淺談集中空調(diào)一次泵變流量水系統(tǒng)控制方式的對比

鄭鵬杰

（深圳市華陽國際工程設(shè)計(jì)股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510665）

0 引言

節(jié)能減排是我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，據(jù)資料顯示[1]，建筑能耗約占社會能耗的28%，而在建筑能耗中，集中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑能耗的40%～50%。集中空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組制冷能耗約占50%～60%，冷凍水泵與冷卻水泵能耗約占25%～30%，各種末端設(shè)備能耗約占15%～20%[2]。集中空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備選型一般是按照建筑最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)過程中往往會存在或多或少的放大，然而，集中空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷運(yùn)行，據(jù)研究[3]，商業(yè)辦公建筑集中空調(diào)系統(tǒng)有一半的時(shí)間運(yùn)行在滿負(fù)荷的50%。因此，集中空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是建筑節(jié)能重要途徑之一，而輸配系統(tǒng)節(jié)能是集中空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要措施之一。

集中空調(diào)冷凍水系統(tǒng)變流量的節(jié)能問題已有較多相關(guān)研究和工程應(yīng)用[4-6]，較一致的表明，在一定范圍內(nèi)的冷凍水系統(tǒng)變流量，對冷水機(jī)組的能效影響不大，但能節(jié)省水泵輸配能耗，是一種值得推廣的節(jié)能措施，其節(jié)能效果與變流量控制方式息息相關(guān)。本文將結(jié)合以往相關(guān)研究，對集中空調(diào)一次泵變流量水系統(tǒng)三種常用控制方式進(jìn)行對比分析，并對設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提出建議。

1 集中空調(diào)一次泵變流量水系統(tǒng)簡介

通常，我們將集中空調(diào)水系統(tǒng)從位置上構(gòu)成分為兩部分，即冷源側(cè)（制冷機(jī)房內(nèi)）水系統(tǒng)和用戶側(cè)（制冷機(jī)房外）水系統(tǒng)[7]，對于定、變流量系統(tǒng)的區(qū)分是針對用戶側(cè)而言的，即在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行全過程中，如果用戶側(cè)水系統(tǒng)總水量處于實(shí)時(shí)變化的，則將此水系統(tǒng)定義為變流量水系統(tǒng)，反之，則定義為定流量水系統(tǒng)。而所謂的一次泵水系統(tǒng)（也稱一級泵水系統(tǒng)），其特點(diǎn)就是系統(tǒng)中只設(shè)置了一級水泵來承擔(dān)全部水系統(tǒng)的循環(huán)阻力。當(dāng)兩者結(jié)合，即為集中空調(diào)一次泵變流量水系統(tǒng)（圖1）。另外，如果考慮冷源設(shè)備的流量變化情況，一次泵變流量系統(tǒng)又可分為：一次泵壓差旁通控制變流量系統(tǒng)和一次泵變頻變流量系統(tǒng)兩種形式。

圖1 一次泵變流量水系統(tǒng)

2 水泵變流量原理

根據(jù)水泵相似定律[8]，水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能參數(shù)也將改變，其變化規(guī)律如下：流量Q（m3/h）、揚(yáng)程H（m）、軸功率N（kW）、和轉(zhuǎn)速n（r/min）之間存在以下關(guān)系為Q/Q0=n/n0，H/H0=（n/n0）2，N/N0=（n/n0）3，即水泵流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比。另根據(jù)交流電動機(jī)工作原理，水泵轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比。

因此，從理論可知，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的減少時(shí)，通過調(diào)整水泵電源頻率，降低水泵轉(zhuǎn)速和流量，水泵軸功率呈三次方的比例降低，可大幅降低水泵能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 常用控制方式對比

3.1 干管定溫差法

由熱力學(xué)第一定律可知，系統(tǒng)冷負(fù)荷變化時(shí)，可通過改變冷凍水流量或改變冷凍水供回水溫差以滿足負(fù)荷需求。在供回水干管設(shè)置溫度檢測裝置，而一般情況下，供水溫度設(shè)定為7℃，供回水溫差設(shè)定為5℃，所以干管定溫差法通常只在回水干管上設(shè)置裝置檢測回水溫度即可計(jì)算出供回水溫差，并與設(shè)定值5℃做比較。當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷減少時(shí)，若水流量不變，供回水溫差將減小，系統(tǒng)控制水泵降頻運(yùn)行，減少水流量，使供回水溫差增大至設(shè)定的5℃。反之，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，供回水溫差將增大，則控制水增頻運(yùn)行，使供回水溫差減小至設(shè)定的5℃（圖2）。

