一次泵變流量空調系統什麼原理?如何應用?本文揭開它的神秘面紗

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隨著世界能源形勢越發嚴峻，建築能耗不斷增加，中央空調系統的節能改造工作日趨重要。工程實踐證明，導致集中空調系統電耗高的主要原因是我國大型建築空調冷水系統多為定流量系統，系統運行中普遍存在「大流量，小溫差」的問題，由此造成冷凍水泵揚程過大、電耗過高。在過去的幾十年中，由於技術的進步，變速裝置的成本大大降低，這使得變速泵在空調系統中的廣泛應用成為可能。

空調系統一次泵變流量系統的工作原理：一方面是在負荷側通過調節電動兩通調節閥的開度改變流經末端設備的冷水流量，以適應末端用戶空調負荷的變化；另一方面是在冷源側採用可變流量的冷水機組和變頻冷凍水泵，使蒸發器側流量隨負荷側流量的變化而變化，從而最大限度地降低冷水泵的能耗。一般來說，制冷機蒸發器存在一個最低限流量，一般為蒸發器額定流量的50%，當制冷機蒸發器流量小於其最低限流量時，制冷機就會進行自保護而停止工作。在一次泵變流量系統運行過程中，當系統負荷減小，水泵流量減小接近蒸發器最低限流量時，通常需要設置旁通，打開旁通閥減小系統阻力，讓部分流量直接流經旁通管而進入蒸發器，保證蒸發器的流量不小於最低流量要求。本文以某實際工程的空調一次泵變流量水系統為對象，通過建立該系統的模擬模型，對該系統的變流量控制進行模擬，分析該方法的控制效果並給出在實際工程中的應用建議。

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一、變流量系統控制分析

在中央空調的設計中，設計人員一般是根據建築所需的最大負荷來選擇相應容量的設備，然而對於大部分建築而言，空調系統大部分時間都在部分負荷下運行，此時採用水泵變頻調節技術會較好地滿足末端用戶的冷量需求同時也可以節約水泵能耗。

一次泵變流量系統常用的水泵變頻方法有溫差控制法和壓差控制法，由於簡單可靠的特點，壓差變頻控制方法得到了廣泛的應用。本研究採用分集水定壓差控制法調節水泵的頻率。在一天的運行過程中，當末端盤管所需流量增大時，末端盤管回水管上的二通控制閥開度增大，在水泵不變速條件下，環路的壓差會減小。此時水泵的控制器感知壓力變化與設定值比較產生輸出信號增大冷凍水泵運行頻率，加大流量與揚程，環路的壓差自然升高，從而保證末端有足夠的水量可取。同樣，當末端盤管所需流量減小時，末端盤管回水管上的二通控制閥閥門開度減小，在水泵不變速條件下，環路的壓差會增大。此時水泵的控制器感知壓力變化與設定值比較產生輸出信號改變變頻器的頻率，從而減小冷凍水泵運行頻率，環路的壓差減小，達到預設的設定值。

在變流量水系統中（通常是指水泵變頻運行），當末端閥門不斷關小或關閉時，系統阻力加大，水泵流量減小，當系統流量減小至蒸發器最低限流量時，此時需要打開旁通閥減小系統阻力，讓部分流量直接流經旁通管而進入蒸發器，保證蒸發器的流量不小於最低流量要求。

二、系統描述與模擬平臺

圖1

空調冷凍水系統如圖1。冷凍水系統設有2臺螺杆式冷水機，蒸發器額定流量為92 m3/h。設置2臺冷凍水泵，選取的水泵參數為單臺額定流量101 m3/h，揚程32.7mH2O，額定功率22 kW。該空調系統末端有四大用戶，即A、 B、C、D用戶。空調冷凍水系統用戶側通過分集水器以並聯方式連接。A、B用戶末端為組合式空調器，C用戶為多颱風機盤管，D用戶為多臺小型空調櫃機。

該空調系統的水泵、冷水機組和D用戶的小型空調櫃24小時不間斷運行，A用戶、B用戶和C用戶每天早上6時開啟，晚上24時停運，每日運行18個小時。A用戶、B用戶和D用戶三個大支路空調器採用風水一體化控制進行末端水量及風量的協調控制。

圖二

Flowmaster為一維工程流體管路系統仿真軟體，內置的一維流體動力系統解算器和流體系統仿真軟體包，可對流體管路系統進行完整分析，並能對穩態、瞬態過程進行模擬。Flowmaster自帶的組件庫涵蓋了目前流體系統所需的絕大多數標準組件，每個流體系統都由不同的流體元件構成，如泵、閥門、管路、末端設備等。在系統建模的過程中，可以直接調用軟體中的組件，再通過節點連接，從而完成空調水系統模型的建立。

該空調一次泵冷凍水系統的控制模型如圖2所示。管網建模時採用阻力件替代冷水機組等空調設備。一次泵變流量系統中，水泵變頻控制通過在分水器及集水器上設置壓差測點，將壓差測量值輸入到控制器中以進行水泵頻率調節。壓差旁通控制也是通過分集水器的壓差測量值作為壓差旁通控制器的輸入以控制旁通閥門的開度。本系統設計選型明顯偏大，實際的現場調研表明在系統最大負荷時也只需要開啟1臺制冷機及1臺冷凍水泵。在本研究進行模擬分析時，以一機一泵方式進行模擬分析。

