一次泵变流量系统设计应用实例_余卓滨
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YU Zhuo-bin, WANG Ge-bing Shenzhen Branch, Arup International Consultants (Shanghai) Co., Ltd.
Abst r act : This mixed project consists of office, retail, and apartment. Variable-Primary-Flow (VPF) system was provided to the project. Different cooling capacity chillers were mixed in one VPF system and different pressure points setting was presented. Finally, chilled water scheme and VPF control system was introduced. Keywor ds: variable-primary-flow (VPF), chilled water system, VWV control
2 空调水系统介绍
经过详细的冷负荷计算，本项目中央空调系统总 冷负荷为 24620 kW（合计 7000 冷吨）。经多方面考虑 和比较后定下以下设计方案：制冷机房设置在地下四 层处，采用 3 台 7034 kW（2000 冷吨）高压离心式制冷 机和 1 台 3517 kW（1000 冷吨）低压离心式制冷机为 本项目提供 6/11℃冷冻水。高压制冷机均使用 10 kV 高压电源供电。冷却水循环泵采用 4 台流量为 1612 m3/h 的卧式双吸泵（三用一备）和 2 台流量为 809 m3/h 的卧式双吸泵（一用一备）和制冷机大小一一 对应运行；冷冻水系统由于采用一次泵变流量系统， 冷冻水循环泵无须和制冷机一一匹配，考虑到互为备 用的原则采用 4 台流量为 1331 m3/h 的卧式变频双吸 泵。制冷机房同时设计了 2 台板式换热器供冬季冷却 水和冷冻水进行热交换，供应内区等须常年供冷区域 使用。冷冻水系统分为冷热水和常年供冷两个系统设 置，冷热水系统冬季接换热站 60/50℃热水供冬季采 暖使用（见图 1）。
冷冻水泵以末端压差信号作为加卸载和加减机 的依据：末端压差信号大于上限值并保持 5 分钟后增 加水泵变频器频率，如水泵变频器频率已达到 100 % 则开启下一台水泵；末端压差信号小于下限值并保持 5 分钟后减低水泵变频器频率，如水泵变频器频率已 达到 30%则关闭一台水泵。为确保水泵马达的正常散 热，水泵转速不应低于正常标准值的 30%，同时水泵 转速低于 30%后，变频器效率和水泵效率均明显下 降，低转速带来的能源节省已被更低的水泵效率所带 来的能耗所抵消，在空调实际应用过程中，水泵转速低 于 30%标准值是毫无意义的，故水泵变频控制器应设 定频率变化下限[1~2]。
0 引言
随着我国经济的高速发展和人民对生活水平要 求的不断提高，在可持续发展的长期建设方针指导 下，越来越多的新技术也开始应用到工程实例中。近 几年来随着自控技术和制冷机组性能的发展，一次泵 变流量系统也作为一项很有潜力的空调水系统节能 技术逐步应用到空调冷冻水系统设计中。
一次泵变流量系统是指整个水环路的流量随末 端的实际需求发生变化的系统，区别于传统的一次泵 定流量系统（水环路的流量由制冷机和水泵开启数决 定）和一次泵定流量/二次泵变流量系统（仅末端水路 的流量变化，制冷机侧水流量仍然保持不变），一次泵 变流量系统中通过制冷机侧的水流量将完全随末端 实际需求变化而改变。相对于一次泵定流量系统而 言，水泵通过变频把流量降低比仅用台数控制有更多 的灵活性和更大的控制范围，当空调系统工作在部分 负荷时节能效果尤其明显；相对一次泵定流量/二次泵
