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摘要：对一次泵变流量系统的工作原理；与一次泵定流量，二次泵的差异、系统的优缺点及控制进行了介绍，变流量冷水机组的选择。
关键词：一次泵变流量系统；一次泵定流量系统；二次泵系统；变流量冷水机组
1.引言
通过大量的研究，实验数据表明，集中式空调系统中在夏季的用电负荷中，其中水系统（冷冻水泵、冷却水泵、冷水机组等阀件管材）的输配能耗占总能耗的28%～32%。降低水系统的输配能耗，对集中式空调系统的节能有着重大的实际意义。
通常来说，空调系统是按照满负荷设计的，当负荷变化时，虽然冷水机组可以根据负荷调节相应的冷量输出，但是常规冷水系统在在冷水机组的蒸发器侧的流量配置是固定的，定流量的冷冻水泵能耗没有跟随主机的部分负荷运行而变化水量，也没跟着冷水机组减载。
近年来在电子及自控技术的辅助下，冷水机组的制造技术得到有效提高，尤其是机组对负荷变化的响应时间大大缩短。先进的冷水机组可以在极大的范围内变流量运行（离心式变流量冷水机组25%-125%，螺杆式变流量冷水机组40%-125%，精确数据请参照制造商的ARI标准选型报告）；同时，与通过供水温度来控制机组负荷一样，变蒸发侧水流量控制机组负荷运行，同样能够保证出水温度在允许的偏差范围内正常运行。因此，当负荷变化时，可以使冷水机组的蒸发器侧流量随用户的需求而变化，从而节约蒸发器侧水泵的能耗。
2.常规的冷水系统形式
常规设计中，要求冷水机组蒸发器侧定水流量运行，与之相对应的冷水系统为：一次泵定流量系统和二次泵变流量系统。
2.1 一次泵定流量系统
一次泵定流量系统（如图下图所示）是以往应用最广泛的系统形式。过去冷水机组生产商要求冷水机组蒸发器的冷水流量维持不变，使蒸发器不会发生流量的突然减少，以确保不会因为压缩机卸载不及时而发生蒸发器结冰。一次泵定流量系统的设置要求主机与水泵一一对应。开机前先开冷冻水泵和冷却水泵，然后再开主机，保证通过主机的水流量和冷水机组的正常运行。
当室内负荷减少时，房间温度传感器要求末端的电动两通阀减小开度，末端需求的水量随之减少。此时，系统供回水间的压差有高于压差旁通控制器设定值的趋势，压差旁通阀会增加开度以维持供回水压差的设定值。机组的冷冻水生产量通过与机组相对应的水泵台数来调节，但末端所需流量往往不是水泵的额定量，因此，一次泵定流量系统运行时要求保证机组冷冻水的生产量大于末端冷冻水的需求量，富余部分水量从压差控制的旁通管通过，再与系统的回水混合后再次进入主机蒸发器，所以进入蒸发器的回水温度是系统回水和旁通水的混合温度。冷水机组的卸载依据温差实现，流量基本维持稳定。同时，冷水机组蒸发器进出水温差的减少使机组降载，当其电流降到设定的关机电流时，如当两台等量冷水机组运行电流相当于45%的满载电流时，可以关掉其中一台。
一次泵定流量系统的特点如下：
●末端的温度控制采用两通阀（开关量或模拟量均可）；
●水泵与主机一一对应，水泵的设计流量为蒸发器的额定流量；
●运行中，冷冻水生产侧的水量大于或等于冷冻水的需求侧的水量；
●生产侧多余的水量经压差控制的旁通管与系统的回水混合再进入蒸发器；
●旁通水流单向流动，从系统的供水管旁通到系统的回水管。
但是自从上世纪80年代以来，为了改变部分负荷下冷冻水泵定流量不降载的状况，二次泵系统渐渐被采用。
2.2 二次泵变流量系统
在冷水机组蒸发侧流量恒定的前提下，可以把传统的一次泵分解为两级，如下图所示。
二次泵变流量系统的特点如下：
●末端的温度控制采用两通阀（开关量或/和模拟量）；
