再談一二次系統(tǒng)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、再談一次/二次系統(tǒng)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用意大利卡萊菲公司北京辦事處 舒雪松在前幾期“卡萊菲”專題里，我們已就一次/二次系統(tǒng)的由來、原理以及應(yīng)用方式做了介紹。在本章節(jié)里面我們將進一步介紹中央空調(diào)系統(tǒng)中的一次/二次系統(tǒng)與緩沖罐、動態(tài)流量平衡閥、并聯(lián)機組之間的相互關(guān)聯(lián)及調(diào)節(jié)方式。一、 緩沖罐作為水力分壓器的方式在空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)中，緩沖罐能有助于提供有效的水容積，以滿足任何季節(jié)下系統(tǒng)運行所必需的水量。緩沖罐在系統(tǒng)中有兩種安裝方式：1、 作為水力分壓器的方式：用于形成一次/二次系統(tǒng)。2、 直接安裝在一次系統(tǒng)的供水或回水管路上。前面我們已經(jīng)講到，要把一個系統(tǒng)分為一次/二次系統(tǒng)，必須有一個水力分壓的裝置。圖1

2、是一個典型的緩沖罐作為一次/二次系統(tǒng)水力分壓器的應(yīng)用圖示。圖1中緩沖罐作為水力均壓器使用時，為了保證在一次/二次流量變化的情況下可以正常地合流/分流，需要注意以下幾點：（a） 緩沖罐的高度為直徑的2.5倍以上。（b） 一次/二次系統(tǒng)的接口應(yīng)是水平而不是交叉連接，即：一次系統(tǒng)的供水端對應(yīng)二次系統(tǒng)的供水端，二次系統(tǒng)的回水端對應(yīng)一次系統(tǒng)的回水端。（c） 一次系統(tǒng)的水泵在一次系統(tǒng)的回水側(cè)，二次系統(tǒng)的水泵在二次系統(tǒng)的供水側(cè)。（d） 在夏季制冷運行狀態(tài)下，供水端（一次及二次系統(tǒng)）都應(yīng)在下面，因為冷水的密度更大易于下沉到底部。（e） 在冬季采暖運行狀態(tài)下，供水端則應(yīng)該在水力分壓器的上面，回水端在下面，如圖2

3、所示。（f） 在冬/夏轉(zhuǎn)換的熱泵系統(tǒng)中，最好能設(shè)計一次/二次系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)向。如果接口不易做轉(zhuǎn)向，則應(yīng)該取圖1的夏季運行方式為優(yōu)先。因為在冬季采暖狀況下，由于分層水溫的差值對于供暖造成的影響并不大。而在夏季運行狀態(tài)下，即便是1的溫差也會起到負(fù)面的效果，影響到末端的制冷/除濕能力。在沒有條件安裝豎式的緩沖罐時，可以采用圖3的橫式緩沖罐安裝方式。緩沖罐與集分水器C2的連接管道流速不能高于0.4米/每秒。這種系統(tǒng)適合于熱泵系統(tǒng)，因為它相對于前面的系統(tǒng)，減少了換季后的分層水溫差值問題。圖1需要避免的是一次/二次系統(tǒng)選用相同的水泵。在這種情況下，一次/二次流量相等，水力分壓器內(nèi)部流量為零，也就是沒有水流在

4、緩沖罐內(nèi)循環(huán)。這樣，緩沖罐內(nèi)儲存的水量不能起到防止系統(tǒng)滯后的作用。圖2二、 緩沖罐安裝在供水/回水管道上的方式圖3緩沖罐可以安裝在供水或者回水管道上。這時，系統(tǒng)還需要一個水力分壓器來實現(xiàn)一次/二次系統(tǒng)。如圖4、5標(biāo)示，緩沖罐分別安裝在一次/二次系統(tǒng)的一次供水或回水端。將緩沖罐安裝在供水或回水上無太大區(qū)別。對于兩種方式均有不同的支持者。支持緩沖罐放在供水側(cè)的有兩個說法：一，在二次系統(tǒng)負(fù)荷超過一次系統(tǒng)時，或者是在冷水機組停止運行時，緩沖罐能保證系統(tǒng)正常的運行。這種說法未免天真：因為要起到以上功能，尤其是在冰水或冰蓄冷系統(tǒng)中（制冷時），需要的儲水箱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起到緩沖作用的緩沖罐。這種情況下通常用類似于

