串聯(lián)式主機上游冰蓄冷系統(tǒng)中不同設計方案對系統(tǒng)運行的影響

科進柏誠工程技術(北京)有限公司 付亞斐

隨著冰蓄冷技術的推廣，冰蓄冷系統(tǒng)的控制問題逐漸被人們所關注。相較于常規(guī)冷源系統(tǒng)，冰蓄冷系統(tǒng)的控制策略更加復雜。冰蓄冷技術在項目中能否成功落地，其關鍵不僅在于合理的設計和規(guī)范的施工，后期的運行策略也是非常重要的因素。冰蓄冷系統(tǒng)的運行策略一般取決于負荷情況和城市電價政策，但于系統(tǒng)本身而言，實現(xiàn)不同運行策略的基礎，則是幾種運行工況之間的轉換。而設計方案中一些細微的變化，都會對系統(tǒng)的運行產生巨大的影響。因此在設計之初，應對各工況運行時的負荷分配、載冷劑溫度變化、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面有清晰的判斷，以便后期制定更加經濟的運行策略。本文針對串聯(lián)式主機上游冰蓄冷系統(tǒng)在設計方案中的變化進行分析比較，說明這些設計變化對系統(tǒng)運行所產生的影響。

1 旁通管接駁點的影響

按20K517《冰蓄冷系統(tǒng)設計與施工圖集》[1](以下簡稱圖集)規(guī)定，串聯(lián)式主機上游冰蓄冷系統(tǒng)的流程圖為圖1a(以下簡稱方案1)，而在《實用供熱空調設計手冊》(第二版)[2]中，該系統(tǒng)流程圖為圖1b(以下簡稱方案2)?？梢钥闯?，2種方案旁通管接駁點的位置不一樣。這導致了在融冰工況下，當負荷發(fā)生變化時，2種方案運行狀態(tài)的改變也不相同。供冷工況分為主機和冰槽聯(lián)合供冷工況及冰槽單獨供冷工況，本文針對這2種工況進行詳細分析。

注：V1～V4為電動調節(jié)閥;T1為冰槽出口溫度;T2為板式換熱器二次側冷水供水溫度;T3為雙工況主機出口溫度。圖1 主機上游串聯(lián)系統(tǒng)控制原理圖

2種方案供冷時的控制點一致，即設置T1恒定，調節(jié)閥門V1和V2；設置T2恒定，調節(jié)閥門V3和V4；主機控制T3。假設主機空調工況出力為R，主機空調工況設計溫差為a，冰槽前后設計溫差為T3-T1=b，板式換熱器一次側設計溫差為Δt=a+b，乙二醇泵定頻運行(暫按定頻考慮，變頻下文討論)。

1.1 聯(lián)合供冷工況

由于是串聯(lián)系統(tǒng)，且T3和T1恒定(暫不考慮T3在優(yōu)化運行策略下的改變，只按設計參數(shù)作定性分析)，因此系統(tǒng)按設計工況(即最大出力運行)，主機和冰槽出力(Rb)的比值等于其設計溫差的比值，即R∶Rb=a∶b，由此可得聯(lián)合供冷工況總出力Rz=R+Rb=RΔt/a=(a+b)R/a，其中冰槽出力為Rb=bR/a。系統(tǒng)按設計的最大出力運行時，2種方案系統(tǒng)流量一致，主機和冰槽的溫降一致，因此2種方案主機和冰槽的出力完全一致。

當負荷減小時，系統(tǒng)相應減載，此時控制系統(tǒng)調節(jié)閥門V3和V4的開度，減少進入板式換熱器的載冷劑流量。假設負荷減小后，需要進入板式換熱器的載冷劑流量變?yōu)樵O計流量的x(x為百分比)。

對于方案1，有(1-x)的載冷劑經過旁通閥門V1和V4流回乙二醇泵，這一部分載冷劑的溫度始終為T3。剩余x的載冷劑經過旁通閥門V1和直通閥門V2混合后溫度變?yōu)門1，再進入板式換熱器進行換熱。對于冰槽，由于T1和T3均保持恒定，只有流量改變，因此冰槽出力變?yōu)閤Rb=xbR/a，則主機出力變?yōu)椋簒Rz-xRb=x[(a+b)R/a-bR/a]=xR。結果表明，當板式換熱器一次側的負荷減載時，方案1的主機和冰槽按等百分比減載。

