一級(jí)泵變流量系統(tǒng)控制方法研究

魏鎖鵬 陸樸榮 張麗蓉

摘 要：建筑的供暖、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)中，合理設(shè)計(jì)并高效運(yùn)行是解決空調(diào)耗能的關(guān)鍵。在中央空調(diào)一次泵變流量水系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，水泵往往不能按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行變頻，因而達(dá)不到理想的節(jié)能效果。文章通過(guò)研究一級(jí)泵變流量系統(tǒng)部分負(fù)荷下管網(wǎng)特性與阻力系數(shù)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(diǎn)、局限性及適用范圍，以期指導(dǎo)選擇出在水泵運(yùn)行過(guò)程中合理的控制方法，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：一級(jí)泵；變流量；控制；節(jié)能；低碳

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：魏鎖鵬（1978-），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，注冊(cè)設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），主要研究方向：供熱通風(fēng)與空調(diào)工程設(shè)計(jì)、審核等。

0 引言

公共建筑的全年能耗中，供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占10%～50%[1]，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350—2019）的實(shí)施，大力推動(dòng)了節(jié)能建筑的建設(shè)與發(fā)展。近零能耗建筑設(shè)計(jì)技術(shù)路線強(qiáng)調(diào)通過(guò)建筑自身的被動(dòng)式、主動(dòng)式設(shè)計(jì)，大幅度降低建筑供熱供冷的能耗需求，使能耗控制目標(biāo)絕對(duì)值降低[2]。在主動(dòng)式設(shè)計(jì)中，空調(diào)變流量水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行是空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵。

空調(diào)變流量冷凍水系統(tǒng)分為一級(jí)泵壓差旁通變流量系統(tǒng)、一級(jí)泵變頻變流量系統(tǒng)和二級(jí)泵變流量系統(tǒng)[3]。一級(jí)泵系統(tǒng)冷水機(jī)組變流量運(yùn)行時(shí)，空調(diào)水系統(tǒng)的控制要求是供、回水總管之間的旁通調(diào)節(jié)閥可采用流量、溫差或壓差控制，水泵的臺(tái)數(shù)和變速控制宜根據(jù)系統(tǒng)壓差變化控制[4]。文章對(duì)一級(jí)泵壓差旁通變流量系統(tǒng)及一級(jí)泵變頻變流量系統(tǒng)，以冷源側(cè)阻力數(shù)不做調(diào)整（即不做加減機(jī)、不調(diào)整支路閥門(mén)）為例，探討部分負(fù)荷下各系統(tǒng)的阻力變化，以及各控制方法的特點(diǎn)。

1 一級(jí)泵變流量部分負(fù)荷系統(tǒng)特性

1.1 管網(wǎng)與水泵特性

一級(jí)泵壓差旁通變流量系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)要求流過(guò)蒸發(fā)器的冷凍水流量不變，因此冷凍水泵無(wú)法變速調(diào)節(jié)，系統(tǒng)在末端調(diào)節(jié)流量引起的盈虧通過(guò)設(shè)置旁通來(lái)補(bǔ)償，通過(guò)在供回水干管間設(shè)置由壓差控制的旁通回路（旁通管及壓差電動(dòng)閥）實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷下地分流。該系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)與壓差旁通一起構(gòu)成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在部分負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總壓差不變，總流量不變，因此總阻力數(shù)也不變，旁通回路的作用為補(bǔ)償因用戶(hù)負(fù)荷減小導(dǎo)致的用戶(hù)側(cè)阻力數(shù)減小而維持用戶(hù)側(cè)總阻力數(shù)不變。該系統(tǒng)調(diào)節(jié)前后的水泵工作點(diǎn)不變，水泵流量、揚(yáng)程均不變。一級(jí)泵壓差旁通變流量系統(tǒng)在部分負(fù)荷下時(shí)管網(wǎng)特性曲線A由于有旁通回路補(bǔ)償而不發(fā)生變化，水泵因冷源側(cè)未調(diào)整曲線仍為1，此時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)仍為O 1 ，如圖2所示，系統(tǒng)不具有節(jié)能性，僅滿(mǎn)足末端調(diào)整需要。