●水泵与主机一一对应，水泵的设计流量为蒸发器的额定流量；
●运行中，冷冻水生产侧的水量大于或等于冷冻水的需求侧的水量；
●生产侧多余的水量经旁通管与系统的回水混合再进入蒸发器；
●旁通管上无阀门控制，以平衡冷冻水的生产量与末端冷冻水的需求量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆旁通管为双向流，当冷冻水的生产量大于系统需求时，从系统的供水管流到系统的回水管；反之，当冷冻水的生产量小于系统需求时，旁通管内水的流向从回水管流向供水管；
●一次泵循环从机组蒸发器入口经由蒸发器到旁通管路，再到蒸发器入口；
●二次泵用来克服从旁通管到末端，再到旁通管的用户侧水环路阻力；
二次泵变流量系统中二次泵是变流量的，在空调系统处于部分负荷时，能根据负荷要求（压差信号）提供相应的冷冻水量，以节约二次泵的能耗。一次泵与相对应的冷水机组联锁启停，通过启停一次泵与相应冷水机组来调节冷水生产环路的水流量。
3.一次泵变流量系统
一次泵变流量系统中选择可变流量运行的冷水机组，当机组运行时，蒸发器的供回水温差基本恒定，蒸发侧流量随负荷侧流量的变化而改变，从而达到“按需供应”，并使得降低水泵在部分负荷时的供水量成为可能，最终降低系统运行能耗。末端冷量由冷冻水量调配，冷水机组生产的冷量由流经蒸发器的水流量和相对固定的温差决定。其系统形式类似于一次泵定流量系统，增加了一套自控系统，同时定流量水泵变为变流量水泵，按照一定的控制逻辑运行，如下图所示。
3.1 末端两通阀
与二次泵变流量系统相同，一次泵变流量系统的末端采用模拟量或开关量的两通阀控制，房间温度传感器控制两通阀的开度。当房间的负荷增加时，室内温度高于房间的设定温度，两通阀开大，供回水间压差随之减小；反之，当房间的负荷减少时，室内温度低于房间的设定温度，两通阀关小，供回水间压差随之增大。利用压差传感器控制水泵的流量，保证末端的所需的水量（冷量），同时维持末端的压差设定值。在二次泵系统中，该压差控制的是冷冻水分配侧的冷冻水泵水泵变频器，而在一次泵变流量系统中，压差信号直接控制系统中仅有的一组变流量水泵。无疑与变流量水泵相对应的是可变流量的冷水机组。
3.2 选择冷水机组必须与变流量系统相适应
常规冷水机组蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动，导致冷水机组运行不稳定，甚至会使蒸发器结冰。因此，一次泵变流量系统之所以长期难以得到实际应用，其主要原因就是该系统使冷水机组难以保证安全与稳定的运行。在运行冷水机组时，要注意以下几个问题：
⑴冷水机组的流量变化范围
为防止蒸发器结冰 、水流由湍流变为层流、水流对铜管的冲蚀 ，一次水流量必须在一定范围内。因此需要选择最小流量尽可能低的冷水机组。蒸发器最小流量由蒸发器的类型、回程以及管束尺寸决定。通常机组效率越高，机组蒸发器流量变化的范 围就越窄。 目前离心机的最小流量一般都能达到设计流量的 30 ％左右。
(2)冷水机组 的允许冷水流量变化率
由于蒸发器中水流量的较快变化能引起控制不稳定和压缩机的回液与停机，为了确保一次泵变流量系统中的冷水机组稳定工作，设计时必须从生产厂商获知所选用冷水机组所能承受的冷水流量变化率的数值。目前各生产厂商推荐的流量变化率差异较大 ，每分钟 2％- 30％不等，因此在机组选型时，尽量选择可允许流量变化率值高的机组。在一般的一次泵变流量系统中，如可允许流量变化率应取 25％- 30 ％，这意味着加载一台冷水机组后(假定流量变化变化 50％)，大约 1．5m in 系统就可以稳定运行。
