一次泵冷水變流量的系統(tǒng)設(shè)計及控制策略.doc

一次泵冷水變流量系統(tǒng)設(shè)計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)省制冷機房占地面積和降低運行費用等優(yōu)點。本文闡述了一次泵變流量系統(tǒng)在工程應(yīng)用時在設(shè)計上應(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)計控制策略0引言隨著經(jīng)濟的發(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%?？照{(diào)系統(tǒng)年能耗中冷水機組的能耗約占33%，水泵能耗約占22%，冷卻塔能耗約占2%，風(fēng)機能耗約占43%，盡管水泵功率較小，但水泵能耗卻占到制冷機房能耗的2/31?？梢?，如果水系統(tǒng)采用節(jié)能技術(shù)，具有很大的節(jié)能空間?？照{(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。目前離心機蒸發(fā)器最小冷水流量可降到設(shè)計流量的30%左右2，螺桿機蒸發(fā)器最小冷水流量可降到設(shè)計流量的40%左右3，蒸發(fā)器最小允許水流量與冷水機組品牌有關(guān)，在工程應(yīng)用中須向產(chǎn)品制造廠家進行詳細(xì)咨詢。在一定范圍內(nèi)改變蒸發(fā)器水流量，不會對冷水機組的效率及穩(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，在實際應(yīng)用中應(yīng)如何進行系統(tǒng)設(shè)計，怎樣進行系統(tǒng)控制，是暖通設(shè)計師值得關(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)運行。這種系統(tǒng)型式有時會在旁通管上設(shè)一個止回閥，以防止回水通過旁通管回流到供水端與冷水機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，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、運行時間不同，要求分別管理等情況的需要；把一個系統(tǒng)的泵送壓頭分成兩部分，當(dāng)滿負(fù)荷時一次泵二次泵串聯(lián)運行，而在部分負(fù)荷時為旁通分流系統(tǒng)，節(jié)省冷水輸送能量的需要；在超高層建筑中采用二級泵結(jié)合板式換熱器，實現(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，以保持流過冷水機組蒸發(fā)器水流量不變。當(dāng)負(fù)荷增大時，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行，節(jié)能效果很有限。另外對于復(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)試后才能確定一個合理的值，而且這個設(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)運行管理帶來較大的麻煩，有些工程由于缺少有經(jīng)驗的系統(tǒng)調(diào)試人員，只好由運行管理人員隨意設(shè)定一個數(shù)值，節(jié)能效果就可想而知了。圖3一次泵變流量系統(tǒng)隨著冷水機組控制技術(shù)的發(fā)展，冷水機組的控制已由電子控制取代了機械、氣動控制，控制系統(tǒng)能夠?qū)ω?fù)荷變化做出及時的響應(yīng)，使得冷水機組在蒸發(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、水泵是否變速運行、冷水機組的出水管上是否設(shè)置電動隔離閥（圖2所示的系統(tǒng)在自動控制時也會設(shè)電動閥，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組的最小允許水量來設(shè)計的，而圖2所示系統(tǒng)的旁通管是按旁通一臺冷水機組的流量來設(shè)計的，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（也可通過檢測蒸發(fā)器水側(cè)壓差來測量流經(jīng)蒸發(fā)器的水流量，文獻7的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)器水側(cè)流量變化時，水側(cè)阻力與水流量的1.8次方成正比，實際應(yīng)用時可向冷水機組生產(chǎn)廠家咨詢蒸發(fā)器水側(cè)阻力與水流量的關(guān)系）檢測冷水機組進水干管的水流量，當(dāng)最大冷水機組蒸發(fā)器冷水流量達到最小允許流量時，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，旁通閥開度減小，壓差增大時，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。2一次泵冷水變流量系統(tǒng)設(shè)計一次泵冷水變流量系統(tǒng)具有初投資小，節(jié)省制冷機房占地面積和降低運行費用的優(yōu)點，但也有機組啟?？刂?、旁通閥最小流量控制較復(fù)雜，機組啟停時會造成供水溫度波動的缺點。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)計水系統(tǒng)是十分重要的。在機組選型時，在滿足負(fù)荷調(diào)節(jié)需要的前提下，盡可能選用規(guī)格型號一樣的水冷螺桿式或離心式冷水機組，便于系統(tǒng)控制和各機組能夠均衡出力。在不降低機組能效比的情況下，蒸發(fā)器允許的最小冷水流量盡可能低，最好能達到設(shè)計流量的40%-60%，這樣一方面可以擴大流量的變化范圍，提高節(jié)能潛力，另一方面可以增強機組在啟停時對流量波動的適用性。