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三、模擬結果與分析

在變流量水系統中，當末端進行調節（閥門關小或關閉）時，系統阻力加大，水泵流量減小，當系統流量過小時通常需要設置旁通保證蒸發器的流量不小於最低流量要求。目前常用的旁通控制方法為定壓差旁通控制，具體是在冷凍水系統的分水器和集水器上設置壓差傳感器，以分集水器間壓差作為壓差旁通控制器的輸入，並與設定壓差值比較產生輸出，調節旁通閥門開度進行流量旁通，並維持分集水器間壓差恆定。

水泵壓差變頻控制和壓差旁通控制作用原理是當系統運行流量較大時壓差旁通閥處於關閉狀態，水泵通過變頻調節維持分集水器壓差恆定，以保證末端有足夠的資用壓力獲取需要的流量。當系統所需流量降低，相應水泵頻率降低至最低頻率（最低頻率需要根據系統的流量值而定），此時水泵頻率不再降低，壓差旁通控制器通過調節旁通閥門開度來維持分集水器壓差恆定，並旁通一部分流量使蒸發器流量不低於其最低限流量。

在該控制中涉及到兩個壓差設定值，一個是水泵壓差變頻控制時的滿足末端流量的壓差設定值，一個是旁通壓差控制滿足蒸發器最低限流量的壓差設定值。這兩個壓差值如何設定，一直是變流量控制系統一個難點。在實際工程中，一次泵變流量系統的壓差旁通設定值通常按照選型水泵揚程的一半考慮。本研究選取15mH2O作為壓差設定值，選取典型設計日的末端空調設備所需流量作為末端流量控制器的輸入流量，模擬分析該變流量系統壓差旁通控制效果。

水泵頻率、揚程、分集水器壓差設定值與壓差控制模擬值如圖3。通過對系統不同工況的測試分析，為避免系統運行過程中系統流量低於蒸發器最低限流量，水泵的最低頻率應設為37Hz。結果顯示，壓差控制模擬值和壓差設定值（15mH2O）基本一致。在白天（6:00-24:00），四個支路全開，水泵頻率為38Hz~42Hz之間；在夜間（0:00-6:00），只有C支路運行，水泵以最低頻率37Hz運行。

圖三

圖四

系統流量分配如圖4。在白天，四大支路均開啟，系統總流量為60~85m3/h，38Hz~42Hz之間，高於最低頻率設定37Hz，壓差旁通控制不作用，旁通閥門關閉。在夜間，只有C支路運行，此時水泵以最低頻率37Hz運行，旁通閥門開啟，此時的旁通流量為40 m3/h左右，系統流量為49 m3/h。制冷機組的額定流量為92m3/h，制冷機組所需最低限流量一般為制冷機組額定流量的二分之一，即46 m3/h，此時系統流量能夠滿足制冷機組最低限流量的需求。水泵一天的運行功耗為198 kWh。

從模擬結果中的末端閥門開度來看，在壓差設定值定為15mH2O時，水泵變頻運行的頻率仍然很高，水泵的能耗雖然有所降低，但是並未達到最佳的節能效果。根據運行結果分析，可以選取11mH2O作為壓差設定值進行系統運行。此時水泵的最低頻率設為33Hz。

圖五

圖六

按照上述參數進行模擬控制時，水泵頻率、揚程、分集水器壓差設定值與壓差控制模擬值如圖5。在白天（6:00-24:00），系統四個支路全開，水泵頻率為33Hz ~35Hz之間；在夜間（0:00-6:00），水泵以最低頻率33Hz運行。系統流量分配如圖6。白天系統總流量為50~82m3/h之間，壓差旁通閥門關閉。在夜間，只有C支路運行，水泵以最低頻率33Hz運行，旁通閥門開啟，此時旁通流量為44m3/h左右，系統流量為53 m3/h，此時系統流量能夠滿足制冷機組安全運行流量需求。水泵一天的運行功耗為147 kWh。可以看出水泵變頻控制的壓差值可以通過進一步優化來節約能耗，實際工程中的壓差設定值需要進過多次調試進行優化。

一次泵變流量系統的壓差設定值一方面控制水泵變頻運行滿足末端流量需求（旁通閥關閉），另一方面是在水泵以最低頻率運行時，進行壓差旁通控制滿足制冷機組安全運行最低限流量需求。在選定壓差設定值後，為了滿足制冷機蒸發器最低限流量的需求，需要確定水泵的最低頻率。如果最低頻率選擇不當則會造成系統流量過小，影響冷水機組的安全運行。在這種控制方式下，由於根據壓差設定值及控制的實際壓差值無法直接系統的流量到底是多少，所以需要通過不同工況的測試才能設定最小頻率。不同的控制壓差值，最小頻率也不一樣。雖然通過多工況的測試，可以設定給定壓差下的最低頻率值，但運行工況多變，難以適應多工況情況。建議採用在一次泵變流量系統中設置流量傳感器直接採用最小流量旁通控制，有利於系統運行的穩定性。

四、結論

本文根據某一空調系統末端採用流量調節、水泵採用變頻運行實際情況，搭建模擬平臺，進行水系統管網水力特性模擬分析。分析了水泵壓差變頻控制與壓差旁通控制的控制效果。結果表明，在這種控制方式下，為了滿足制冷機蒸發器最低限流量的需求，需要確定水泵的最低頻率，由於根據壓差設定值及控制的實際壓差值無法直接知道系統的流量到底是多少，所以需要通過不同工況的測試才能設定最小頻率。雖然通過多工況的測試，可以設定給定壓差下的最低頻率值，但是實際工程運行工況多變，固定的最小運行頻率難以滿足多工況情況的制冷機最低限制流量需求，控制程序設計也複雜。建議在一次泵變流量系統中設置流量傳感器直接採用最小流量旁通控制。

空調水系統設計（一次泵變流量、定流量的區別及適用範圍）