摘 要：本项目是集办公、商业、及住宅为一体的综合性发展项目，中央空调冷冻水系统采用一次泵变流量形式， 本文主要分析介绍冷水机组大小机搭配的处理方法和系统压力监控点的选择。并介绍该工程的空调冷冻水系统 设计、以及变流量系统的控制逻辑设计。 关键词：一次泵变流量 空调水系统 变流量控制
Chilled Water System Design on Variable-Primary-Flow System
3 一次泵变流量系统控制介绍
一次泵变流量系统的做法是将冷冻水泵呈并联 与母管连接，母管与制冷机配接，冷冻水泵与制冷机在 控制方面不呈一一对应关系，制冷机启停数量由用户 端空调总负荷决定，而冷冻水泵启停数量的控制完全 脱离冷冻机，根据用户端压差变化并同时结合水泵效 率及变频器效率分析决定水泵启停台数。
办公楼部分的定压差点设在二十四层板式换热 器进出口处，由于此设备负责办公楼二十四层以上部 分的供冷，基本不存在设备不使用的情况，此定压差控 制点将设定为工作时间时段的冷冻水泵变频控制的 依据。由于板式换热器负担办公楼约三分之二的负荷， 流量波动基本可反映出办公楼冷负荷变化，以其作为 定压差点可以在保证制冷效果的前提下取得相当的 节能效果。需要特别注意的是：由于冷冻水系统是变 流量的，板式换热器水流量控制不可采用常用的三通 阀形式，应改用二通阀形式控制。
对整个项目进行分析和研究，总结出本项目有以
收稿日期：2008-7-10 作者简介：余卓滨（1979~），男，本科，工程师；广东省深圳市福田区民田路 88 号中心商务大厦 18 楼奥雅纳工程咨询公司（518026）；
0755-82031516；E-mail：Zhuo-bin.yu@
·80·
首先是制冷机和冷冻水系统的启停必须按照设
第 28 卷第 1 期
余卓滨等：一次泵变流量系统设计应用实例
·81·
定的顺序运行：当任何一台制冷机组需投入服务时， 首先设在该制冷机冷却出水管电动开关阀、冷却水塔 阀门、冷却水塔及冷却水泵组的其中一台水泵相继开 启；当装设在冷却管道上的水流感应器感应到水流经 冷凝器后，设在该制冷机冷却出水管电动开关阀及冷 却水泵组中对应的一台水泵亦相继开启；当装设在冷 冻管道上的水流感应器感应到水流经蒸发器确立后， 制冷机组才可正式启动工作。制冷机组需关闭时，按 照相反的次序执行。
大小机搭配在一次泵变流量系统中没有得到广 泛的应用，因为大小机搭配使用后，大机加减机时水量 的波动对小机的干扰可能会超出小机承受范围，这对 一次泵变流量系统的运行控制提出了更高的要求。
在本项目选用一次泵变流量系统和制冷机组大 小机搭配后，在系统的控制上难点是如何解决这些并 联冷水机组的顺序启停问题，而其最大流量，最小流 量，制冷机组的实际运行电流和额定运行电流之比 （ΣRLA％）设定值又是这些顺序启停的关键。因此，一 次泵变流量系统的正常运行必定需要依赖预先编好 的控制程序来执行。
其次是制冷机的加卸载和加减机控制。制冷机加 卸载仍由各机的供水温度控制，当供水温度超过预设 值并保持一段时间后，制冷机自动加载到上一级负 荷，反之则自动减载到下一级负荷。制冷机的加减机 控制由整个机房制冷机组的实际运行电流和额定运 行电流之比（ΣRLA％）作为指标进行控制，预先设定 两个控制值，当 ΣRLA％大于控制值一并保持一定时 间后，系统按照设定的顺序加机；当 ΣRLA％除以运行 制冷机数量减一得到的值小于控制值二并保持一定 时间后，系统按照设定的顺序减机。具体可以参考冷 水机组加减机 2 冷水机组加减机原理图
每次开启系统时，首先启动较小的 3517 kW 制冷 机，这是为了减小在低冷负荷时制冷机在低于 50 %负 载的低效区运行的机会；冷负荷逐步增加到小制冷机 负载能力的 95%（表现为 ΣRLA％>95%）并保持 15 分 钟后启动第一台 7034 kW 制冷机并关闭小制冷机，避 免小制冷机蒸发器水流量被大制冷机分流超过三分 之二而保护停机，其后如果末端冷负荷继续上升，第 二台和第三台大制冷机将会相继运行，而小制冷机会
