一級泵變流量系統控制方法研究

魏鎖鵬 陸樸榮 張麗蓉

摘 要：建筑的供暖、通風與空調系統中，合理設計并高效運行是解決空調耗能的關鍵。在中央空調一次泵變流量水系統實際的運行過程中，水泵往往不能按照設計要求進行變頻，因而達不到理想的節能效果。文章通過研究一級泵變流量系統部分負荷下管網特性與阻力系數的變化，采用定性分析法，分析自然溫降法、溫差控制法、壓差控制法、最小阻力法這4種控制方法的原理、特點、局限性及適用范圍，以期指導選擇出在水泵運行過程中合理的控制方法，從而實現空調水系統的節能運行。

關鍵詞：一級泵；變流量；控制；節能；低碳

中圖分類號：TU831 文獻標志碼：A

作者簡介：魏鎖鵬（1978-），男，大學本科，高級工程師，注冊設備工程師（暖通空調），主要研究方向：供熱通風與空調工程設計、審核等。

0 引言

公共建筑的全年能耗中，供暖空調系統的能耗約占10%～50%[1]，國家標準《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 51350—2019）的實施，大力推動了節能建筑的建設與發展。近零能耗建筑設計技術路線強調通過建筑自身的被動式、主動式設計，大幅度降低建筑供熱供冷的能耗需求，使能耗控制目標絕對值降低[2]。在主動式設計中，空調變流量水系統設計和運行是空調節能的關鍵。

空調變流量冷凍水系統分為一級泵壓差旁通變流量系統、一級泵變頻變流量系統和二級泵變流量系統[3]。一級泵系統冷水機組變流量運行時，空調水系統的控制要求是供、回水總管之間的旁通調節閥可采用流量、溫差或壓差控制，水泵的臺數和變速控制宜根據系統壓差變化控制[4]。文章對一級泵壓差旁通變流量系統及一級泵變頻變流量系統，以冷源側阻力數不做調整（即不做加減機、不調整支路閥門）為例，探討部分負荷下各系統的阻力變化，以及各控制方法的特點。

1 一級泵變流量部分負荷系統特性

1.1 管網與水泵特性

一級泵壓差旁通變流量系統原理圖見圖1。該系統要求流過蒸發器的冷凍水流量不變，因此冷凍水泵無法變速調節，系統在末端調節流量引起的盈虧通過設置旁通來補償，通過在供回水干管間設置由壓差控制的旁通回路（旁通管及壓差電動閥）實現部分負荷下地分流。該系統的負荷側與壓差旁通一起構成調節系統，在部分負荷時調節系統的總壓差不變，總流量不變，因此總阻力數也不變，旁通回路的作用為補償因用戶負荷減小導致的用戶側阻力數減小而維持用戶側總阻力數不變。該系統調節前后的水泵工作點不變，水泵流量、揚程均不變。一級泵壓差旁通變流量系統在部分負荷下時管網特性曲線A由于有旁通回路補償而不發生變化，水泵因冷源側未調整曲線仍為1，此時系統工作點仍為O 1 ，如圖2所示，系統不具有節能性，僅滿足末端調整需要。

在一級泵變頻變流量系統中，當用戶側冷負荷需求降低時，通過變頻器改變冷水泵的轉速，減少冷水流量供應，從而使得冷水泵的運行能耗降低。就目前的產品而言，冷水機組內部允許的流量變化仍有一定范圍，因此冷水泵的最低運行轉速（和變頻器的輸出最小頻率）被限制。

當用戶側冷負荷需求流量小于冷機允許最小流量時，如果用戶需求進一步下降，為了保證冷水機組的安全運行，整個系統只能按照“一級泵壓差旁通變流量系統”來運行。因此，受到最小流量限制，壓差旁通閥控制仍然是必須要設置的自控環節，見圖3。

當用戶側冷負荷需求流量大于冷機允許最小流量時，隨用戶負荷下降，關小末端閥門，干管壓差增加，調整水泵轉速使干管壓差達到設定值。雖然調整后控制點壓差不變，但控制點至末端干管的壓力損失減小，末端支路的壓差增加，末端調節閥的開度減小，負荷側阻力數增加，由于沒有旁通回路來補償，整個管網的阻力數增加。系統在部分負荷下，當負荷需求流量大于冷源允許最低流量時與冷機定管網特性曲線為曲線B，水泵調速后曲線為2，系統工作點為O 2 ，如圖4。總流量減小，冷源側的壓力損失減小，水泵揚程也下降。

1.2 表冷器靜特性

表冷器部分負荷時的相對換熱量與對應的相對流量的關系曲線稱為表冷器的靜特性。對于以水為一次側介質的換熱器，無論二次側是水還是空氣，其靜特性都是非線性的，表冷器的靜特性曲線呈現快開特性。在部分負荷條件下，當流量減小時，相對流量減小的速度大于相對換熱量減小的速度，由Q=Gc△t （式中：Q為熱換量，G為流量，△t為溫差，C為比熱）可知，表冷器進出口溫差增大；反之，當流量增加時，相對流量增加的速度大于相對換熱量增加的速度，表冷器進出口溫差減小，如圖5所示。

