淺談集中空調一次泵變流量水系統控制方式的對比

鄭鵬杰

（深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510665）

0 引言

節能減排是我國實現可持續發展的重要措施，據資料顯示[1]，建筑能耗約占社會能耗的28%，而在建筑能耗中，集中空調系統能耗約占建筑能耗的40%～50%。集中空調系統中，冷水機組制冷能耗約占50%～60%，冷凍水泵與冷卻水泵能耗約占25%～30%，各種末端設備能耗約占15%～20%[2]。集中空調系統的設備選型一般是按照建筑最大負荷設計，且設計過程中往往會存在或多或少的放大，然而，集中空調系統大部分時間都是在部分負荷運行，據研究[3]，商業辦公建筑集中空調系統有一半的時間運行在滿負荷的50%。因此，集中空調系統節能是建筑節能重要途徑之一，而輸配系統節能是集中空調系統節能的重要措施之一。

集中空調冷凍水系統變流量的節能問題已有較多相關研究和工程應用[4-6]，較一致的表明，在一定范圍內的冷凍水系統變流量，對冷水機組的能效影響不大，但能節省水泵輸配能耗，是一種值得推廣的節能措施，其節能效果與變流量控制方式息息相關。本文將結合以往相關研究，對集中空調一次泵變流量水系統三種常用控制方式進行對比分析，并對設計中的應用提出建議。

1 集中空調一次泵變流量水系統簡介

通常，我們將集中空調水系統從位置上構成分為兩部分，即冷源側（制冷機房內）水系統和用戶側（制冷機房外）水系統[7]，對于定、變流量系統的區分是針對用戶側而言的，即在空調系統運行全過程中，如果用戶側水系統總水量處于實時變化的，則將此水系統定義為變流量水系統，反之，則定義為定流量水系統。而所謂的一次泵水系統（也稱一級泵水系統），其特點就是系統中只設置了一級水泵來承擔全部水系統的循環阻力。當兩者結合，即為集中空調一次泵變流量水系統（圖1）。另外，如果考慮冷源設備的流量變化情況，一次泵變流量系統又可分為：一次泵壓差旁通控制變流量系統和一次泵變頻變流量系統兩種形式。

圖1 一次泵變流量水系統

2 水泵變流量原理

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

因此，從理論可知，當空調系統冷負荷的減少時，通過調整水泵電源頻率，降低水泵轉速和流量，水泵軸功率呈三次方的比例降低，可大幅降低水泵能耗，從而達到節能的目的。

3 常用控制方式對比

3.1 干管定溫差法

由熱力學第一定律可知，系統冷負荷變化時，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荷需求。在供回水干管設置溫度檢測裝置，而一般情況下，供水溫度設定為7℃，供回水溫差設定為5℃，所以干管定溫差法通常只在回水干管上設置裝置檢測回水溫度即可計算出供回水溫差，并與設定值5℃做比較。當系統冷負荷減少時，若水流量不變，供回水溫差將減小，系統控制水泵降頻運行，減少水流量，使供回水溫差增大至設定的5℃。反之，當系統負荷增加時，供回水溫差將增大，則控制水增頻運行，使供回水溫差減小至設定的5℃（圖2）。

圖2 干管定溫差法

干管定溫差法不需在末端設置調節閥，當系統負荷減少時，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，其值反應的是上一個冷凍水循環周期時冷凍水供水溫度對水系統產生作用的結果，溫度變化相對于負荷變化存在滯后，不能及時反應冷負荷變化；另一方面，實際工程中，末端負荷變化方向是不同的，例如有些末端滿負荷運行，有些末端部分負荷運行，水泵降頻運行時，可能出現滿負荷運行的末端無法滿足負荷需求[10]。

因此，干管定溫差法雖然控制簡單且節能效果好，但是控制時效性差，控制精度不高，當負荷變化方向不同時無法滿足所有末端的實際需求。

3.2 干管定壓差法

系統負荷變化時，室內溫控器根據室內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，控制水泵的變頻運行，保持供回水干管之間壓差恒定在設定值。當末端冷負荷減少時，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，根據壓差增大的信號控制水泵降頻運行，使水泵揚程及干管壓差降低至設定值。反之，水泵增頻運行，使水泵揚程及干管壓差增加至設定值（圖3）。