5、消防水箱的儲水設(shè)備進行冰蓄冷，解決用電高峰時期的制冷問題。而緩沖罐如果運用在這種方式下，其能夠起到的制冷作用也僅幾分鐘而已。二，在空氣型冷水熱泵機組的除霜狀態(tài)時，緩沖罐在供水側(cè)的使用能優(yōu)化系統(tǒng)。在機組進行除霜時，緩沖罐用其儲存的水提供正確的供水溫度。如果這個說法成立的話，那不可避免的是，緩沖罐里的水溫也會逐漸改變，會被除霜的冷卻溫度降低。它只是把降溫的問題延遲了一些而已。支持將緩沖罐放在回水側(cè)的說法同樣是對于除霜狀態(tài)，他們認(rèn)為，緩沖罐更高的水溫回到冷水機組里更易于除霜這個復(fù)雜的環(huán)節(jié)，而且，在供暖剛開始時，經(jīng)過未端的回水還沒有完全冷卻下來。圖5圖4兩種方式都有其道理和值得借鑒的地方。三、 冷水機

6、組與末端在同一個循環(huán)系統(tǒng)里的探討把冷水機組與末端同時放在一個循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，即：同一個（或同一組）水泵既負(fù)責(zé)冷水機組也負(fù)責(zé)末端的循環(huán)。這種方式有很多潛在的問題，以下我們將來研究這些問題以及提供一些為已經(jīng)運行的此類系統(tǒng)的解決方案。圖6是一個典型的單循環(huán)系統(tǒng)，它可能是由一個水泵負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的循環(huán)，或者由2臺泵分別安裝在兩個并聯(lián)的冷水機組前面。在本圖這種情況中，兩臺水泵都必須始終運行。一旦一個水泵停機，運行中的蒸發(fā)器會因為瞬時流量的變化受到損壞。因此需要采取必要的措施以防此類故障發(fā)生。圖6在末端設(shè)備開關(guān)時系統(tǒng)流量會發(fā)生變化。因此在使用三通調(diào)節(jié)閥的旁通回路上需要安裝平衡閥用于補償末端關(guān)閉時相應(yīng)的壓力損失。

7、如果旁通回路流量平衡不佳，冷水機組的流量則會經(jīng)常變化，因此會造成其工作不正常。保證冷水機組正常流量的解決方案是在每臺機組水泵的吸入端安裝動態(tài)流量平衡閥。這樣，流經(jīng)每臺冷水機組的流量都與設(shè)定流量相符。在末端設(shè)備使用二通調(diào)節(jié)閥的變流量系統(tǒng)內(nèi)，如圖7所示，則需要在供回水主管之間安裝壓差調(diào)節(jié)器，用于控制冷水機組供回水的壓差始終穩(wěn)定。圖 7壓差調(diào)節(jié)器（以下簡稱VS）控制AA1點之間的壓差，保證冷水機組的流量恒定。當(dāng)末端的兩通閥關(guān)閉時，A與A1點之間的壓差上升，VS打開，將冷水機組的供水旁通回到冷水機組。如果沒有壓差調(diào)節(jié)器，經(jīng)過冷水機組的流量就會隨末端的開關(guān)而改變。在這種圖示里，同樣需要避免的是一臺冷水機

8、組關(guān)閉及其相應(yīng)的水泵停機。它的問題在于，水泵和壓差調(diào)節(jié)器的開關(guān)速度不一致：水泵停機是瞬時的，而壓差調(diào)節(jié)器的開關(guān)時間較長，通常從30秒到2分鐘。我們將從圖8中更深入了解這一問題。當(dāng)兩臺水泵都開啟時，壓差調(diào)節(jié)器處于x%的開啟程度（取決于末端兩通閥的狀態(tài)），這時系統(tǒng)的工作點為A2點（兩臺水泵運行的揚程曲線與機組水流特征曲線的交叉點）。這是系統(tǒng)的設(shè)計工作點。單臺機組與單臺水泵的工作點為A1。當(dāng)一臺機組和水泵關(guān)閉后，系統(tǒng)特征馬上產(chǎn)生變化。VS的開度在這時仍為x%，而系統(tǒng)的一部分流量，即關(guān)閉的機組和水泵那部分沒有了。這時工作點會從A2轉(zhuǎn)到B1，這時，單臺運行的機組流量達到140%，VS感應(yīng)到壓差的變化，才