對于方案2，所有載冷劑需先經過旁通閥門V1和直通閥門V2混合后溫度變?yōu)門1，之后(1-x)的載冷劑經過旁通閥門V4流回乙二醇泵，x的載冷劑進入板式換熱器進行換熱。由于經過冰槽和閥門V2的總流量沒有變化，且T1和T3恒定，因此冰槽的出力保持不變。只有當乙二醇泵的運行數(shù)量發(fā)生變化(即系統(tǒng)運行流量發(fā)生變化)時，冰槽的出力才會隨之改變。因此，對于方案2，當板式換熱器一次側的負荷減載時，只有主機進行減載，冰槽的融冰率保持不變。

2種方案負荷加載的邏輯與減載相同。

通過以上分析可以看出：聯(lián)合供冷工況下，當系統(tǒng)運行流量不變時，方案1冰槽的融冰率隨負荷變化而變化；方案2冰槽的融冰率保持穩(wěn)定，不受負荷變化的影響。

1.2 冰槽單獨供冷工況

在負荷相同的情況下，2種方案進出板式換熱器的載冷劑流量一致，因此溫度也一致，板式換熱器前后載冷劑的溫度分別為T1和T1+a+b，二者區(qū)別是經過V1和V4 2個旁通支路的載冷劑溫度。

對于方案1，由于V1和V4 2個旁通支路始終不參與換熱，因此其溫度始終穩(wěn)定為T1+a+b。

對于方案2，由于所有載冷劑需先經過旁通閥門V1和直通閥門V2，混合后溫度變?yōu)門1，因此V4旁通支路載冷劑溫度始終穩(wěn)定為T1，而V1旁通支路的載冷劑溫度根據(jù)負荷變化在(T1，T1+a+b)之間波動。

1.3 對控制的影響

對于方案1，在聯(lián)合供冷或冰槽單獨供冷工況下，當負荷變化時，閥門V3和V4的開度也隨之調整，而閥門V4與閥門V1之間沒有被控制點隔開，因此閥門V4的調整勢必會影響閥門V1和V2的流量分配，也就是說T1和T22個控制點之間存在相互影響的情況。因此，每當負荷變化時，板式換熱器一次側就發(fā)生振蕩，這對控制系統(tǒng)存在一定的影響。

對于方案2，在聯(lián)合供冷或冰槽單獨供冷工況下，T1和T22個控制點完全獨立，因此閥門V3和V4的調節(jié)不會對閥門V1和V2的流量分配產生影響，所以一次側負荷變化時，若系統(tǒng)運行流量不改變，則只有閥門V3和V4開度發(fā)生變化，閥門V1和V2開度不發(fā)生變化。僅在冰槽單獨供冷工況下，V1旁通支路載冷劑溫度在(T1，T1+a+b)之間波動(如1.2節(jié)所述)，該溫度的變化會引起閥門V1和V2開度發(fā)生變化。但該變化并非閥門V3和V4直接導致，因此T1和T22個控制點不存在互相影響的情況。

通過以上分析可以看出：方案1相較于方案2對控制系統(tǒng)要求更高，在選擇方案時應考慮電動控制閥門精度、控制系統(tǒng)的反應速度及冰槽對流量變化的敏感程度等因素。

2 主機旁通設計方案的影響

依據(jù)圖集的設計方案，主機無旁通支路，因此在冰槽單獨供冷工況下，主機冷水側的電動兩通閥應為開啟狀態(tài)。部分設計工作者認為此工況下，載冷劑依然流經主機蒸發(fā)器，徒增額外阻力，造成乙二醇泵能耗的浪費，所以為雙工況主機設計了低阻旁通閥V5，如圖2所示。冰槽單獨供冷時，載冷劑不再流經主機蒸發(fā)器。

圖2 主機旁通系統(tǒng)流程圖

陳亮認為該旁通閥設計方案并不可取，原因是主機旁通閥若采用低阻閥門，系統(tǒng)阻力雖然可以明顯下降，但主機在旁通與非旁通切換時，系統(tǒng)將不斷經歷基礎參數(shù)的巨大變動，影響系統(tǒng)的控制[3]。該觀點頗有見解，這里不再贅述。本文從能耗角度分析一下該方案。

無論是否設置主機旁通閥，乙二醇泵設計揚程都應滿足最不利的聯(lián)合供冷運行工況，即乙二醇泵揚程=主機阻力+閥門V2阻力+冰槽阻力+板式換熱器阻力+閥門V3阻力+管道阻力。水泵性能曲線與管網特性曲線如圖3所示。