在一級(jí)泵變頻變流量系統(tǒng)中，當(dāng)用戶(hù)側(cè)冷負(fù)荷需求降低時(shí)，通過(guò)變頻器改變冷水泵的轉(zhuǎn)速，減少冷水流量供應(yīng)，從而使得冷水泵的運(yùn)行能耗降低。就目前的產(chǎn)品而言，冷水機(jī)組內(nèi)部允許的流量變化仍有一定范圍，因此冷水泵的最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速（和變頻器的輸出最小頻率）被限制。

當(dāng)用戶(hù)側(cè)冷負(fù)荷需求流量小于冷機(jī)允許最小流量時(shí)，如果用戶(hù)需求進(jìn)一步下降，為了保證冷水機(jī)組的安全運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)只能按照“一級(jí)泵壓差旁通變流量系統(tǒng)”來(lái)運(yùn)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(shè)置的自控環(huán)節(jié)，見(jiàn)圖3。

當(dāng)用戶(hù)側(cè)冷負(fù)荷需求流量大于冷機(jī)允許最小流量時(shí)，隨用戶(hù)負(fù)荷下降，關(guān)小末端閥門(mén)，干管壓差增加，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速使干管壓差達(dá)到設(shè)定值。雖然調(diào)整后控制點(diǎn)壓差不變，但控制點(diǎn)至末端干管的壓力損失減小，末端支路的壓差增加，末端調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度減小，負(fù)荷側(cè)阻力數(shù)增加，由于沒(méi)有旁通回路來(lái)補(bǔ)償，整個(gè)管網(wǎng)的阻力數(shù)增加。系統(tǒng)在部分負(fù)荷下，當(dāng)負(fù)荷需求流量大于冷源允許最低流量時(shí)與冷機(jī)定管網(wǎng)特性曲線為曲線B，水泵調(diào)速后曲線為2，系統(tǒng)工作點(diǎn)為O 2 ，如圖4。總流量減小，冷源側(cè)的壓力損失減小，水泵揚(yáng)程也下降。

1.2 表冷器靜特性

表冷器部分負(fù)荷時(shí)的相對(duì)換熱量與對(duì)應(yīng)的相對(duì)流量的關(guān)系曲線稱(chēng)為表冷器的靜特性。對(duì)于以水為一次側(cè)介質(zhì)的換熱器，無(wú)論二次側(cè)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(xiàn)快開(kāi)特性。在部分負(fù)荷條件下，當(dāng)流量減小時(shí)，相對(duì)流量減小的速度大于相對(duì)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(jìn)出口溫差增大；反之，當(dāng)流量增加時(shí)，相對(duì)流量增加的速度大于相對(duì)換熱量增加的速度，表冷器進(jìn)出口溫差減小，如圖5所示。

2 冷機(jī)變流量的一級(jí)泵變流量系統(tǒng)的控制方法

目前對(duì)冷機(jī)變流量循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制方法的研究仍是行業(yè)熱點(diǎn)，變流量系統(tǒng)水泵變速調(diào)節(jié)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(tǒng)水泵變速調(diào)節(jié)控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 自然溫降法

自然溫降法是指在管網(wǎng)阻力特性不變的情況下，隨末端負(fù)荷的降低，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)滿(mǎn)足末端的需求，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，水泵曲線和管網(wǎng)曲線的交點(diǎn)即水泵工作點(diǎn)O 2 較設(shè)計(jì)工作點(diǎn)O 1 沿著管網(wǎng)特性曲線A向左下方偏移，如圖6所示，末端流量和揚(yáng)程降低，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的一種控制方法[5]。該方法管網(wǎng)總的阻力特性不變，即末端支路未裝設(shè)任何調(diào)節(jié)或通斷型閥門(mén)，故該控制方法只能由空調(diào)區(qū)域溫度設(shè)定值來(lái)控制水泵變速調(diào)節(jié)運(yùn)行。在冷機(jī)出水溫度不變的情況下，隨著空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷率的不斷減少，流過(guò)系統(tǒng)末端設(shè)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(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，但是節(jié)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(shè)置溫度檢測(cè)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(shè)置回水溫度檢測(cè)裝置。通過(guò)分析負(fù)荷側(cè)溫差變化情況就可以控制水泵的變頻調(diào)節(jié)。該方法的特點(diǎn)是末端不設(shè)隨負(fù)荷變化而動(dòng)作的調(diào)節(jié)閥，管路的阻力數(shù)等于常數(shù)，管路特性曲線與相似拋物線重合，水泵能耗以轉(zhuǎn)速三次方的關(guān)系遞減，因此溫差控制是最節(jié)能的控制方式。溫差控制在工程上出現(xiàn)的不多，主要原因是這類(lèi)設(shè)計(jì)要求負(fù)荷側(cè)均需按同一規(guī)律同步變化，否則容易出現(xiàn)水量供應(yīng)失衡。

