空调冷水系统演变与一次泵变流量系统简介

传统的一次泵系统不是定流量系统

将图1（a）定义为一次泵定流量系统，既通过蒸发器的冷水流量不变。负荷侧末端采用变流量，在表冷器出口设置电动两通阀。在冷水的供水总管和回水总管上设置一根旁通管，旁通管内流量是冷源侧流量与用户侧流量之差，旁通管上装有电动阀。旁通水量由旁通阀控制，而旁通阀开度则由压差控制器控制。图1（b）仅是在制冷机组进水处增设了供水总管。

以系统设计流量控制旁通流量：

如果根据通过蒸发器的流量Qj不变和旁通流量Qp是冷源侧流量Qj与用户侧流量Qm之差的技术要求，旁通阀的开启压力应保障2台制冷机组标称流量之和不变。既Qj＝Q2，水泵工作点始终维持在（Q2、H2）不变（参见图2）。在图2中分别给出单台和双台制冷机组设计流量Q1、Q2和扬程H1、H2。当用户侧流量Qm<Q2时旁通阀开启，由于Qj=Qp＋Qm实现维持Qj基本稳定之目标。缺点是由于要考虑的旁通流量很大，所以旁通管阀的尺寸就会很大，加大初投资成本。同时，在99％的运行时频中旁通阀始终处于开启状态，增加了运行成本。

图2  水泵工作点分析图

但是，在单台机组运行工况时情况就不同了。当用户侧流量Q0<Qm≤Q1时，水泵工作点在（Q0、H0）～（Q1、H1）之间变动，由于H1<H2，故旁通阀处于关闭状态。既Qp＝0，Qj =Qm是变量。若要满足Qj恒定不变，在1台制冷机组运行工况下，要同时运行两台冷水泵，显然是不妥的。可见在传统一次泵系统中要求“通过蒸发器的冷水流量不变”是有条件的。

以机组最低允许流量控制旁通流量

在图1所示的一次泵系统中，尽管图1（a、b）的分析方式不同，但是，在部分冷负荷工况下，当末端恒温控制阀关小或关闭时，管网特性随之产生变化的属性是相同的。管网阻力增加，图2中水泵工作点就会左移，水泵流量相应减少，扬程相应升高。虽然系统压力的增加会使其余末端用户的资用压头升高，流量相对增多。但是，其温控阀随后会相应关小，实施水量调节。所以，其他末端流量增加的现象是暂时状态。温控阀的调节又会致使系统管道阻力进一步增大，由于温控阀具有延迟属性，需要经过一段时间的动态调节后，水泵才稳定运行在新的工作点上，系统达到新的平衡，直到下一次新的负荷调节出现。

由于制冷机组变流量的范围不是从0％～100％，因此当用户侧的流量低于制冷机组最低允许流量时，需旁通部分水流量，保证蒸发器内水流量不低于机组最低允许流量。如果将机组最小允许流量理解成单台制冷机组最小安全允许流量是正确的话，并按此原则整定旁通阀控制。那么，当系统流量低于这个最低安全流量之前，旁通阀并不开启。图2中给出了10％和50％两种单机标称流量控制参数，冷源侧流量Qj的变化范围由Q0～Q1区间扩大到Q0.5(Q0.1)～Q2。既可在系统最小安全流量和最大设计流量之间变化，蒸发器内实际流量将跟随末端流量的变化而不断变化，既Qp＝0，Qj =Qm还是变量。

可见无论如何设定旁通阀动作值都不能稳态地实现所期望的“通过蒸发器的冷水流量不变”， 在具备空调末端主动性调节属性的空调系统中，传统的一次泵系统并不是惯性思维中的定流量系统。空调末端流量变化是主动性的，是决定因素；而冷源侧变流量则是被动的，是次要矛盾。所以简单地将传统一次泵系统定义为定流量系统是不严谨的。