2 冷機變流量的一級泵變流量系統的控制方法

目前對冷機變流量循環水泵轉速的調節控制方法的研究仍是行業熱點，變流量系統水泵變速調節的控制方法主要有自然溫降法、溫差控制法、壓差控制法及最小阻力法等。

表1列舉了自然溫降法、溫差控制法、壓差控制法，以及最小阻力法這4種變流量系統水泵變速調節控制方法的優缺點。

2.1 自然溫降法

自然溫降法是指在管網阻力特性不變的情況下，隨末端負荷的降低，通過調節水泵轉速來滿足末端的需求，當水泵轉速下降時，水泵曲線和管網曲線的交點即水泵工作點O 2 較設計工作點O 1 沿著管網特性曲線A向左下方偏移，如圖6所示，末端流量和揚程降低，從而達到調節的一種控制方法[5]。該方法管網總的阻力特性不變，即末端支路未裝設任何調節或通斷型閥門，故該控制方法只能由空調區域溫度設定值來控制水泵變速調節運行。在冷機出水溫度不變的情況下，隨著空調系統負荷率的不斷減少，流過系統末端設備的水量不斷減少，由表冷器靜特性可知，回水溫度升高，供、回水溫差增大。自然降溫法調節簡單，但是節能潛力有限。

2.2 溫差控制法

溫差控制法的工作原理是在供回水干管上設置溫度檢測裝置，由于供水溫度通常控制在7 ℃，供回水溫差為5 ℃，所以通常只需要在回水干管上設置回水溫度檢測裝置。通過分析負荷側溫差變化情況就可以控制水泵的變頻調節。該方法的特點是末端不設隨負荷變化而動作的調節閥，管路的阻力數等于常數，管路特性曲線與相似拋物線重合，水泵能耗以轉速三次方的關系遞減，因此溫差控制是最節能的控制方式。溫差控制在工程上出現的不多，主要原因是這類設計要求負荷側均需按同一規律同步變化，否則容易出現水量供應失衡。

采用溫差控制法時，應保證流量變化趨勢與換熱量變化趨勢一致。當溫差小于設定值時降低水泵轉速，當溫差大于設定值時提高水泵轉速。由于冷機出水溫度通常可以設定并保持恒定不變，因此，供回水溫差控制實際上也就是回水溫度控制[6]。

當大多數末端為二通閥通斷控制的風機盤管機組時，盡管風機盤管的靜特性與表冷器基本一致，但由于風機盤管機組的水路只有接通和斷開2種狀態，當負荷下降時，二通閥的開啟率（接通的數量占總數量的比例）下降，仍處于開啟狀態的二通閥末端壓差增加、流量增加、溫差減小，溫差減小與負荷下降的趨勢呈線性關系，溫差控制法是可行的。通斷控制是經濟地實現溫差控制法的先決條件，沒有通斷控制，溫差控制法就無法經濟地實現。

當大多數末端為電動調節閥控制的組合式空調機組表冷器，若采取溫差控制法，在負荷側表冷器調整趨勢一致的情況下，因表冷器靜特性的影響，在負荷下降時溫差是增大的，而溫差增大對于控制系統來說則要增加水泵轉速提高流量，這就產生了矛盾。因此，溫差控制法不能直接應用于具有調節型末端的系統。為解決這一矛盾，需要設置由壓差控制的旁通管路，如在最遠末端支路供回水管道之間設置壓差旁通用于平衡系統流量，所以部分負荷時供回水總管溫差減小，溫差控制器據此控制水泵降速，旁通流量減小直至關閉，系統溫差恢復至設定值。

溫差法如果負荷低于水泵最小允許流量后，總管上可加三通閥旁通（三通閥調節時，系統總阻力數不變），溫度傳感器設置在回水管混合點之前（測量真實用戶側負荷）。 空調系統末端無調節閥，總阻力數不變，冷機在保證最小允許流量不變后，冷機輸出還有不少下降的空間，隨回水溫度和出水的溫差（出水溫度不變）調整內部輸出，節能潛力大。

2.3 壓差控制法

壓差控制法是一種一級泵變流量系統常用的節能控制方法，通過測量供回水管道之間的壓差信號來調節水泵的流量。根據不同的控制點位置，可以將壓差控制法分為供回水干管壓差控制法（控制旁通管兩端壓差）和最不利末端壓差控制法（控制負荷側最不利末端兩端壓差）。

在最不利末端壓差旁通控制法中，通過測量末端用戶支路的壓差信號來調節水泵的流量。當末端負荷下降，關小末端電動二通調節閥，引起壓差超過設定值時，需要調整水泵的轉速來達到壓差設定值，可以控制水泵的變頻調節，減小控制點的壓差，達到節能的效果。