9、開始逐漸關(guān)閉，開度由x%轉(zhuǎn)變到y(tǒng)%，將流量向A1點恢復(fù)，但是這需要30秒到2分鐘的時間；然而水泵停機的效應(yīng)是即時的，因此從A2工作點到設(shè)計的單臺機組工作點A1，需要經(jīng)過流量過載的B1點。圖8單機運行，VS開度x%雙機運行，VS開度y%單機運行，VS開度y%揚程雙機運行，VS開度x%雙臺水泵曲線單臺水泵曲線流量更嚴(yán)重的問題是，但機組和水泵重新啟動時，系統(tǒng)的特征又會發(fā)生變化。當(dāng)水泵啟動時，VS開度仍然為y%，它與兩臺水泵同時工作的揚程曲線交叉點為C2。由于VS開度仍為y%，因此流量上升有限，所以在瞬時開啟時，正在A1點工作的單臺機組轉(zhuǎn)入C1點工作，流量由100%下降到55%。這種流量的下降對于機組

10、的正常運行非常有害，因為它會造成部分液體回流到壓縮機。VS感應(yīng)壓差變化后，才逐漸從y%的開度改變到x%的開度，因此從C2點轉(zhuǎn)移到A2點工作，對于每臺機組則是從C1回到A1工作點。但是這個過程較為緩慢。這種狀況的往返出現(xiàn)會迅速地造成機組壓縮機損壞，甚至在過流時造成蒸發(fā)器的損壞。四、 冷水機組循環(huán)與末端循環(huán)系統(tǒng)的水力分壓方式將冷水機組的循環(huán)與末端的循環(huán)相對獨立起來，其最重要的部分就是一次/二次系統(tǒng)的橋梁：水力分壓器。圖9-11分別表示了水力分壓器在一次/二次流量變化時的均壓工作狀態(tài)。圖 9 一次=二次流量 圖 10 一次>二次流量 圖 11 一次<二次流量它相對于傳統(tǒng)的循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，即

11、上面所講到的系統(tǒng)，有以下的優(yōu)點：1，一次系統(tǒng)，即機組循環(huán)系統(tǒng)流量恒定，不受末端流量變化的影響。2，由于二次系統(tǒng)有其各自環(huán)路的循環(huán)泵，因此一次循環(huán)系統(tǒng)的水泵只用提供水力分壓器之前的一次循環(huán)的揚程，這樣，一個功率較小的水泵就可以，因此能節(jié)省很大的能耗。同樣, 相對于二次系統(tǒng)的循環(huán)也是一個道理。3， 傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，一味地依靠手動或者自動流量平衡閥進行流量的調(diào)節(jié)，不僅增大系統(tǒng)的初投資，而且更加增大了水泵的能耗，因為平衡閥制造更大的壓力損失用于平衡關(guān)閉的環(huán)路。4，多種制冷方式的選擇：隨著地板制冷、結(jié)構(gòu)制冷等新型制冷方式的使用，系統(tǒng)要求的水溫不再是單一的水溫：比如地板制冷系統(tǒng)的供水溫度在14-18左右，而

12、不是傳統(tǒng)的風(fēng)機盤管的7；同樣對于空氣處理機組的供水溫度要求也更高一些。這些不同的供水溫度需要相應(yīng)的溫度混合系統(tǒng)，而每個混合系統(tǒng)都必須配備自身循環(huán)泵。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中則很難實現(xiàn)多種并存的制冷方式。圖12是一個典型的多種制冷方式并存的一次/二次系統(tǒng)：在每個水力分壓器的回水端使用了動態(tài)流量平衡閥用于平衡每個區(qū)域的流量；在每個區(qū)域內(nèi)部有2-3種不同的水溫以滿足不同的制冷需求。圖12 多種制冷方式并存的一次/二次系統(tǒng)五、 并聯(lián)機組在一次/二次系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)方式 在一次/二次系統(tǒng)中，對于并聯(lián)的冷水機組有以下兩種調(diào)節(jié)方式：1、 對稱式調(diào)節(jié)（方式1）：兩臺并聯(lián)的機組按相同負(fù)荷調(diào)節(jié)。2、 飽和狀態(tài)調(diào)節(jié)（方式2）：先