⑶注意水系统流量的测量与旁通控制
从变流量冷水机组自身的需求，供回水干管上加设一旁通调节阀，该 阀是保证冷水机组蒸发器侧的流量不低于其最小流量要求 ，确保冷水机组的正常运行。阀的调节是依据检测的流量信号而进行，因而对流量的检测必须准确。一般选择测量精度较高的电磁流量计为宜，同时应注意定期标定、校正；此外 ，阀的调节需快速，为满足流量与阀门的开度成线性关系以及考虑到阀门的实际流量特性 ，选择等百分比特性的调节阀为宜。
3.3 一次泵变流量系统主要特点
●冷水机组和水泵的台数不必一一对应，两者启停可分别独立控制；
●与二次泵变流量系统相比，一次泵变流量系统省去了其中的一次泵（定速水泵），节省了初投资和机房面积；
●能够根据末端负荷的变化，调节负荷侧和冷水机组蒸发器侧的流量，从而最大限度地降低变频水泵的能耗；
●能够在冷却水温度低于设计工况时，利用超过额定的水量来获得超额冷量。冷水机组是按照设计工况来选型的，当冷却水进水温度低于设计工况时，冷水机组满负荷运行的制冷量通常大于其设计冷量（额定冷量）。由于一次泵变流量系统的冷水机组和水泵台数不是一一对应，因此通过加大冷水机组蒸发器的流量，可以充分利用冷水机组的超额冷量，在某些负荷段时不必开启更多台冷水机组和相应的冷却水泵, 从而减少冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗；
●消除一次泵定流量和二次泵系统的“低温差综合症”，确保冷水机组高效地运行；
●空调冷水系统从一次泵定流量系统、二次泵变流量系统到一次泵变流量系统的演变，是从水泵不节能、负荷侧水泵节能，到全程水泵节能的发展过程，也是系统配置从简单到复杂、再回归简单的发展过程。推广一次泵变流量系统并不排斥二次泵系统，比如对于晚间有较小负荷的基载空调，或是对于冷水机房供给多个单体建筑的应用，就可以考虑一次泵变流量结合二次泵变流量来进行；
●一次泵变流量系统中，冷水机组的蒸发器流量允许变化范围和允许流量变化率是系统设计的首要问题，而冷水机组控制器对稳定出水温度起看关键性的作用。在相应的冷水机组群控时，主要关注旁通阀和流量传感器、变频水泵运行以及冷水机组的加机。
4 结语
作为一种节能的水系统形式，一次泵变流量系统有着广泛的应用前景，对于一些需要采用空调的纺织 、化工 、钢铁等能耗大的行业以及大型的公共建筑 ，有着较为广泛的应用价值。对降低空调系统能源消耗有实用意义。为此，应用该系统可从两方面着手：
(1)改变设计理念。技术的发展，已为冷水机组的变流量安全运行提供 了保 障，从传统的冷水机组定流量设计理念中转变过来，是发展一次泵变流量系统的前提 。
(2)建立一些样板工程。一次泵变流量系统 目前在 国内应用较少 ，相关的工程实施经验 、实际工程运行的数据都较缺乏 ，应用推广有一定的难度 ，通过典型工程的实施建立样板工程 ，是推广一次泵变流量系统的一种有效方式。
参考文献：
[1]刘倩,李光裕.中央空调系统节能改造实践[J].建筑节能,2017年8期.
[2]贺晓亮.暖通空调系统节能设计思考[J].建材与装饰,2018年20期.
[3]王伟朋.谈空调水系统变流量运行节能措施[J]. 价值工程,2018年18期.
论文作者:张荣基
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/20
标签：流量论文; 系统论文; 蒸发器论文; 冷水机组论文; 水泵论文; 回水论文; 负荷论文; 《防护工程》2018年第20期论文;