制冷机组流量变化率

基于图3一次泵变流量系统原理图定义之上，提供的模型（图4a）看，当流量从约280m ³ /h降低到约150m ³ /h，流量变化率约为50%，所用时间应以秒计。假如图3系统中各台主机规格相同，当并联启动第二台制冷机组时，如果错误地采用先开制冷机组，然后开冷水泵的操作程序。那么，第一台在线机组的流量就可能出现图4-a的情况，甚至导致两台机组停运。

图3 一次泵变流量系统原理图

而在图1（a）系统中，因第二台冷水泵尚未投入运行，水系统中靶流开关或机组保护功能动作将导致第二台机组起动失败，第一台在线机组流量则不会因出现图4-a现象停机。

显然，任何最终可能导致制冷机组停运的运行控制策略在工程中都是不允许的。在操作程序中必须严格遵守先运行冷水泵然后启动制冷机组的操作程序来避免图4-a事故中发生，即使是配置具有前馈控制和变流量补偿功能的机组（图4-b）也不例外，毕竟保证系统安全运行才是根本。

系统流量变化范围

蒸发器水流量变化必然引起制冷机组的出水温度波动，甚至导致制冷机组运行不稳定。因此制冷机组的流量许可变化范围和流量许可变化率是衡量制冷机组性能的指标。过去几乎所有的厂家都说制冷机组的流量不能低于厂家规定的标称流量，科学技术发展到今天，大多数制冷机组实际最低安全流量都已经达到50％标称流量以下。个别机器运行到10％。由于市场竞争激烈，有的厂家在产品资料上标明最低允许流量为50％，但是当实际流量低于70％时，机组就启动保护动作。

仅从制冷机组的角度出发，为了提高换热器的换热效果，希望保持较高水的流速。为了减少震动和对管壁的冲蚀，又希望水的流速不要过高。制冷机组变流量的前提是在部分负荷工况下安全运行，为了评价制冷机组在不同部分负荷下的综合性能，ARI 550/590-1998标准给出了部分负荷综合性能测评标准：

IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D    （1）

式中：

A—100% 负荷率时单位冷量制冷机组的能耗；

B—75% 负荷率时单位冷量制冷机组的能耗；

C—50% 负荷率时单位冷量制冷机组的能耗；

D—25% 负荷率时单位冷量制冷机组的能耗。

A+B 权重之和为0.01+0.42=0.43，小于C的权重0.45。从系统节能的角度讲，当50％负荷率时仍然保持相对流量不低于标称流量70％是欠妥的。机组的流量允许变化范围越大，越有利于制冷机组的加、减机控制。尽管目前采用变频调速技术实施的一次泵变流量系统要实现10％～100％的调速控制还有许多技术门槛需要跨越。但是，制冷机组最低安全流量越小，留给空调系统的节能空间也就越大，空调系统运行也越安全。制造商对最低安全流量的设定实际上从另一侧面表达出其产品制造技术的科技水平。

目前大多数设计师认为最低流量达到60%就可以了。理由是真正用到30％到40％可能不一定经济，频率很低的时候水泵的效率就很低，并不合理。事实上，工程中空调系统最小流量的决定因素既不是制冷机组的技术指标也不是水泵的效率，而是空调末端用户侧流量Qm。如果系统中Qm＝常数，冷源侧的变流量也就无从谈起了。文献[5]通过概率计算，提出在某些确定的中、高负荷率下，空调系统末端通断控制的风机盘管水系统的阻力特性和总水量将波动不大，此时水系统可取消制冷机的旁通管，并且直接应用一次泵变频的观点。

一次泵变流量系统

一次泵变流量系统最小流量的控制除了保障制冷机组安全运行之外，还应同时受到系统安全、服务质量和节能效率等三个方面的制约。

一次泵变流量系统安全

一次泵变流量系统安全运行是基本要求。简单地说就是系统在最低安全流量工况下，有效避免可能导致制冷机组冻管、喘震和水泵电机温升超标等恶性故障发生。

服务质量

保障系统中所有空调末端服务质量是用户的根本利益所在。不应发生因空调末端负荷回水温度高于设计要求，甚至缺水的投诉事件发生。在冷源侧不论是对制冷机组还是水泵的流量控制都要依据空调末端负荷的变化而调节，是被动性的，不能越俎代庖。采用变频调速控制水泵流量的同时寄生着水泵扬程和空调末端资用压头的变化。不论制冷机组的最小允许水流量多少，也不论系统冷量负荷率是多少，在所有工况下都必须确保系统中所有末端，尤其是最不利端用户对水量和冷量的需求，不能设想一个连空调末端服务水量都不能保证的一次泵变流量系统会是一个好系统。