13、調(diào)節(jié)一臺機組的負(fù)荷直到其完全停機，然后再調(diào)節(jié)第二臺機組的負(fù)荷。接下來我們就簡稱其為方式1和方式2。這兩種方式的本質(zhì)區(qū)別在于溫度的變化情況。其原理圖都一樣，一次系統(tǒng)的兩臺機組并聯(lián)安裝，每臺機組自帶水泵，一次/二次系統(tǒng)通過水力分壓器分開，二次系統(tǒng)具備自己的循環(huán)泵。首先我們來分析一次流量等于二次流量的情況，即二次系統(tǒng)水泵P2的流量等于一次系統(tǒng)水泵P1A和P1B的流量總和。這種情況下，水力分壓器內(nèi)部流量為零。在系統(tǒng)100%負(fù)荷運行時，二次系統(tǒng)溫差為設(shè)計的5，這與機組系統(tǒng)的溫差相等。這時兩種調(diào)節(jié)方式是一樣的。這兩種方式的區(qū)別開始于系統(tǒng)負(fù)荷減小時，如圖13中所示，當(dāng)負(fù)荷減少到75%時，由于負(fù)荷減少，系統(tǒng)溫

14、差也相應(yīng)減少1/4（從5減到3.7），一次系統(tǒng)及二次系統(tǒng)的流量在兩種調(diào)節(jié)方式下均沒有改變，水力分壓器內(nèi)部流量仍然為零。因此機組的回水溫度與系統(tǒng)回水溫度相等，均為10.7。調(diào)節(jié)方式1將兩臺機組的運行負(fù)荷降到75%，根據(jù)每臺機組的特征及出水溫度相同的設(shè)定（7），整個系統(tǒng)的效率與單個機組部份負(fù)荷運行的效率相等。調(diào)節(jié)方式2中的一臺機組按100%的負(fù)荷運行，出水溫度為5.7（5的溫差），另一臺機組則按50%的負(fù)荷運行，出水溫度為8.2（2.5的溫差）；兩臺機組的出水平均溫度，即二次系統(tǒng)供水溫度仍然相當(dāng)于設(shè)定的7。第一臺機組提供67%的冷量，第二臺機組提供33%的冷量，因此整個系統(tǒng)的效率大致等于每臺機組E

15、ER的平均值（系統(tǒng)的EER等于第一臺機組的EER的0.67倍，加上第二臺機組的EER的0.33倍）。兩種方式的區(qū)別在系統(tǒng)負(fù)荷減少到50%時更為顯著，如圖14所示。系統(tǒng)的溫差也在這時相應(yīng)地從5減到了2.5，系統(tǒng)回水溫度變?yōu)?.5。調(diào)節(jié)方式1將兩臺運行中的機組負(fù)荷下降到50%。一次系統(tǒng)流量仍然等于二交系統(tǒng)流量，水力分壓器中流量為零，系統(tǒng)回水溫度與機組回水溫度相同，均為9.5，出水溫度7。系統(tǒng)整個的效率與單臺機組的運行效率相等。水力分壓器流量為零水力分壓器流量為零水力分壓器流量為零方式1方式2方式1圖13水力分壓器內(nèi)部二次回與一次供合流方式2圖14調(diào)節(jié)方式2則不一樣，一臺機組這時完全停機，P1b水泵

