串聯式主機上游冰蓄冷系統中不同設計方案對系統運行的影響

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，冰蓄冷系統的控制問題逐漸被人們所關注。相較于常規冷源系統，冰蓄冷系統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，但于系統本身而言，實現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、系統穩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。本文針對串聯式主機上游冰蓄冷系統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《冰蓄冷系統設計與施工圖集》[1](以下簡稱圖集)規定，串聯式主機上游冰蓄冷系統的流程圖為圖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，該系統流程圖為圖1b(以下簡稱方案2)。可以看出，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，當負荷發生變化時，2種方案運行狀態的改變也不相同。供冷工況分為主機和冰槽聯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 主機上游串聯系統控制原理圖

2種方案供冷時的控制點一致，即設置T1恒定，調節閥門V1和V2；設置T2恒定，調節閥門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 聯合供冷工況

由于是串聯系統，且T3和T1恒定(暫不考慮T3在優化運行策略下的改變，只按設計參數作定性分析)，因此系統按設計工況(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。系統按設計的最大出力運行時，2種方案系統流量一致，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，系統相應減載，此時控制系統調節閥門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為設計流量的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混合后溫度變為T1，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，因此冰槽出力變為xRb=xbR/a，則主機出力變為：xRz-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混合后溫度變為T1，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量發生變化(即系統運行流量發生變化)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：聯合供冷工況下，當系統運行流量不變時，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，混合后溫度變為T1，因此V4旁通支路載冷劑溫度始終穩定為T1，而V1旁通支路的載冷劑溫度根據負荷變化在(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生振蕩，這對控制系統存在一定的影響。

對于方案2，在聯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，若系統運行流量不改變，則只有閥門V3和V4開度發生變化，閥門V1和V2開度不發生變化。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節所述)，該溫度的變化會引起閥門V1和V2開度發生變化。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。部分設計工作者認為此工況下，載冷劑依然流經主機蒸發器，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器。

圖2 主機旁通系統流程圖

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，系統將不斷經歷基礎參數的巨大變動，影響系統的控制[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，其實是聯合供冷工況和冰槽單獨供冷工況之間的切換。聯合供冷工況模式下，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，管網特性曲線變為2，此時乙二醇泵的流量和揚程分別變為Q2和H2。可以看出，旁通閥打開后，乙二醇泵為過流狀態，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′變為2′，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波動，解決了乙二醇泵過流的問題。并且根據泵的相似理論(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了節能。

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流量不同的問題；第二，供冷工況系統變流量運行，以達到節能的效果。

3.1 流量不同

部分設計工作者將乙二醇泵按變頻設計，其出發點并非是節能，而是因為蓄冰工況與空調工況系統流量不同，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，則根據熱量計算公式可以得出：空調工況系統設計流量m1=(Rs+Rb)/Δt，化簡得m1=Rs/Δt1(具體推導可參考1.1節)；蓄冰工況系統設計流量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能效果目前未有統一的認識，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，所以其節能效果不如常規系統[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

常規一級泵變流量冷水系統中，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，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的恒定是通過調節閥門V3和V4來實現的，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，不能進入過渡區，更不能處于層流狀態，以免影響盤管的換熱效率。系統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。若二次側負荷繼續減小，乙二醇泵便無法繼續維持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。控制算法如圖5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閥門V1和V2，改變進入到冰槽的載冷劑流量來實現的。若乙二醇泵變頻，當負荷發生變化時，系統流量的改變有可能導致T1發生變化，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生振蕩。可以看出，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的運行狀態就變得完全一樣。聯合供冷工況下，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下的定頻運行狀態，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、融冰率及控制系統穩定性；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，控制系統更穩定且易實現，建議優先選擇。

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控制的穩定性，還會造成能耗增加。

3) 以定溫度的方式可以實現乙二醇泵變頻運行，對控制系統有較高的要求，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。