一次泵變流量系統(tǒng)的機組啟停時會產(chǎn)生較大的水流波動，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)加載的冷機組隔離閥打開時，系統(tǒng)流量不會馬上增加，要從正在運行的機組中分流出一部分流量，如果正在運行的機組蒸發(fā)器水流量由于分流作用而降到允許的水流量以下，就會造成機組保護性停機?？赡墚a(chǎn)生的最大水流波動如表1所示。表1加載機組時運行機組的蒸發(fā)器水流變化情況除了以上需要考慮的因素外，還要了解制冷機組蒸發(fā)器冷水流量的變化率，這對機組冷水供水溫度的穩(wěn)定性及機組運行穩(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)，這與制冷機組的類型、控制及水在系統(tǒng)內(nèi)周轉(zhuǎn)時間有關(guān)8。水泵與冷水機組的聯(lián)接有水泵與冷水機組串聯(lián)“一機對一泵”的布置型式和水泵通過集管并聯(lián)以后再與冷水機組聯(lián)接的互為備用的布置型式（如圖3）。對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行時，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)計流量的50%時，盤管還能提供盤管額定冷量的75%。因此可知，冷水機組的運行臺數(shù)與水流量之間沒有對應(yīng)關(guān)系。采用圖3所示的水泵與冷水機組的聯(lián)接方式，可以實現(xiàn)在開一臺冷水機組時，開二臺水泵的運行方式，有助于解決在部分負(fù)荷時的“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組允許的最小水流量來設(shè)計。旁通閥的選擇要考慮工作壓力有較大范圍的變化時的調(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)性能也會有所改善。通過檢測冷水機組蒸發(fā)器水流量來控制旁通閥的開度，流量計可以如圖3所示那樣設(shè)在冷水機組的進水干管上，也可以在每臺冷水機組的蒸發(fā)器水側(cè)進出口設(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，可以確定每一臺冷水機組的冷水流量，這可給控制帶來更多的靈活性，同時也節(jié)省了初投資。一次泵變流量系統(tǒng)每臺冷水機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組聯(lián)接型式時，當(dāng)冷水機組停止運行時，隔離閥可以起到切斷水流通路的作用（這和以往在冷水機組水側(cè)管路加裝電動閥的作用是一致的），在一次泵變流量系統(tǒng)中隔離閥還有更重要的作用，即在加載機組時緩慢（約23分鐘）開啟隔離閥減小水流波動對正在運行機組的影響。為了實現(xiàn)這個目的，要選擇開啟時間長的電動隔離閥。變流量系統(tǒng)末端盤管調(diào)節(jié)閥在使用時壓差和流量均發(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，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)濟性以及運行能耗綜合考慮，確定閥權(quán)度S（一般取0.10.310），計算閥門在Qmax時的工作壓差，然后再求出Qmax時的流量系數(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)的驗算，驗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)定溫度對末端盤管水側(cè)流量調(diào)節(jié)、根據(jù)冷水機組最小允許流量對旁通閥進行流量調(diào)節(jié)、根據(jù)最不利環(huán)路末端供水壓力的設(shè)定值對一次泵進行工作水泵臺數(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組的運行臺數(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組蒸發(fā)器水流量高于最小允許流量以上運行，旁通閥是常閉的，當(dāng)流量計檢測到冷水機組蒸發(fā)器水流量低于最小允許流量時才打開，旁通閥的開啟速度要慢，否則會影響一冷泵流量的控制。一次泵是通過檢測最不利環(huán)路末端供水壓力來確定水泵運行臺數(shù)及流量調(diào)節(jié)，當(dāng)多臺水泵并聯(lián)運行時，最好所有水泵均采用變速調(diào)節(jié)，全變速運行效率要比混合運行效率高且控制簡單。水泵流量調(diào)節(jié)速度不宜過快，否則會影響冷水機組的出溫度的穩(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)速率作為初始值進行系統(tǒng)調(diào)試1。當(dāng)系統(tǒng)供回水溫差未達到設(shè)計值時，往往會出現(xiàn)冷水機組蒸發(fā)器水流量已達到額定值，但其制冷量卻還未達到滿負(fù)荷，這時可不按一機對一泵運行，而是再開啟一臺冷水泵，可使制冷機組制冷量繼續(xù)增加，甚至超過額定制冷量，解決“小溫差，大流量”問題，避免要再開啟一臺冷水機組和相應(yīng)的冷卻泵及冷卻塔才能滿足供冷需求、造成能量浪費的問題。但冷水機組在過流量運行時，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算系統(tǒng)所需冷量，然后與正在運行的冷水機組的額定制冷量（在實際控制中，可根據(jù)冷水機組的性能、冷水出水溫度及冷卻水進水溫度確定冷水機組實際可能的最大制冷量）進行比較，同時考慮冷水出水溫度是否超過設(shè)定值，來確定冷水機組的加載或停機。當(dāng)確定需要加載冷水機組時，為了避免加載時由于水流波