一次冷冻水流量控制研究

一次冷冻水流量控制研究

管文林江汇周悟沈俐

摘要 | 本文分析了主楼和裙房共同存在时一次冷冻水泵的调节方式及各种方式的优缺点，考虑了众多限制因素，并选定了一套最终方案。

关键词 | 一次泵变频压差温差串级

1 引言

建筑能耗在我国的社会总能耗中一直占据着很大的比重，而空调系统的能耗又是建筑能耗的重要组成部分。在空调系统中，冷水机组和水泵的输送能耗约占整个空调系统能耗的70%左右，因此研究空调水系统的节能，对于我国的节能减排工作具有重要意义。对于一次泵，由于可靠性好、控制简单，大多采用定流量运行。随着水泵变频技术的日趋成熟，社会节能意识与节能需求的提高，空调一次泵系统也逐步向变频控制过渡。

1.1 目标建筑基本情况

本文为某商业建筑一次泵水系统控制设计。该建筑地上28层，地下2层，总高110 m，总建筑面积80,000㎡，其中裙房3层共20,000 ㎡，为商场，主楼地上总面积50,000 ㎡，地下室为10,000 ㎡，为办公楼。裙房周日到周四工作时间为10:00~21:00，周五、周六工作时间为10:00~22:00；主楼工作时间为周一到周五：8:00~18:00。大楼一次冷冻水泵有4台，与冷水机组一一对应连接，其中3台额定流量500m3/h，扬程18m，电机功率45kW；1台额定流量250 m3/h，扬程18m，电机功率22kW。裙房为一次水系统，主楼为二次水系统，裙房、主楼合用一次冷冻水泵。系统结构图如图1-1。

目前，大楼的一次泵定流量运行，且只有对应冷水机组的启停控制。这种控制方案简单、安全，但是使得空调系统中冷冻水泵不仅不会跟从主机的部分负荷运行而改变流量，也不会跟随冷水机组的减载而减载。因此照成了大量的能源浪费。

图1-1 系统结构图

1.2研究前提与限制

由于主楼由二次泵输送，可以看做一个大用户，且能根据主楼的冷冻水需求自动调节。这样尽管为二次泵系统，也可以当做一次泵系统来处理，简单的说就是在整个空调冷冻水系统中，冷冻水的制备、输送和分配都完全是由位于冷源处的一次泵组完成。裙房末端为AHU，也具有自动调节的功能。

由于一次泵与冷水机组一一对应连接，所以还存在以下几种限制：

1)一次水泵的启停控制必须与冷水机组联动，因此在设计一次泵变频与变台数

的控制策略时具有十分有限的自主性。加之每组水泵和冷水机组之间为并联

连接，为了保证水头与水不倒流，设计中将所有的水泵同时变频。当负荷变化的时候，首先对水泵进行变频调节，当变频调节达到极限的时候，停止（或增加）一台水泵，其他水泵调回到额定工况。在运行中，我们保证一次泵的运行台数始终是和冷机的台数保持一致。

2)通常来说，冷水机组蒸发器水流量变化较大时，一定会导致冷水机组的出水

温度剧烈波动，从而造成冷水机组运行不稳定，严重时蒸发器会产生结冰现象。所以在一次泵变流量系统中，变流量的关键取决于冷水机组的变流量性能，即机组本身对负荷变化的响应速度决定了整个系统的节能潜力。在本次设计中，我们也必须考虑最小流量的限制。

2控制方案分析

2.1 温差控制

根据供回水温差一定时冷量与流量成正比的关系。利用制冷机房供、回水干管的温差控制水泵的流量，使空调负荷变化直接影响流量变化的方式被称为温差控制法。在供回水管上设置温度检测装置，供水温度通常控制在7摄氏度，供回水温差为5摄氏度。温度检测装置通过分析用户侧温差的变化情况就可以控制水泵的变频调节，其特点是末端不设随负荷变化而动作的流量调节阀。当温度传感器检测到的末端回水温度上升，表明用户端的负荷上升，对水量的需求也因此变大，则水泵接收到温差变大的信号后，加大频率以加大供水量，来满足用户侧的水量需求。反之，当供回水温差小于设定值时，表明用户端的水量需求减小，则一次泵必须降低频率，减小流量，来保证供回水温差再次回到设定值，但是前提是必须保证冷水机组的最小流量。

温差控制方法控制方式比较简单，当二次泵系统使用压差控制时，一次泵温差控制不会出现震荡。而且在部分负荷下，系统的阻力系数不变或变化很小，功率与转速满足水泵的三次方定律，因而具有显著的节能效果。此外，温差控制系统改造较为简单，由于商业建筑中末端大多为风机盘管，当部分房间暂时不使用时，关闭相应的风机控制器即可，对系统的水力工况无影响，改造仅在制冷机房内直接进行，不影响商业建筑的正常使用。但该控制系统同样存在缺陷，温差控

制虽然体现负荷变化，但是反应的是系统平均负荷变化，特别是当用户端符合变化不一致或者相差较大时，存在最不利房间空调制冷的效果问题。另外，由于温度传感器设置在总回水管路上，使得系统负荷的变化不可能迅速得到反应，导致温差控制系统不可避免地存在较大的滞后延迟，对于负荷变化较快的系统，该控制方法精度不高。

2.2 压差控制

压差控制即通过供回水管路的压差值，和预设的压差值比较，通过两者的偏差来调节一次泵的转速的控制方式，压差控制按控制点的不同可分为，分集水器之间压差控制和末端压差控制，按压差初始设定值的设定可以分为变压差控制和定压差控制，以末端定压差控制为例，该方法通过采集裙房最不利环路末端用户的压差值△P 和设定的压差值△P′进行对比，通过两压差值的偏差值控制一次水泵的变频器，从而控制水泵的转速。具体控制过程是，首先根据系统环路特性设定给定压差△P′，控制器根据压差变送器测得的压差△p 与给定压差△P′比较，若△p>△P′，则变频控制器降低输出频率，进而降低一次泵组的转速n，反之，增大一次泵的转速。此法通过实时的采集裙房最不利环路末端用户进出口的压差，实时的控制水泵的转速，从而降低了水泵的能耗，同时也消除了温差控制的控制滞后现象，但是末端压差控制也有几个缺点，首先，给定压差△P′不好确定；其次，这种方法虽然控制了末端压差不变但是分集水器之间的压差还是会发生变化，如果与裙房末端并联的二次水“大用户”同样采取压差控制，一旦分集水器的压差改变，二次泵会对二次侧进行一个流量调节，从而对总流量产生影响，最后可能导致一次泵控制的震荡，这对于一个控制系统来说是非常危险的。为了避免这种现象发生，可以考虑将压差测量点放在分集水器上，控制分集水器间的压差为设定值，从而让二次水循环工作在固定工况中，虽然这种方式的节能效果不如末端控制但可以有效避免震荡。

2.3 最大阀位控制

最大阀位控制控制方式主要是根据空调末端用户的二通调节阀，控制一次泵的转速，使这些阀门中至少有一个是接近全开的状态，大大降低了消耗在阀门上