圖3 干管定壓差法

干管定壓差法每個末端或大部分末端會設置可調節的電動二通閥，閥門開度變化時，會使管路阻抗發生變化，水泵變頻前后功率與流量關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程，因此節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，其反應靈敏，時效性比較好，控制線路只需設置在制冷機房內，系統可靠，在工程中應用較多。然而，由于供回水干管壓差設定值一般較大（接近水泵揚程），水泵變頻幅度有限，不利于系統的節能運行[10]，且當系統較大且只有小部分的末端負荷產生變化，末端閥門雖然有動作，但對干管壓差影響甚小，此時就影響控制的精確度；另外，要準確確定供回水干管壓差設定值比較困難，且實際工程中影響因素較多，即使通過詳細理論計算得到，也很難與實際值相符，影響其控制精確度。

因此，干管定壓差法反應快，靈敏度高，但末端調節閥改變了管路阻抗，且水泵變頻幅度有限，節能效果較差。

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，控制水泵的變頻運行，保持末端供回水支管之間壓差恒定在設定值（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置可調節的電動二通閥，也會使管路阻抗發生變化，末端閥門也會消耗一定的水泵揚程，但由于末端壓差設定值較小，其影響比干管定壓差小，因此節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，反應靈敏，時效性比較好，且最不利末端壓差設定值容易準確確定（廠家樣本均能提供），只要保證了最不利環路在設計工況運行，其他環路也可以滿足設計工況的需求，因此系統比較安全可靠，是目前最為常用的控制方式。但是，實際工程中[12]，空調系統的運行比較復雜，是動態變化的，且系統較大時有很多末端環路，要準確確定最不利末端環路是比較困難的，而且即使找準了最不利末端環路，也無法保證最不利末端是一直開啟的，因此往往設置多個末端壓差傳感器，定出多個末端壓差設定值，然后根據最不利末端壓差偏差來控制水泵變頻運行，增加了控制的復雜程度，而且控制線需要從中央集控室敷設至最不利末端環路，布線較長也會增加故障率；另外，工程中空調自控公司為了安全起見，會將末端壓差值設定為經驗值，而不是詳細的計算值，往往會使最不利末端壓差設定值偏大。

因此，最不利末端定壓差法同樣擁有反應快，靈敏度高的特點，系統比較安全可靠，且節能效果較好，但控制復雜。

4 設計中的應用及建議

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調節閥、空調區域個性化要求不高、末端負荷變化率接近的場所，如商場、超市、展覽館等負荷同步變化場所，辦公、酒店等全部或絕大多數末端設備為風機盤管的建筑，若新風機上不設調節閥，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末端設備設調節閥、空調區域個性化要求高的場所，其中最不利末端壓差法節能效果更好，控制也更精確[11-13]。

4.2 設計建議

工程設計中，控制方式始終是輔助手段，應根據工程特點，合理設計空調系統，才是節能的關鍵。如空調使用時間或業態差別較大的場所，應分開獨立設置空調系統；選型應合理，需經過詳細計算確定，不宜過大；合理劃分環路及各環路承擔負荷，使各環路負荷在實際使用過程中盡量一致性變化，便于控制；水系統設計應盡量使各環路容易實現水力平衡，減少不必要的調節閥數量以及調試工作量，也便于控制系統實現節能目的。

一次泵變流量水系統中，應根據實際情況，選擇合適的控制方式，才能準確控制。首先，一般大型項目都會采取多臺“大小機組”的搭配方式，以滿足部分負荷需求，機組群控策略需綜合考慮系統特性、冷水機組供水溫度、制冷量、流量等多個因素詳細設計；其次，水系統變流量節能運行的基礎是要保證空調末端有效自控，如壓差控制法在系統中的控制點位置不同，其控制策略和節能效果也有所不同；末端需設計調節閥才能根據負荷調節流量，并且在后期施工、系統調試、運維管理中，要特別注意對末端調節閥的檢查和維護，避免水泵變頻運行但無法實現水系統有效變流量運行。

5 結語

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一次泵變流量水系統的應用中各有特點，工程設計中需根據實際情況選用。首先應合理設計空調系統和控制系統，并在后期對設備進行合理維護，才能實現系統有效運行和控制。