变流量系统来说，除了有更好的节能效果外一次泵变 流量系统减少了一组水泵和相应的配件，降低了设备 初投资费用的同时也减少了对冷冻机房的空间要求。
本文以近期完成的一个项目作为工程实例，全面 介绍和分析一次泵变流量系统在实际应用中产生的 一些问题和解决方案。
1 项目简介
本项目地处天津市，是集办公、商业及公寓为一体 的综合性发展项目。项目总建筑面积约 31 万 m2，由四 栋塔楼组成，其中塔楼一用作办公用途，共 53 层，另外 三栋塔楼为公寓。每栋塔楼各有 6 层裙楼，主要为商业 用途。地下层共 4 层，用作车库、设备房间及商业用途。 其中中央空调服务面积约占 14 万 m2，包括了商业和 办公楼部分。项目地面以上建筑高度超过 240 m，冷冻 水系统需要采用换热器进行换热对高区供冷。
办公部分竖向、水平管路也采用异程式，各主要支 路上均设置静态平衡阀进行调节，并设有电动阀供物 业管理部门统一管理开放时间。办公部分采用风机盘 管加处理新风的形式进行空气处理，同时采用带热回 收功能的新风机组对办公楼排风进行热回收，降低新 风能耗。办公楼中间换热机房设置于 24 层避难层，二 次水的进出水温分别为 12/7℃。热回收新风机分别设 置于八层、二十四层、三十九层及屋顶层。
在最后的运行行列中。减机的顺序则刚好相反：当冷 负荷逐步减少至可以少运行一台制冷机也可满足冷 负荷要求（表现为 ΣRLA％/运行机组数量减一 >90%） 并保持 15 分钟后按照设定顺序关闭一台制冷机，直到 最后一台大制冷机时会切换成小制冷机。
在室外温度较低的晚上或冬季，项目的冷负荷有 机会下降到 1760 kW 以下，此时如果冷冻水流量继续 下降会突破小制冷机最低流量的限制而导致制冷机 保护停机。在供回水干管上设置一根带电动调节阀门 的旁通管，由连接制冷机供回水管的压差感应器控制， 当末端用水量低于制冷机最低流量限制时开启旁通 管上的电动调节阀门保证制冷机侧的流量。
第 28 卷第 1 期 2009 年 2 月
文章编号：1003-0344（2009）01-079-4
建筑热能通风空调 Building Energy & Environment
Vol.28 No.1 Feb. 2009.79~81
一次泵变流量系统设计应用实例
余卓滨 王戈兵
奥雅纳工程咨询（上海）公司深圳分公司
在本项目中，有部分区域会提供 24 小时的冷冻水 供应，包括办公楼的服务器机房和加班用水、商业部分 电影院用水等，经计算这部分冷负荷大概在 1760 kW 左右。同时考虑到目前离心式制冷机在负载小于 50% 时效率会有明显下降，所以冷源选用了一台 3517 kW 的离心式制冷机和三台 7034 kW 的离心式制冷机搭 配使用，保证在低冷负荷时段制冷机运行的可靠性和 高能效比。
分水器后冷冻水系统分为供办公和供商业两部
图 1 制冷机房系统图
分。商业部分竖向、水平管路均采用异程式，各主要支 路上均设置静态平衡阀进行调节，由于商业部分主要 用于分隔出租，各部分末端用冷量可能会发生变化，同 时在各层回水支路上设置压差动态平衡阀进行调节； 空间较大部分采用组合式风柜进行空气处理，用于分 隔出租部分采用风机盘管加处理新风的形式进行空 气处理。
在理想的冷冻水系统中，要求在系统运行过程中 每个末端都要达到实际需要的水流量，并且在局部一 些末端调整水流量时对其他末端不会造成干扰，同时 还要减少输配设备的能耗。为做到这点，首先在水系 统各个主要的支路上设置静态平衡阀，以便在调试阶 段减少工作量，系统可以达到初步的平衡状态，其次 是在水系统中选择合理的位置作为定压差点[3]。
建筑热能通风空调
2009 年
下几个特点： 1）项目规模大，运行时间长，节能潜力也大；同时
项目规模大可使系统的热稳定性较好，不会因为局部 的负荷变化造成冷冻水温度有较大的波动；
2）建筑类型为商业和办公，这两类型建筑空调开 放时间不同，运行时间虽长，但系统大部分时间是运 行在部分负荷阶段；