圖2 干管定溫差法

干管定溫差法不需在末端設(shè)置調(diào)節(jié)閥，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減少時(shí)，管路阻抗不變，理論上水泵能耗能呈三次方的比例降低，是最節(jié)能的控制方式[9]。但是，由于該控制方式采用回水溫度作為控制信號，其值反應(yīng)的是上一個(gè)冷凍水循環(huán)周期時(shí)冷凍水供水溫度對水系統(tǒng)產(chǎn)生作用的結(jié)果，溫度變化相對于負(fù)荷變化存在滯后，不能及時(shí)反應(yīng)冷負(fù)荷變化；另一方面，實(shí)際工程中，末端負(fù)荷變化方向是不同的，例如有些末端滿負(fù)荷運(yùn)行，有些末端部分負(fù)荷運(yùn)行，水泵降頻運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行的末端無法滿足負(fù)荷需求[10]。

因此，干管定溫差法雖然控制簡單且節(jié)能效果好，但是控制時(shí)效性差，控制精度不高，當(dāng)負(fù)荷變化方向不同時(shí)無法滿足所有末端的實(shí)際需求。

3.2 干管定壓差法

系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，室內(nèi)溫控器根據(jù)室內(nèi)溫度的變化改變末端二通閥的開度，末端供回水管壓差將產(chǎn)生變化，而供回水干管的壓差會隨著末端壓差變化而變化，在供回水干管或分集水器處設(shè)置壓差檢測裝置，通過分析供回水干管之間作用壓差的變化情況，控制水泵的變頻運(yùn)行，保持供回水干管之間壓差恒定在設(shè)定值。當(dāng)末端冷負(fù)荷減少時(shí)，為減小末端冷水流量，末端二通閥開度減小，末端阻力增大，引起供回水管干管壓差增大，根據(jù)壓差增大的信號控制水泵降頻運(yùn)行，使水泵揚(yáng)程及干管壓差降低至設(shè)定值。反之，水泵增頻運(yùn)行，使水泵揚(yáng)程及干管壓差增加至設(shè)定值（圖3）。

圖3 干管定壓差法

干管定壓差法每個(gè)末端或大部分末端會設(shè)置可調(diào)節(jié)的電動二通閥，閥門開度變化時(shí)，會使管路阻抗發(fā)生變化，水泵變頻前后功率與流量關(guān)系也不再滿足理論的三次冪定律[11]，且末端閥門也會消耗一定的水泵揚(yáng)程，因此節(jié)能效果比干管定溫差法差[9]。該控制方式是以壓差作為控制信號，其反應(yīng)靈敏，時(shí)效性比較好，控制線路只需設(shè)置在制冷機(jī)房內(nèi)，系統(tǒng)可靠，在工程中應(yīng)用較多。然而，由于供回水干管壓差設(shè)定值一般較大（接近水泵揚(yáng)程），水泵變頻幅度有限，不利于系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行[10]，且當(dāng)系統(tǒng)較大且只有小部分的末端負(fù)荷產(chǎn)生變化，末端閥門雖然有動作，但對干管壓差影響甚小，此時(shí)就影響控制的精確度；另外，要準(zhǔn)確確定供回水干管壓差設(shè)定值比較困難，且實(shí)際工程中影響因素較多，即使通過詳細(xì)理論計(jì)算得到，也很難與實(shí)際值相符，影響其控制精確度。

因此，干管定壓差法反應(yīng)快，靈敏度高，但末端調(diào)節(jié)閥改變了管路阻抗，且水泵變頻幅度有限，節(jié)能效果較差。

3.3 最不利末端定壓差法

與干管定壓差法原理相同，不過是在最不利末端供回水支管設(shè)置壓差檢測裝置，通過分析末端供回水支管之間作用壓差的變化情況，控制水泵的變頻運(yùn)行，保持末端供回水支管之間壓差恒定在設(shè)定值（圖4）。

