中央空调冷冻水系统变流量简述

ASHRAE/IES标准：新建建筑物的能效设计

要求：“所有配置可调节的或逐级开启和关闭的阀门的10马力的泵系统，必须能够适用于设计流量50%或者以下的工况”。

例外—指那些层数较少，没有电梯的住宅类建筑物。

二次泵系统：

冷水机组的水泵要与设计水流量相匹配。

泵的叶轮需要修平，以减少泵在排液时的压力损失， 这是节能的关键措施之一。

变流量泵系统三个关键的方面需要考虑：公用管；冷水机组的启/停顺序；控制阀门和执行机构。

公用管路的设计思考：

将最大的冷水机组的流量流过公用管路时，产生的压降设定为公用管路的压力降。

一般情况下，冷水机组的启/停顺序是由流量最大的泵的流量是否过半来决定的。

二次泵系统在理论和实际应用上都十分简单。它的基本理论就是当两个环路相互连接时，如果公用管路中压降消失，那么这两个环路的中的流量会相对独立。

“经验之谈”：

1 公用管：

二次泵系统应用的关键就是公用管的使用，它将一次环路和二次环路互相连接起来。

公用管长度应该比较短来保证较小的压力损失。 供水和回水三通之间的距离最大不超过四倍管径。

如果公用管压力降足够低的话, 一次环路的水不会流入二次环路，直到二次泵打开。

2 二次泵：

在二次环路内安装一个独立的二次泵，建立二次环路水循环。泵的尺寸只需根据所需的流量和环路的阻力降来确定。

泵的位置应该使水从公用管流向二次环路，这就造成二次环路的压力升高。相反，如果泵安装在指向公用管的回水管上，二次环路的压力会低于共用管压力。

3 T形管的原理：

它决定公用管路中的水流量和流向。

它基于一次系统和二次系统的流量关系，并且有三种可能性：

一次水流量大于二次水流量；

一次水流量等于二次水流量；

一次水流量小于二次水流量。

4 流量控制阀：

流量控制阀可以防止水流进入二次系统，这种情况是由于公用管内的微小压降或重力作用造成的。

由于重力流可以在单管内发生, 最好采用两个流量控制阀, 一个安装在供水管，一个在回水管。如果二次系统的回水管在下面，那么只需要一个流量控制阀就够了。

冷水机组启/停顺序的设计思考：

系统操作员必须能分清楚三种可能的流量工况：

分配 (二次) 流量等于生产 (一次)流量。

分配 (二次) 流量小于生产 (一次)流量。

分配 (二次) 流量大于生产 (一次)流量。

(例1：分配流量等于生产流量 )

冷水机组出水温度45F°，生产流量1500GPM，调节两通阀开度，使供需吻合，1500GPM×10F/24 = 625 Tons。

压力降100 FT.与二次泵的特性曲线相交，回水温度为 55 F°。

由于两系统的流量相等并且达到热平衡，因此公用管内没有流量。接下来的是一次与二次系统之间不能达到平衡的情况。

例2：分配流量大于生产流量

当需求流量增大时：结果就是经混合后的供水温度高于冷水机组出水温度。

问题：区域内湿度控制不利

为了补偿过高的供水温度，在选择盘管时必须给与考虑。

关于此问题的其它考虑：

冷冻水温度可以重新设置，可以设置一个更低的值来补偿负荷增加和二次系统流量的增大。 (每降低1度，冷水机组的运行成本就增加1-3%。当使用大型机组时，这么做还是值得的。)

后续机组越晚开启，它投入运行后，效果就越明显。

如果一小部分负荷需要固定的出水温度，可以考虑与该负荷串联一个小型冷水机组。

(例3：分配流量小于生产流量 )  

冷水机组的生产流量是固定的，因此，如果我们启动了第二台冷水机组，总的冷冻水流量就变为3000gpm， 负荷是 875tons，供水温度45F°，回水温度55F°。