壓差控制法的優點為反應快、靈敏度高，可快速調節水泵的流量以適應系統的需求變化。最不利環路末端壓差控制的節能效果優于干管壓差控制，但對于較大較復雜的系統，如果干管前后段用戶負荷變化不一致，當前段有較大負荷情況時，最不利末端壓差控制可能會導致前段用戶出現壓差不足，從而流量得不到保證，并且最不利環路的選擇有時也會存在困難。

在水泵變頻系統中，調節的目標是確保流量達到設計點。當管網特性曲線不變時，系統總阻力數不變，一般近似認為變頻調節過程中水泵效率不變。變頻調節使運行流量減小到設計流量時，需要注意選泵狀態點是否在管網特性曲線上，以確保揚程能夠達到設計狀態的揚程。

值得注意的是壓差設定值既不能過大，也不能過小。壓差設定值越大，末端調節閥在調節過程中按照壓差設定值作為對比，會出現過調，使末端調節閥開度過小，管網系統阻力增加，水泵的實際工作點向左上方移動，導致水泵效率下降，影響水泵的節能效果。若壓差設定過小，變頻水泵調節按照壓差設定值作為對比，會出現過調末端流量不足，無法滿足空調區域溫度要求。根據《近零能耗建筑技術標準》（GB 50189—2019）的條文說明，可以在代表性環路中增加壓差傳感器，以提高判斷的準確性。例如，當任一壓差信號達不到設定值時，需要提高水泵轉速；當所有壓差信號均超過設定值時，需要降低轉速。

2.4 最小阻力法

最小阻力控制法也叫末端閥位控制法或最小壓差控制法。取系統末端的壓差作為設定值，不需要測量水系統管網壓差或供回水總管溫差，在保證末端冷量供應充足的前提下，要使閥門的開度盡可能大，從而減小消耗在閥門上不必要的阻力。這種控制方式是根據所有末端控制閥的狀態來作為變流量控制依據，是一種理想的控制方式，可以提供足夠多的依據來對流量進行控制，但一個中大型制冷系統，數百個末端，這種控制方式的成本和系統難度都有所增加。

3 結論

（1）自然溫降法在部分負荷工況下，水系統的阻力系數不變，通過改變水泵轉速來調節流量，調節簡單，節能潛力有限。

（2）溫差控制法在空調系統末端無調節閥，系統總阻力數不變，是最節能的控制方式。但溫差控制易受環境溫度等影響，控制精度不高，同時由于受換熱設備靜特性影響和用戶使用情況的影響，溫差變化存在響應較慢、滯后較長的缺點，較少使用。

（3）壓差控制法是一種有效的節能控制方法，可以根據系統的需求靈活調節水泵的流量。在應用過程中，需要根據具體情況選擇合適的壓差，并結合變頻調節以實現水泵系統的節能優化；一級泵變流量系統冷水機組定流量運行時，空調水系統供、回水總管之間的旁通調節閥應采用壓差控制。

（4）最小阻力控制法需末端閥門開度盡可能開大，但是控制復雜。因此，對于小型空調系統，是一種理想的控制方式；對于中大型制冷系統，從成本和系統難度角度而言都不可取。

參考文獻：

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[2]汪錚. 基于超低能耗的被動主動式建筑設計探研[J]. 建設科技，2019（19）：21-27+31.

[3]于鵬飛. CRCP+DOAS空調系統末端換熱機理及冷水輸配系統研究[D]. 西安：西安工程大學，2017.

[4]中國建筑科學研究院. 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范：GB 50736—2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[5]趙亞偉. 空調水系統的優化分析與案例剖析[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2015.

[6]李蘇瀧. 一次泵系統冷水變流量節能控制研究[J]. 暖通空調，2006（7）：72-75.

Research on Control Method for Variable Flow System of Primary Pump

WEI Suopeng， LU Purong， ZHANG Lirong

（CSCEC AECOM Consultants Co. Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：：In the heating， ventilation and air conditioning system of the building， the reasonable design and effi?cient operation are the key to solving the energy consumption of air conditioning. However， in the actual operation of the variable flow water system of the central air conditioning pump， the pump often can not be frequently converted according to the design requirements， so it can not achieve the ideal energy-saving effect. The paper studies the change of pipe network characteristics and resistance coefficient under partial load of variable flow system of prima?ry pump， and adopts qualitative analysis method to analyze the principle，characteristics， limitations and application scope of four control methods， including natural temperature drop method， temperature difference control method，pressure difference control method and minimum resistance method， in order to guide the selection of a reasonable control methods during the operation process of water pump.Thus，the energy-saving operation of air-conditioning water system can be realized.

Key words：：primary pump; variable flow; control; energy saving; low carbon