圖4 最不利末端定壓差法

最不利末端定壓差法同樣在末端設(shè)置可調(diào)節(jié)的電動二通閥，也會使管路阻抗發(fā)生變化，末端閥門也會消耗一定的水泵揚(yáng)程，但由于末端壓差設(shè)定值較小，其影響比干管定壓差小，因此節(jié)能效果比干管定溫差法差，但比干管定壓差法好[9]。該控制方式也是以壓差作為控制信號，反應(yīng)靈敏，時(shí)效性比較好，且最不利末端壓差設(shè)定值容易準(zhǔn)確確定（廠家樣本均能提供），只要保證了最不利環(huán)路在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，其他環(huán)路也可以滿足設(shè)計(jì)工況的需求，因此系統(tǒng)比較安全可靠，是目前最為常用的控制方式。但是，實(shí)際工程中[12]，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行比較復(fù)雜，是動態(tài)變化的，且系統(tǒng)較大時(shí)有很多末端環(huán)路，要準(zhǔn)確確定最不利末端環(huán)路是比較困難的，而且即使找準(zhǔn)了最不利末端環(huán)路，也無法保證最不利末端是一直開啟的，因此往往設(shè)置多個(gè)末端壓差傳感器，定出多個(gè)末端壓差設(shè)定值，然后根據(jù)最不利末端壓差偏差來控制水泵變頻運(yùn)行，增加了控制的復(fù)雜程度，而且控制線需要從中央集控室敷設(shè)至最不利末端環(huán)路，布線較長也會增加故障率；另外，工程中空調(diào)自控公司為了安全起見，會將末端壓差值設(shè)定為經(jīng)驗(yàn)值，而不是詳細(xì)的計(jì)算值，往往會使最不利末端壓差設(shè)定值偏大。

因此，最不利末端定壓差法同樣擁有反應(yīng)快，靈敏度高的特點(diǎn)，系統(tǒng)比較安全可靠，且節(jié)能效果較好，但控制復(fù)雜。

4 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及建議

4.1 控制方式的適用性

干管定溫差法一般適用于末端不設(shè)調(diào)節(jié)閥、空調(diào)區(qū)域個(gè)性化要求不高、末端負(fù)荷變化率接近的場所，如商場、超市、展覽館等負(fù)荷同步變化場所，辦公、酒店等全部或絕大多數(shù)末端設(shè)備為風(fēng)機(jī)盤管的建筑，若新風(fēng)機(jī)上不設(shè)調(diào)節(jié)閥，也可采用此控制方式。

干管定壓差法和最不利末端定壓差法一般適用于全部或絕大多數(shù)末端設(shè)備設(shè)調(diào)節(jié)閥、空調(diào)區(qū)域個(gè)性化要求高的場所，其中最不利末端壓差法節(jié)能效果更好，控制也更精確[11-13]。

4.2 設(shè)計(jì)建議

工程設(shè)計(jì)中，控制方式始終是輔助手段，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)，才是節(jié)能的關(guān)鍵。如空調(diào)使用時(shí)間或業(yè)態(tài)差別較大的場所，應(yīng)分開獨(dú)立設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)；選型應(yīng)合理，需經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算確定，不宜過大；合理劃分環(huán)路及各環(huán)路承擔(dān)負(fù)荷，使各環(huán)路負(fù)荷在實(shí)際使用過程中盡量一致性變化，便于控制；水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使各環(huán)路容易實(shí)現(xiàn)水力平衡，減少不必要的調(diào)節(jié)閥數(shù)量以及調(diào)試工作量，也便于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

一次泵變流量水系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的控制方式，才能準(zhǔn)確控制。首先，一般大型項(xiàng)目都會采取多臺“大小機(jī)組”的搭配方式，以滿足部分負(fù)荷需求，機(jī)組群控策略需綜合考慮系統(tǒng)特性、冷水機(jī)組供水溫度、制冷量、流量等多個(gè)因素詳細(xì)設(shè)計(jì)；其次，水系統(tǒng)變流量節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)是要保證空調(diào)末端有效自控，如壓差控制法在系統(tǒng)中的控制點(diǎn)位置不同，其控制策略和節(jié)能效果也有所不同；末端需設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥才能根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)流量，并且在后期施工、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)維管理中，要特別注意對末端調(diào)節(jié)閥的檢查和維護(hù)，避免水泵變頻運(yùn)行但無法實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)有效變流量運(yùn)行。

5 結(jié)語

干管定溫差法、干管定壓差法和最不利末端定壓差法在集中空調(diào)一次泵變流量水系統(tǒng)的應(yīng)用中各有特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)中需根據(jù)實(shí)際情況選用。首先應(yīng)合理設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并在后期對設(shè)備進(jìn)行合理維護(hù)，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效運(yùn)行和控制。