圖3 水泵性能曲線與管路特性曲線示意圖

主機旁通與非旁通的切換，其實是聯(lián)合供冷工況和冰槽單獨供冷工況之間的切換。聯(lián)合供冷工況模式下，旁通閥V5關閉，管網特性曲線為1，乙二醇泵流量和揚程分別為Q1和H1。當系統(tǒng)切換到冰槽單獨供冷工況時，旁通閥V5打開，管路阻力減小，管網特性曲線變?yōu)?，此時乙二醇泵的流量和揚程分別變?yōu)镼2和H2?？梢钥闯?，旁通閥打開后，乙二醇泵為過流狀態(tài)，其功率由P1增至P2。由此可見，旁通閥的設計不僅沒有帶來節(jié)能效果，反而增加了乙二醇泵的能耗。若乙二醇泵選配電動機的安全余量不夠，還有燒毀電動機的風險。

若乙二醇泵設計為變頻，通過變頻調速的方法，將乙二醇泵設置為2種轉速，分別適配2種工況下的管網阻力，如此旁通閥V5帶來的問題可極大程度得到解決。水泵性能曲線與管網特性曲線如圖4所示。

圖4 水泵性能曲線與管路特性曲線示意圖(變頻運行)

聯(lián)合供冷工況下，旁通閥V5關閉，管網特性曲線為1′，乙二醇泵工頻運行。當工況切換后，旁通閥V5打開，管道阻力減小，管網特性曲線由1′變?yōu)?′，乙二醇泵隨之逐漸降頻減速，當乙二醇泵特性曲線(低速)、管網特性曲線2′、流量Q1的等值線3條線相交時，乙二醇泵的頻率fn即為冰槽單獨供冷工況下的運行頻率。

如此通過乙二醇泵變頻的手段，緩解了工況變化時管道阻力差異所引起的系統(tǒng)波動，解決了乙二醇泵過流的問題。并且根據(jù)泵的相似理論(泵的軸功率與轉速呈三次冪關系)，通過乙二醇泵降頻運行實現(xiàn)了節(jié)能。

通過以上分析可以看出，主機設計旁通閥的設計應搭配變頻乙二醇泵，若乙二醇泵選為定頻，則不應為主機設計旁通閥。

3 乙二醇泵變頻設計方案的影響

依據(jù)圖集設計的方案，乙二醇泵為定頻泵，但在很多項目中乙二醇泵按變頻設計。一般變頻設計的原因有2點：第一，解決蓄冰工況與空調工況系統(tǒng)流量不同的問題；第二，供冷工況系統(tǒng)變流量運行，以達到節(jié)能的效果。

3.1 流量不同

部分設計工作者將乙二醇泵按變頻設計，其出發(fā)點并非是節(jié)能，而是因為蓄冰工況與空調工況系統(tǒng)流量不同，所以用變頻的手段將乙二醇泵調試出2種流量，分別在蓄冰工況與供冷工況下按不同頻率定流量運行。這個設計是否有必要？

假設雙工況主機空調工況出力為Rs，制冰系數(shù)為Cf，空調工況設計溫差為Δt1，蓄冰工況設計溫差為Δt2，則根據(jù)熱量計算公式可以得出：空調工況系統(tǒng)設計流量m1=(Rs+Rb)/Δt，化簡得m1=Rs/Δt1(具體推導可參考1.1節(jié))；蓄冰工況系統(tǒng)設計流量m2=RsCf/Δt2。

若要m1=m2，則須保證Rs/Δt1=RsCf/Δt2，化簡得Δt2/Δt1=Cf，即如果主機在蓄冰工況和空調工況下溫差的比值等于其出力的比值，那么乙二醇泵便可以設計成1種流量。但還需驗證，若滿足上述要求，蓄冰工況下主機的回液溫度是否會高于0 ℃。

蓄冰工況下主機的供液溫度為K1，則回液溫度K2=K1+Δt2=K1+Δt1Cf。

一般空調工況下，主機的設計溫差為5～7 ℃，制冰系數(shù)Cf一般為0.6～0.7[1]，均按上限取值，則K2=K1+4.9 ℃。若要K2低于0 ℃，須保證K1低于-4.9 ℃。一般主機蓄冰工況下的供液溫度最低能達到-5.6 ℃以下[1]，完全滿足要求。