采用溫差控制法時(shí)，應(yīng)保證流量變化趨勢(shì)與換熱量變化趨勢(shì)一致。當(dāng)溫差小于設(shè)定值時(shí)降低水泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)溫差大于設(shè)定值時(shí)提高水泵轉(zhuǎn)速。由于冷機(jī)出水溫度通常可以設(shè)定并保持恒定不變，因此，供回水溫差控制實(shí)際上也就是回水溫度控制[6]。

當(dāng)大多數(shù)末端為二通閥通斷控制的風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組時(shí)，盡管風(fēng)機(jī)盤(pán)管的靜特性與表冷器基本一致，但由于風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的水路只有接通和斷開(kāi)2種狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，二通閥的開(kāi)啟率（接通的數(shù)量占總數(shù)量的比例）下降，仍處于開(kāi)啟狀態(tài)的二通閥末端壓差增加、流量增加、溫差減小，溫差減小與負(fù)荷下降的趨勢(shì)呈線性關(guān)系，溫差控制法是可行的。通斷控制是經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)溫差控制法的先決條件，沒(méi)有通斷控制，溫差控制法就無(wú)法經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)大多數(shù)末端為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的組合式空調(diào)機(jī)組表冷器，若采取溫差控制法，在負(fù)荷側(cè)表冷器調(diào)整趨勢(shì)一致的情況下，因表冷器靜特性的影響，在負(fù)荷下降時(shí)溫差是增大的，而溫差增大對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)則要增加水泵轉(zhuǎn)速提高流量，這就產(chǎn)生了矛盾。因此，溫差控制法不能直接應(yīng)用于具有調(diào)節(jié)型末端的系統(tǒng)。為解決這一矛盾，需要設(shè)置由壓差控制的旁通管路，如在最遠(yuǎn)末端支路供回水管道之間設(shè)置壓差旁通用于平衡系統(tǒng)流量，所以部分負(fù)荷時(shí)供回水總管溫差減小，溫差控制器據(jù)此控制水泵降速，旁通流量減小直至關(guān)閉，系統(tǒng)溫差恢復(fù)至設(shè)定值。

溫差法如果負(fù)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(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)總阻力數(shù)不變），溫度傳感器設(shè)置在回水管混合點(diǎn)之前（測(cè)量真實(shí)用戶(hù)側(cè)負(fù)荷）。 空調(diào)系統(tǒng)末端無(wú)調(diào)節(jié)閥，總阻力數(shù)不變，冷機(jī)在保證最小允許流量不變后，冷機(jī)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(diào)整內(nèi)部輸出，節(jié)能潛力大。

2.3 壓差控制法

壓差控制法是一種一級(jí)泵變流量系統(tǒng)常用的節(jié)能控制方法，通過(guò)測(cè)量供回水管道之間的壓差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量。根據(jù)不同的控制點(diǎn)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(fù)荷側(cè)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(guò)測(cè)量末端用戶(hù)支路的壓差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)水泵的流量。當(dāng)末端負(fù)荷下降，關(guān)小末端電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥，引起壓差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，需要調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到壓差設(shè)定值，可以控制水泵的變頻調(diào)節(jié)，減小控制點(diǎn)的壓差，達(dá)到節(jié)能的效果。