节能效益

对制冷机组能耗的影响

目前业内对一次泵变流量系统的研究大多还局限于大流量与小流量之间量的变化对制冷机组的安全和水泵节能的贡献上，相对小温差与大温差之间质的变化可能带来的制冷机组能耗增加的研究就少了许多。实际上一次泵变流量系统在调节系统水量的同时也会改变流入蒸发器的水温，从而改变蒸发温度和压力，导致制冷机组的COP发生变化。就一次泵变流量运行对制冷机COP影响的热力学研究结果表明：冷冻水流量的减少导致了蒸发器传热系数的降低，在相对流量不低于设计流量60%的情况下，蒸发温度与COP均随冷冻水相对水量的减少呈下降趋势，蒸发温度下降在1℃以内；COP下降10%左右。

制冷机组在不同冷负荷率、不同冷水进水温度和不同环境气象条件工况下的COP（coefficient of performance）不同，所以根据图5得出先进的变流量制冷机组在部分负荷时，蒸发器变流量与定流量相比，COP变化小于5％的结论就值得商榷。

追求包括制冷机组能耗在内的系统能耗最小化才是一次泵变流量系统根本目的。这里所强调的是系统整体能耗的最小化，而不是单一制冷机组子系统或者水泵子系统的能耗最小化。图6给出了厦门某模糊控制变流量节能技术项目从2005年2月4日至10月17日，每月对比测试3次（5/15/25日）的节电率趋势，在此期间甲乙双方协议节电量为1705738.41kW·h。即便如此还是出现了在辅机节能21.94%时，制冷机的节电率为-21.26%，系统节电率竟为-7.21%。尽管该项目采用的测试方式还值得商讨，但是一次泵变流量技术对制冷机组能耗的负面影响应引起业内重视。目前基于水系统一次泵变流量技术之上的变流量节能系统多难避免节能、不节能和更耗能三种工况并存的尴尬局面，尚有待完善。

图6  某案例节电率趋势图

与一次泵变流量系统相比，大流量和小流量的变化是两者之间量的区别，而小温差和大温差则是其质的变化。在对一次泵变流量系统的分析研究中不能只看到其量变的影响，而忽视其质变的作用。

结论：

仅从冷源侧简单地将具备空调末端主动性调节属性的一次泵系统定义为定流量系统是不严谨的。也就是说，水流量变化是绝对的，是常态；而不变则是相对的，是暂时状态。空调末端用户侧流量变化是主动性的，是决定因素；而冷源侧变流量则是被动的，是次要矛盾。系统最小流量的控制除了保障冷源侧制冷机组安全运行之外，还应同时受到系统安全、服务质量和节能效率等三个方面的制约。

必须严格遵守先运行冷水泵然后启动制冷机组的开机操作程序，保证系统安全运行。即便是配置具有前馈控制和变流量补偿功能的机组也不能例外。

虽然，配置不仅能根据冷水机组出水温度变化调节机组负荷，而且还能根据制冷机组进水温度变化来预测和补偿空调负荷变化对出水温度的影响，且制冷机组允许流量变化率较大的机组更有利于系统安全和冷水流量变化，但并不是一次泵变流量系统的必要条件。

一次泵变流量系统的大温差属性造成流入蒸发器的水温升高，从而改变蒸发温度、压力和制冷机组的COP，甚至会导致制冷机组能耗增加，其负面影响应引起业内重视。目前基于水系统一次泵变流量技术之上的变流量节能系统多难避免节能、不节能和更耗能三种工况并存的尴尬局面，尚待完善。

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