16、也相應(yīng)停機，第二臺機組仍按100%的負(fù)荷運行。這時，二次系統(tǒng)流量大于一次系統(tǒng)流量（準(zhǔn)確說是2倍）。這時水力分壓器內(nèi)部出現(xiàn)合流，即一部份系統(tǒng)回水與機組供水混合供應(yīng)到系統(tǒng)。當(dāng)二次流量大于一次流量時，系統(tǒng)的回水溫度等于機組回水溫度9.5，因為機組全負(fù)荷運行，所以供水溫度為4.5，溫差為5，由于二次回水與機組供水在水力分壓器內(nèi)部混合，所以系統(tǒng)供水溫度仍然可以維持在設(shè)定溫度7。系統(tǒng)的整個效率與運行中機組的效率相等。這兒需要強調(diào)的是，在機組2停機時，即使打開水泵P1b也無任何區(qū)別。因為系統(tǒng)供水的溫度在水力分壓器內(nèi)部得到了混合。因此開啟水泵P1b只是無謂的耗能。在系統(tǒng)負(fù)荷下降到25%的情況下，溫差由設(shè)計的5

17、下降到1.2，回水溫度變?yōu)?.2。調(diào)節(jié)方式1下，兩臺機組的負(fù)荷下降到25%，一次流量仍然等于二次流量，系統(tǒng)回水溫度等于8.2，出水溫度7。整個系統(tǒng)的效率與每臺機組部份負(fù)荷運行效率相等。調(diào)節(jié)方式2下，一臺機組停機，另一臺以50%的負(fù)荷工作。這時，二次流量大于一次流量（雙倍），機組回水溫度與二次系統(tǒng)回水溫度相等，為8.2，出水溫度為5.7（溫差為5的50%即2.5）。在水力分壓器內(nèi)部，一次供水與二次回水相混合分為設(shè)定的7，系統(tǒng)整個的效率與單臺運行的效率相等。綜上所述，調(diào)節(jié)方式1和之間的本質(zhì)區(qū)別在于：1、 方式2注重機組全負(fù)荷運行，方式1注重部份負(fù)荷運行。2、 方式2更節(jié)省水泵電耗，因為它將停運機組

18、的水泵關(guān)閉。3、 但是方式2由于將負(fù)荷降低，出水溫度低于方式1，所以效率更低。方式1和方式2有各自的特點，它主要視其后面一次/二次系統(tǒng)而定，所以對于哪種方式更為合理并無明確的界定。六、一次/二次系統(tǒng)中并聯(lián)機組的監(jiān)控系統(tǒng)重要性這兒我們將重點強調(diào)一下調(diào)節(jié)方式1和2的監(jiān)控系統(tǒng)。調(diào)節(jié)方式1對于監(jiān)控系統(tǒng)無特殊的要求。因為每臺機組的出水溫度均為設(shè)定值，所以只需對出水溫度進行檢測，其它的微處理器做相應(yīng)調(diào)節(jié)就可以。唯一需要指出的是，鑒于不同的溫度傳感器讀值偏差，因此建議在水力分壓器進水端設(shè)置一個溫度傳感器進行控制。調(diào)節(jié)方式2對于監(jiān)控系統(tǒng)則有更嚴(yán)格的要求：因為每臺機組的出水溫度根據(jù)其運行機組的數(shù)量變化而改變。為

19、了更好說明這個問題，我們參考圖16。當(dāng)一臺機組關(guān)閉時，另一臺需要出水溫度4.5，這種情況下，則需要進行調(diào)節(jié)，要不運行的機組仍按設(shè)定的7出水機組負(fù)荷則會降低，會造成提供系統(tǒng)冷量不夠。這種調(diào)節(jié)必需有一套監(jiān)控系統(tǒng)，而不能使用通常的外部溫控器來開停機組，因為它們會帶來致命的錯誤。常犯的錯誤就是將溫控器安裝在回水管道上，當(dāng)回水溫度低于一個設(shè)定值，比如9.5時，就停止一臺機組，因為其邏輯是，溫差為設(shè)定值5的一半，因此相當(dāng)于負(fù)荷減到50%。致命的錯誤：運行中的機組將出水溫度維持在7，而在9.5回水時它有可能已經(jīng)部份負(fù)荷運行。系統(tǒng)要求50%負(fù)荷，而這時機組卻只能提供25%的負(fù)荷，因為一臺機組關(guān)機，另外一臺按5