由此可見，一般可通過設定溫差的方法解決蓄冰工況與空調工況系統(tǒng)流量不同的問題，無需為此將乙二醇泵設計為變頻泵。

3.2 供冷工況變流量運行

關于乙二醇泵是否應該變頻及變頻的節(jié)能效果目前未有統(tǒng)一的認識，比如葉小霞等人認為由于存在對流量敏感的設備，乙二醇泵變頻范圍受限，所以其節(jié)能效果不如常規(guī)系統(tǒng)[4]。那么在供冷工況下，乙二醇泵變流量運行是否可行，從以下幾個方面進行分析。

3.2.1變頻控制邏輯

常規(guī)一級泵變流量冷水系統(tǒng)中，水泵的變頻一般采用壓差控制，這種方法響應速度快、效果好。但在冰蓄冷系統(tǒng)中卻無法用壓差控制乙二醇泵變頻，原因是冰蓄冷運行工況多且復雜，沒有哪個設備的壓差需要恒定。因此，乙二醇泵的變頻只能通過溫度信號來實現(xiàn)，具體方法為：改變乙二醇泵的運行頻率，控制進入板式換熱器的載冷劑流量，以恒定二次側供水溫度T2。如此第2章中旁通閥V5所引起的乙二醇泵的過流問題就得到了解決。另外，在乙二醇泵定頻運行方案中，T2的恒定是通過調節(jié)閥門V3和V4來實現(xiàn)的，所以在變頻運行的方案中，閥門V3和V4不應該再負責控制T2的恒定，避免引起控制邏輯混亂，因此V4應關閉，V3應全開。

另外，還應考慮主機的最小保護流量和冰槽的最小流量需求。主機的最小保護流量可咨詢設備廠商，冰槽最小流量應可保證冰盤管內的流體一直處于湍流狀態(tài)，不能進入過渡區(qū)，更不能處于層流狀態(tài)，以免影響盤管的換熱效率。系統(tǒng)最小流量應滿足主機最小保護流量和冰槽最小流量需求的較大值，當乙二醇泵的流量減小到該值時，就不應再降低頻率。若二次側負荷繼續(xù)減小，乙二醇泵便無法繼續(xù)維持T2恒定，此時閥門V3和V4應接替乙二醇泵，再次起到控制T2恒定的作用?？刂扑惴ㄈ鐖D5所示。

圖5 乙二醇泵變頻控制算法示意圖

3.2.2對控制的影響

無論乙二醇泵是否變頻，T1的恒定均是通過調節(jié)閥門V1和V2，改變進入到冰槽的載冷劑流量來實現(xiàn)的。若乙二醇泵變頻，當負荷發(fā)生變化時，系統(tǒng)流量的改變有可能導致T1發(fā)生變化，如此會引起閥門V1和V2的改變。因此，T1和T22個控制點相互影響，每當乙二醇泵變頻時，板式換熱器一次側就發(fā)生振蕩?？梢钥闯?，乙二醇變頻對控制的影響類似于第1章中的方案1，這2種設計方案均對控制系統(tǒng)有較高要求。

3.2.3對負荷分配的影響

當乙二醇泵變頻運行時，由于閥門V4關閉，所以第1章中的方案1和方案2的運行狀態(tài)就變得完全一樣。聯(lián)合供冷工況下，負荷加減載時，主機和冰槽按等百分比一起進行加減載；當乙二醇泵變頻至最小頻率時，此時乙二醇泵處于低頻率狀態(tài)下的定頻運行狀態(tài)，負荷若再減載，方案1和方案2主機和冰槽的負荷分配又會變得不一樣，恢復至定頻運行時的邏輯。

4 結論

1) 旁通管接駁點的位置會影響主機和冰槽的負荷分配、融冰率及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性；旁通管接駁點分開(方案2)相較于旁通管接駁點合并(方案1)，冰槽的融冰率更平穩(wěn)，控制系統(tǒng)更穩(wěn)定且易實現(xiàn)，建議優(yōu)先選擇。

2) 主機旁通閥的設計應搭配變頻乙二醇泵，否則不僅會影響系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，還會造成能耗增加。

3) 以定溫度的方式可以實現(xiàn)乙二醇泵變頻運行，對控制系統(tǒng)有較高的要求，并且乙二醇泵變頻的下限需同時考慮主機和冰槽對最小流量的需求。