一次泵变流量系统设计要点

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 6—压差控制器
2—集水器
3—冷水机组
4—冷水循环泵
5—止回阀
7—电动调节阀
8—末端空气处理装置
9—电动两通调节阀Fra bibliotek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
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：
图3 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
空调冷水二次泵系统举例
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：
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。 在设计中，冷水泵为防止低流量造成的负面效果需设定最小流量，根据有关资料，建议最小流量为 水泵最佳效率点流量的 25%；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%。 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。
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
摘
于晓明 赵建博 石颖 李向东
要：对空调冷水一次泵变流量系统的原理及组成、优点及适用性进行了详细的介绍，并从冷水机组
的选择、冷水机组的启停控制、冷水泵的选择及控制、旁通管及旁通控制阀的配置、压差及流量传感器 的选择等五个方面，对其设计要点进行了阐述。 关键词：空调 一次泵变流量系统 设计 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。