二次泵：流量是2100GPM。

一次泵：流量是3000GPM。

过剩的900GPM冷冻水和回水混合后温度为52F°。

供给流量过高产生的问题：

所有在线的冷水机组的回水温度都相同。

当冷水机组都按这种接管方式排列时，它们都会在同一部分负荷下运行。

供给流量大于需求流量：

由于冷水机组的回水温度是 52F°而不是55F°，因此机组将在70%负荷下运行。

当部分冷冻水经公用管输送时，经过冷水机组的流量始终恒定。

之前的例子说明了能量调节2段式：50% (1500gpm)或100%(3000gpm)，这是一次水流量随负荷变化的结果。

记住：

二次水流量的变化非常接近于线函数，由于随负荷变化，两通阀的开度也进行调节，其流量也随之变化。

系统并联的冷水机组越多，能量可调节段数也越多，每段范围也越小。

如果我们把不同型号的冷水机组组合在一起，那么增加的可调节的段数也更多，每段范围也更小。

当冷冻水流量为线性变化时：

提高供水温度只需要很短的时间。

冷水机组启/停顺序会很简单，并且可以手动开/关；

如果不同尺寸、类型、效率的冷水机组混装在一起，冷水机组的启/停顺序会变得很复杂。

设计人员需要考虑冷水机组最佳的组合方式来满足流量需求，这可以通过计算BTUH的消耗来得到。

需要提供相关设备以确定以下参数：

二次供水温度 Ts-s；二次回水温度 Ts-r；二次水流量，Fs。

为了确定所需的BTUH，必需的仪表有：

一次供水温度；一次回水温度；一次水流量 (冷冻水流量) Fp。

通过对实际负荷的测量，可以优化冷水机组的组合。

记住公用管内流量和流向的测量结果还不足以确定冷水机组启/停的顺序。

同样对于二次水系统也适用。

阀门和执行机构的设计思考：

控制阀的基本原理：

根据调节能力分为几种类型：

－两位式 (开或关)；

－无级调节。

一段时间内阀门的开度百分比反映了冷却盘管所需要的冷量。

阀门可以分为两通阀和三通阀。

－两通阀节流；

－三通换向阀。

不同的阀门有不同的特点。阀门的共性分为：

-线性特性；

-等百分比特性；

-快开。

安装在冷却盘管上的控制阀门还有运行特性，这与盘管的特性正好相反。

等百分比控制阀：

等百分比控制阀通常用于冷却和加热盘管中，能提供很好的流动特性。

等百分比阀门控制精度很高，常用于变化较大的压力、流量、负荷和其它变量的控制。

当与冷却盘管的传热特性相结合时，如果采用等百分比控制阀门时，调节阀杆的位置，传热性能几乎是线性变化的。

控制阀门基本知识：

等百分比控制阀一般只用作两通阀；

三通阀用在末端产品上，线性阀门用于旁通系统。

阀门开启50%时，可以提供50%的冷量。

控制阀门是变流量水系统内的重要组成部分；

控制阀门的作用是根据建筑物负荷的变化，合理调整通过盘管的水流量。

阀门的选择十分重要：

-尺寸过小的阀门会造成能力不足；

-尺寸过大的阀门不易控制。

控制阀尺寸选择：

控制阀一般根据所需的流量系数(Cv)来选择。

Cv的定义是在1PSI的压降下，每分钟流过阀门的60F°的水的美国加仑数。

公式：G=Cv(Delta“P”)

G=流量，单位为美国加仑；

Cv是阀门流量系数。

Delta“P”是通过阀门的压降。

了解在任何流量情况下，最大的压差是选择阀门的主要标准，原因有两个：

选择合适的执行机构；避免阀门噪音和气穴现象。

阀权度：

当阀门关闭时，压力降增大；

此时，阀门上的压降等于供、回水管路的压差：最大压差。

当阀门完全打开时，压力降达到最低值：最小压差。

阀权度是最小压差和最大压差的比值。

可调节阀门的压降一定要大于系统的压降，最好超过 50%。

目的是提供与盘管的性能相对应的阀门操作性能，维持阀权度为0.5是非常重要的。

可调范围：

可调范围是阀门可以控制的流量范围。

可调范围越大，阀门在低负荷时控制性能越好。

典型的阀门控制范围是 15：1到50：1。

阀门的噪音和气穴现象：

由于流体速度过大会引起阀门的噪音过高和阀门气穴现象。

当水流过阀门时，它会被加速。

当水流速度增加时，它的静压下降，当压力低于蒸发压力时，就会有气泡产生。

在阀门的下游，速度降低，静压升高，气泡破碎；

于是，产生了噪声，并且造成阀体、节流装置及下游管路的过度磨损。

三通阀：

变流量泵系统中很少使用三通阀。

三通阀旁通多余的冷冻水，这就导致很多问题：

旁通的冷冻水降低回水温度。增加流量。

三通阀将导致：启动额外的冷水机组和泵，用来提供旁通流量，而不是控制冷负荷。

三通阀可以被用来维持最小流量，确保水泵安全。

根据水力协会和ITT流体处理的经验，建议最小流量的最佳值为：最高效率点流量的20%。

为了限制径向和轴向负荷以及轴偏移，建议最小流量的最佳值为：最高效率流量的25%。

水力协会和ITT流体处理也建议限制流经泵的水流温升不要高于15F°(不要与系统的温升混淆)。

当水泵在低流量运行时, 产生温升的水量很少。

如果流过泵的水流量过小，那么泵的效率损失都转化为温升。

温升会使液体闪发出气体，最终造成气穴现象。

驱动器：

在变流量系统中：驱动器必须在泵达到最大压力时能够关闭阀门。

在闭环变流量系统中：所有的负荷可以减少，造成泵与运行曲线不符。这使泵产生的压头增大。

阀门驱动器必须可以在压力增大时，依旧可以调节阀门开度。

更糟糕的情况就是：阀还要承受水泵关闭时的“冲击水压”(水锤现象)。

不恰当的阀门驱动器会使一些水流漏过阀门或盘管，进入回水总管，这使回水温度提高。

结论：

如果认真考虑这些基本原则，就可以达到节能效果，也可以实现设计温差。

由于负荷变化，系统性能也会变化，管路和盘管甚至也会老化。

当盘管变脏，系统的温差会受到影响。

有经验的操作者和合理的维护保养计划必不可少。

温度调节装置不当和供应空气的温度下降会造成效率下降。

唯一能使暖通系统高效运行的方法就是以合适的方法维护。