壓差控制法的優(yōu)點(diǎn)為反應(yīng)快、靈敏度高，可快速調(diào)節(jié)水泵的流量以適應(yīng)系統(tǒng)的需求變化。最不利環(huán)路末端壓差控制的節(jié)能效果優(yōu)于干管壓差控制，但對(duì)于較大較復(fù)雜的系統(tǒng)，如果干管前后段用戶(hù)負(fù)荷變化不一致，當(dāng)前段有較大負(fù)荷情況時(shí)，最不利末端壓差控制可能會(huì)導(dǎo)致前段用戶(hù)出現(xiàn)壓差不足，從而流量得不到保證，并且最不利環(huán)路的選擇有時(shí)也會(huì)存在困難。

在水泵變頻系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)的目標(biāo)是確保流量達(dá)到設(shè)計(jì)點(diǎn)。當(dāng)管網(wǎng)特性曲線不變時(shí)，系統(tǒng)總阻力數(shù)不變，一般近似認(rèn)為變頻調(diào)節(jié)過(guò)程中水泵效率不變。變頻調(diào)節(jié)使運(yùn)行流量減小到設(shè)計(jì)流量時(shí)，需要注意選泵狀態(tài)點(diǎn)是否在管網(wǎng)特性曲線上，以確保揚(yáng)程能夠達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)的揚(yáng)程。

值得注意的是壓差設(shè)定值既不能過(guò)大，也不能過(guò)小。壓差設(shè)定值越大，末端調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)過(guò)程中按照壓差設(shè)定值作為對(duì)比，會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)，使末端調(diào)節(jié)閥開(kāi)度過(guò)小，管網(wǎng)系統(tǒng)阻力增加，水泵的實(shí)際工作點(diǎn)向左上方移動(dòng)，導(dǎo)致水泵效率下降，影響水泵的節(jié)能效果。若壓差設(shè)定過(guò)小，變頻水泵調(diào)節(jié)按照壓差設(shè)定值作為對(duì)比，會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)末端流量不足，無(wú)法滿(mǎn)足空調(diào)區(qū)域溫度要求。根據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2019）的條文說(shuō)明，可以在代表性環(huán)路中增加壓差傳感器，以提高判斷的準(zhǔn)確性。例如，當(dāng)任一壓差信號(hào)達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，需要提高水泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)所有壓差信號(hào)均超過(guò)設(shè)定值時(shí)，需要降低轉(zhuǎn)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(tǒng)末端的壓差作為設(shè)定值，不需要測(cè)量水系統(tǒng)管網(wǎng)壓差或供回水總管溫差，在保證末端冷量供應(yīng)充足的前提下，要使閥門(mén)的開(kāi)度盡可能大，從而減小消耗在閥門(mén)上不必要的阻力。這種控制方式是根據(jù)所有末端控制閥的狀態(tài)來(lái)作為變流量控制依據(jù)，是一種理想的控制方式，可以提供足夠多的依據(jù)來(lái)對(duì)流量進(jìn)行控制，但一個(gè)中大型制冷系統(tǒng)，數(shù)百個(gè)末端，這種控制方式的成本和系統(tǒng)難度都有所增加。

3 結(jié)論

（1）自然溫降法在部分負(fù)荷工況下，水系統(tǒng)的阻力系數(shù)不變，通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，節(jié)能潛力有限。

（2）溫差控制法在空調(diào)系統(tǒng)末端無(wú)調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)總阻力數(shù)不變，是最節(jié)能的控制方式。但溫差控制易受環(huán)境溫度等影響，控制精度不高，同時(shí)由于受換熱設(shè)備靜特性影響和用戶(hù)使用情況的影響，溫差變化存在響應(yīng)較慢、滯后較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，較少使用。

（3）壓差控制法是一種有效的節(jié)能控制方法，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求靈活調(diào)節(jié)水泵的流量。在應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的壓差，并結(jié)合變頻調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)水泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化；一級(jí)泵變流量系統(tǒng)冷水機(jī)組定流量運(yùn)行時(shí)，空調(diào)水系統(tǒng)供、回水總管之間的旁通調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用壓差控制。

（4）最小阻力控制法需末端閥門(mén)開(kāi)度盡可能開(kāi)大，但是控制復(fù)雜。因此，對(duì)于小型空調(diào)系統(tǒng)，是一種理想的控制方式；對(duì)于中大型制冷系統(tǒng)，從成本和系統(tǒng)難度角度而言都不可取。

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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