3）本项目为舒适性空调，可承受水温微幅波动。 通过以上分析，本项目使用一次泵变流量系统有 较大的节能效果，符合可持续发展的长期建设方针， 设备的初投资费用和制冷机房空间要求也较低，遂采 用一次泵变流量系统作为空调冷冻水系统方案。
Abst r act : This mixed project consists of office, retail, and apartment. Variable-Primary-Flow (VPF) system was provided to the project. Different cooling capacity chillers were mixed in one VPF system and different pressure points setting was presented. Finally, chilled water scheme and VPF control system was introduced. Keywor ds: variable-primary-flow (VPF), chilled water system, VWV control
2 空调水系统介绍
经过详细的冷负荷计算，本项目中央空调系统总 冷负荷为 24620 kW（合计 7000 冷吨）。经多方面考虑 和比较后定下以下设计方案：制冷机房设置在地下四 层处，采用 3 台 7034 kW（2000 冷吨）高压离心式制冷 机和 1 台 3517 kW（1000 冷吨）低压离心式制冷机为 本项目提供 6/11℃冷冻水。高压制冷机均使用 10 kV 高压电源供电。冷却水循环泵采用 4 台流量为 1612 m3/h 的卧式双吸泵（三用一备）和 2 台流量为 809 m3/h 的卧式双吸泵（一用一备）和制冷机大小一一 对应运行；冷冻水系统由于采用一次泵变流量系统， 冷冻水循环泵无须和制冷机一一匹配，考虑到互为备 用的原则采用 4 台流量为 1331 m3/h 的卧式变频双吸 泵。制冷机房同时设计了 2 台板式换热器供冬季冷却 水和冷冻水进行热交换，供应内区等须常年供冷区域 使用。冷冻水系统分为冷热水和常年供冷两个系统设 置，冷热水系统冬季接换热站 60/50℃热水供冬季采 暖使用（见图 1）。
冷冻水泵以末端压差信号作为加卸载和加减机 的依据：末端压差信号大于上限值并保持 5 分钟后增 加水泵变频器频率，如水泵变频器频率已达到 100 % 则开启下一台水泵；末端压差信号小于下限值并保持 5 分钟后减低水泵变频器频率，如水泵变频器频率已 达到 30%则关闭一台水泵。为确保水泵马达的正常散 热，水泵转速不应低于正常标准值的 30%，同时水泵 转速低于 30%后，变频器效率和水泵效率均明显下 降，低转速带来的能源节省已被更低的水泵效率所带 来的能耗所抵消，在空调实际应用过程中，水泵转速低 于 30%标准值是毫无意义的，故水泵变频控制器应设 定频率变化下限[1~2]。
0 引言
随着我国经济的高速发展和人民对生活水平要 求的不断提高，在可持续发展的长期建设方针指导 下，越来越多的新技术也开始应用到工程实例中。近 几年来随着自控技术和制冷机组性能的发展，一次泵 变流量系统也作为一项很有潜力的空调水系统节能 技术逐步应用到空调冷冻水系统设计中。
一次泵变流量系统是指整个水环路的流量随末 端的实际需求发生变化的系统，区别于传统的一次泵 定流量系统（水环路的流量由制冷机和水泵开启数决 定）和一次泵定流量/二次泵变流量系统（仅末端水路 的流量变化，制冷机侧水流量仍然保持不变），一次泵 变流量系统中通过制冷机侧的水流量将完全随末端 实际需求变化而改变。相对于一次泵定流量系统而 言，水泵通过变频把流量降低比仅用台数控制有更多 的灵活性和更大的控制范围，当空调系统工作在部分 负荷时节能效果尤其明显；相对一次泵定流量/二次泵
摘 要：本项目是集办公、商业、及住宅为一体的综合性发展项目，中央空调冷冻水系统采用一次泵变流量形式， 本文主要分析介绍冷水机组大小机搭配的处理方法和系统压力监控点的选择。并介绍该工程的空调冷冻水系统 设计、以及变流量系统的控制逻辑设计。 关键词：一次泵变流量 空调水系统 变流量控制
