLA%(运行电流除以额定电流 )反应了冷水机组运行时实际负荷率的良好指标。在多台相同机组的并联运行时,关闭机组的策略是目前正在运行的各台机组的RLA%之和除以运行机组台数减1，若结果小于设定值（如80%）,就关闭一台机组。即：
≤80%例如，3台机组运行电流为满负荷电流的50%，可以关闭1台机组。
=75%≤80%另外，应根据冷水机组蒸发器结构，最小许可流量和防冻结温度设定值，设计“防冻结延时停机”保护顺序。因为，一般定流量冷水机组控制器当监测到蒸发器出水温度到达冻结水温度时就会立即执行保护性停机。但在空调冷水一次泵变流量系统中，如立即执行保护性停机，停机的机率会很高。这种“防冻结延时停机”保护顺序能在监测到达冻结温度时不会立即停机，而是累加冻结温度以下的度-秒值，只有当此值总和上升到临界值时才迫使其停机，以便使机组的制冷能力调节器达到稳定的出力控制。
4.3 冷水泵的选择及控制
对于空调冷水一次泵变流量系统，在设计中宜采用“集合母管并联”后再与蒸发器串联的方式进行配管。此种连接方式下，冷水泵与冷水机组在控制方面不呈一一对应关系，冷水机组的启停数量由用户端空调瞬时总负荷决定，而冷水泵启停数量的控制则根据用户端空调水流量实际需求值并同时结合水泵、马达及变频器效率分析决定水泵启停台数。此种方式通用性强，针对大小冷水机组组合的情况，避免了冷水泵变频工作时相互干扰的问题，最大程度地节省了冷水泵运行能耗。
4.3.1 冷水泵的选择
根据设备设计安装位置、空间及承压，结合设计流量及扬程，决定选用何种类型水泵及其所配机械密封，设计选泵时，水泵设计工作点尽可能在高效区偏右一点区域，以实现水泵在高效区变频运行。实际设计中应选择Q-H曲线陡峭的水泵。
4.3.2 冷水泵的变频控制
空调冷水一次泵变流量系统冷水泵的变频控制原理为：供回水总管末端最不利的末端空调设备根据负荷变化调节电动两通调节阀（风机盘管、空调机组等）的开度，使得系统流量变化，从而引起压差变化，水泵变频器控制器根据此压差调节冷水泵的转速，实现了系统变流量的节能运行。
另外，冷水泵要求每台均配置变频器，同时变频调速，避免一变多定。
4.4 旁通管及旁通控制阀的配置
空调冷水一次泵变流量系统的旁通管上设置旁通控制阀，当负荷侧冷水量小于单台冷水机组的最小流量时，旁通管打开，使冷水机组的最小流量为负荷侧冷水量与旁通管流量之和。
4.4.1 旁通管规格及其设置原则
旁通管的设计流量为系统中制冷量最大冷水机组许可的最小流量。旁通管应尽量安装在冷水机组和冷水泵的附近，这样可减少水路的压降，降低水泵的能耗。
4.4.2 旁通控制阀的选择及控制
空调冷水一次泵变流量系统旁通管上设置旁通控制阀，当负荷侧冷水量小于系统中制冷量最大冷水机组的最小流量时，旁通管打开，使冷水机组的最小流量为负荷侧冷水量与旁通管流量之和，以确保冷水机组冷水流量不低于其最小流量。
旁通控制阀的设计流量必须满足系统中制冷量最大冷水机组的最小流量，并且应具有线性控制特性，即流量与阀门的开度呈线性关系。旁通控制阀的设计选型不能根据旁通管管径确定，而是根据所选阀门的流量系数Kv值计算当旁通控制阀处于最小开度和最大开度情况下其可调比是否满足要求，根据计算出的可调比求出最大流量和最小流量与旁通控制阀在最小开度及最大开度下的流量进行比较，反复验算，直至合格为止。
旁通控制阀可由冷水机组变频控制装置来控制，其控制原则是根据冷水机组蒸发器进出口压差或流量的实测值调节旁通控制阀开度，确保每台冷水机组蒸发器水流量不低于其最小值。
4.5 压差、流量传感器的选择
在空调冷水一次泵变流量系统中，旁通阀控制的信号源由冷水机组蒸发器瞬间流量值或压差的测定值提供，因此压差、流量传感器的安装位置及精准与否对空调冷水一次泵变流量系统相当重要。
在空调冷水一次泵变流量系统的设计中必须选用准确度高和重现性好的压差、流量传感器。一般有两种方案可供选择。
1、在冷水泵组进口集水母管前的回水干管的直管段上，设置准确度不低于±0.5％的电磁流量计，该直管段的长度至少应为15倍管径。流量计应按生产厂商说明书要求安装并且定期标定校正。
2、另外，因电磁流量传感器价格较高，通常也可采用在每的台机组蒸发器两端设置压差传感器，根据机组的压降与流量的关系，计算蒸发器实际流量。该压差传感器的灵敏度不应低于±0.1％，准确度不应低于±0.2％，压差传感器与其变送器应按生厂商说明书要求定期标定校正。此时，需要冷水机组生产厂家提供其蒸发器流量与水压降的关系曲线，并对水系统采取严格的水质控制与过滤措施。
5 结语
随着国家大力提倡建设节约型社会和低碳经济，节能降耗将作为衡量一项工程的重要指标。空调冷水一次泵变流量系统既节省机房面积和降低初投资，同时又减少了水泵的电力需求与全年运行能耗，具有较大的节能潜力，发展前景十分看好。但是，由于其在设备选用上的更高要求和控制技术上的复杂性，使得在设计中采用空调冷水一次泵变流量系统时应根据工程特性进行分析，选用合理的设计形式，合适的设备和控制策略，才能圆满地完成设计工作，使其达到真正节能的目的。