Chilled Water System Design on Variable-Primary-Flow System
3 一次泵变流量系统控制介绍
一次泵变流量系统的做法是将冷冻水泵呈并联 与母管连接，母管与制冷机配接，冷冻水泵与制冷机在 控制方面不呈一一对应关系，制冷机启停数量由用户 端空调总负荷决定，而冷冻水泵启停数量的控制完全 脱离冷冻机，根据用户端压差变化并同时结合水泵效 率及变频器效率分析决定水泵启停台数。
办公楼部分的定压差点设在二十四层板式换热 器进出口处，由于此设备负责办公楼二十四层以上部 分的供冷，基本不存在设备不使用的情况，此定压差控 制点将设定为工作时间时段的冷冻水泵变频控制的 依据。由于板式换热器负担办公楼约三分之二的负荷， 流量波动基本可反映出办公楼冷负荷变化，以其作为 定压差点可以在保证制冷效果的前提下取得相当的 节能效果。需要特别注意的是：由于冷冻水系统是变 流量的，板式换热器水流量控制不可采用常用的三通 阀形式，应改用二通阀形式控制。
对整个项目进行分析和研究，总结出本项目有以
收稿日期：2008-7-10 作者简介：余卓滨（1979~），男，本科，工程师；广东省深圳市福田区民田路 88 号中心商务大厦 18 楼奥雅纳工程咨询公司（518026）；
0755-82031516；E-mail：Zhuo-bin.yu@
·80·
首先是制冷机和冷冻水系统的启停必须按照设
第 28 卷第 1 期
余卓滨等：一次泵变流量系统设计应用实例
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定的顺序运行：当任何一台制冷机组需投入服务时， 首先设在该制冷机冷却出水管电动开关阀、冷却水塔 阀门、冷却水塔及冷却水泵组的其中一台水泵相继开 启；当装设在冷却管道上的水流感应器感应到水流经 冷凝器后，设在该制冷机冷却出水管电动开关阀及冷 却水泵组中对应的一台水泵亦相继开启；当装设在冷 冻管道上的水流感应器感应到水流经蒸发器确立后， 制冷机组才可正式启动工作。制冷机组需关闭时，按 照相反的次序执行。
大小机搭配在一次泵变流量系统中没有得到广 泛的应用，因为大小机搭配使用后，大机加减机时水量 的波动对小机的干扰可能会超出小机承受范围，这对 一次泵变流量系统的运行控制提出了更高的要求。
在本项目选用一次泵变流量系统和制冷机组大 小机搭配后，在系统的控制上难点是如何解决这些并 联冷水机组的顺序启停问题，而其最大流量，最小流 量，制冷机组的实际运行电流和额定运行电流之比 （ΣRLA％）设定值又是这些顺序启停的关键。因此，一 次泵变流量系统的正常运行必定需要依赖预先编好 的控制程序来执行。
其次是制冷机的加卸载和加减机控制。制冷机加 卸载仍由各机的供水温度控制，当供水温度超过预设 值并保持一段时间后，制冷机自动加载到上一级负 荷，反之则自动减载到下一级负荷。制冷机的加减机 控制由整个机房制冷机组的实际运行电流和额定运 行电流之比（ΣRLA％）作为指标进行控制，预先设定 两个控制值，当 ΣRLA％大于控制值一并保持一定时 间后，系统按照设定的顺序加机；当 ΣRLA％除以运行 制冷机数量减一得到的值小于控制值二并保持一定 时间后，系统按照设定的顺序减机。具体可以参考冷 水机组加减机 2 冷水机组加减机原理图
每次开启系统时，首先启动较小的 3517 kW 制冷 机，这是为了减小在低冷负荷时制冷机在低于 50 %负 载的低效区运行的机会；冷负荷逐步增加到小制冷机 负载能力的 95%（表现为 ΣRLA％>95%）并保持 15 分 钟后启动第一台 7034 kW 制冷机并关闭小制冷机，避 免小制冷机蒸发器水流量被大制冷机分流超过三分 之二而保护停机，其后如果末端冷负荷继续上升，第 二台和第三台大制冷机将会相继运行，而小制冷机会
变流量系统来说，除了有更好的节能效果外一次泵变 流量系统减少了一组水泵和相应的配件，降低了设备 初投资费用的同时也减少了对冷冻机房的空间要求。
本文以近期完成的一个项目作为工程实例，全面 介绍和分析一次泵变流量系统在实际应用中产生的 一些问题和解决方案。
1 项目简介
本项目地处天津市，是集办公、商业及公寓为一体 的综合性发展项目。项目总建筑面积约 31 万 m2，由四 栋塔楼组成，其中塔楼一用作办公用途，共 53 层，另外 三栋塔楼为公寓。每栋塔楼各有 6 层裙楼，主要为商业 用途。地下层共 4 层，用作车库、设备房间及商业用途。 其中中央空调服务面积约占 14 万 m2，包括了商业和 办公楼部分。项目地面以上建筑高度超过 240 m，冷冻 水系统需要采用换热器进行换热对高区供冷。
办公部分竖向、水平管路也采用异程式，各主要支 路上均设置静态平衡阀进行调节，并设有电动阀供物 业管理部门统一管理开放时间。办公部分采用风机盘 管加处理新风的形式进行空气处理，同时采用带热回 收功能的新风机组对办公楼排风进行热回收，降低新 风能耗。办公楼中间换热机房设置于 24 层避难层，二 次水的进出水温分别为 12/7℃。热回收新风机分别设 置于八层、二十四层、三十九层及屋顶层。
在最后的运行行列中。减机的顺序则刚好相反：当冷 负荷逐步减少至可以少运行一台制冷机也可满足冷 负荷要求（表现为 ΣRLA％/运行机组数量减一 >90%） 并保持 15 分钟后按照设定顺序关闭一台制冷机，直到 最后一台大制冷机时会切换成小制冷机。
在室外温度较低的晚上或冬季，项目的冷负荷有 机会下降到 1760 kW 以下，此时如果冷冻水流量继续 下降会突破小制冷机最低流量的限制而导致制冷机 保护停机。在供回水干管上设置一根带电动调节阀门 的旁通管，由连接制冷机供回水管的压差感应器控制， 当末端用水量低于制冷机最低流量限制时开启旁通 管上的电动调节阀门保证制冷机侧的流量。
第 28 卷第 1 期 2009 年 2 月
文章编号：1003-0344（2009）01-079-4
建筑热能通风空调 Building Energy & Environment
Vol.28 No.1 Feb. 2009.79~81
一次泵变流量系统设计应用实例
余卓滨 王戈兵
奥雅纳工程咨询（上海）公司深圳分公司
在本项目中，有部分区域会提供 24 小时的冷冻水 供应，包括办公楼的服务器机房和加班用水、商业部分 电影院用水等，经计算这部分冷负荷大概在 1760 kW 左右。同时考虑到目前离心式制冷机在负载小于 50% 时效率会有明显下降，所以冷源选用了一台 3517 kW 的离心式制冷机和三台 7034 kW 的离心式制冷机搭 配使用，保证在低冷负荷时段制冷机运行的可靠性和 高能效比。
分水器后冷冻水系统分为供办公和供商业两部
图 1 制冷机房系统图
分。商业部分竖向、水平管路均采用异程式，各主要支 路上均设置静态平衡阀进行调节，由于商业部分主要 用于分隔出租，各部分末端用冷量可能会发生变化，同 时在各层回水支路上设置压差动态平衡阀进行调节； 空间较大部分采用组合式风柜进行空气处理，用于分 隔出租部分采用风机盘管加处理新风的形式进行空 气处理。
在理想的冷冻水系统中，要求在系统运行过程中 每个末端都要达到实际需要的水流量，并且在局部一 些末端调整水流量时对其他末端不会造成干扰，同时 还要减少输配设备的能耗。为做到这点，首先在水系 统各个主要的支路上设置静态平衡阀，以便在调试阶 段减少工作量，系统可以达到初步的平衡状态，其次 是在水系统中选择合理的位置作为定压差点[3]。
建筑热能通风空调
2009 年
下几个特点： 1）项目规模大，运行时间长，节能潜力也大；同时
项目规模大可使系统的热稳定性较好，不会因为局部 的负荷变化造成冷冻水温度有较大的波动；
2）建筑类型为商业和办公，这两类型建筑空调开 放时间不同，运行时间虽长，但系统大部分时间是运 行在部分负荷阶段；
3）本项目为舒适性空调，可承受水温微幅波动。 通过以上分析，本项目使用一次泵变流量系统有 较大的节能效果，符合可持续发展的长期建设方针， 设备的初投资费用和制冷机房空间要求也较低，遂采 用一次泵变流量系统作为空调冷冻水系统方案。