流量开关在中央空调系统中的应用研究

1 前言

中央空调一般以水作为二次换热的介质，合适的水流量是中央空调主机可靠工作的必要保证，不适当的水流量可能导致冷水机组的蒸发器结冰、冷凝压力高、压缩机“咬缸”等故障，因此合适的水流量检测方法是避免空调主机发生故障的重要保证。鉴于水流量检测的重要性，考虑到用户以后的维护成本，许多工程已经开始要求选择水流量开关的型式。

2 中央空调机组水流量的检测

2.1 检测的必要性

中央空调系统水流量检测是确保制冷系统的正常运行的前提和保障。首先，中央空调系统是靠流动的水带走冷量和热量来确保换热器的可靠换热的，没有水流就没有所谓的制冷或制热。其次，当无水流或水流量少时，对于蒸发器来说，蒸发器负荷减少，蒸发温度降低，如果压缩机持续运行将导致蒸发器结冰。如果蒸发器不能及时防冻保护，蒸发器将有可能胀裂，导致制冷系统的水侧和冷媒侧串通，整个制冷系统报废。另外，如果系统的水流量过低，将导致回气压力长期过低，压缩机排出的润滑油不能顺利回到压缩机可能导致压缩机“咬缸”。无水流或水流量少时，对于冷凝器来说，冷凝温度和压力上升，造成冷凝器出口的冷媒经过膨胀阀时的流量大幅减少，制冷量下降，如果压缩机持续在高冷媒压力下运行将发生故障。

2.2 检测的方法

在中央空调系统的水流量检测上目前主要有两种低成本的检测形式，一是靶式流量开关，另一是压差式流量开关。以下是两种流量开关的安装和使用特性的对比。

2.2.1 靶式流量开关的安装特性

靶式流量开关是将靶流片安装在水管中，水管内水的流动冲击靶流片使之弯曲变形，从而带动微动开关输出控制信号给冷水机组控制器，告知有水流可以启动机组。由于靶式流量开关的靶流片的安装有一定的难度，通常由于安装的失误而造成靶流片不动作，或者是卡在管子上部不能回复。通常不动作是因为靶流片安装的深度不够，如不能很快解决会使冷水机组失去水流保护。

如果是卡在管子里不能回复，往往是靶流片太宽，第一次动作时被卡在管子上部的缘故。这种情况下流量开关也失去了作用。如果安装问隙不够，即使当时可以工作，由于管子的生锈或结垢等造成的管径变小，也有可能使水流开关卡在管子内不动。靶式流量开关的安装与水管的管径和安装人员的经验有很大的关系，管径越大靶式水流开关的一次安装准确率越高，经过了解即使有经验的安装人员安装靶式流量开关一次不成功率也有60％以上。

2.2.2 压差式流量开关的安装特性

压差式水流开关是根据HVAC设备的阻力和流量的曲线设计。HVAC设备的换热器、水过滤器、水泵及阀门等装置都有其阻力与流量的性能曲线，通过检测其两端的进出水压差，并与该装置的预先设定值进行比较，能准确控制流量。压差式与靶式流量开关相比是一种精确的流量控制方式，具有准确的流量控制值。可以直接安装在机组内，从压差开关连接两根铜管至换热器的进出口，测量其进出口的压差，即反映出流量。而用户现场不需要安装和接线，避免了靶式流量开关的安装不准确导致机组故障的隐患。

2.2.3 靶式流量开关的使用特性

靶式流量开关的靶流片在正常使用时长期受水流压迫处于弯曲变形状态，易疲劳损坏。大型冷水机组维修保养上规定靶流片使用2年必须更换，它是作为易损品及它的状况被列在维护保养记录中。而小型冷水机组没有专门的维护保养人员，很难发现靶流片疲劳不能回复的故障，只有机组发生故障时才暴露。另外当水系统混有空气时，水中的空气冲击靶流片造成流速下降，靶流片瞬间复位发给机组错误的流量信息，为防止发生这种错误通常机组控制器延时处理流量信息。对于小管径靶式流量开关本身约产生2m水柱的压降，减少了提供给用户的有效扬程。由于靶流片的插入深度、管径和安装处的水压都直接影响其流量保护值，因此靶式流量开关不能进行准确的流量控制，即使现场接上流量计对其进行标定，但随着时间的累积，靶流片的疲劳导致其弯曲的程度与流量的关系也被打破，当初标定的流量值也会发生变化。

2.2.4 压差式流量开关的使用特性

压差式流量开关具有流量控制准确、对系统不再额外增加阻力、又对水管管径没有要求以及无水流扰动干扰等特性，可取代任何形式的靶式流量开关作为HVAC水系统的流量控制，相对于靶式流量开关，它可以避免水泵气蚀引起的假流量(实际流速很大，但水中混有空气而实际流量并不大)，且现场安装情况并不影响压差式流量开关的流量控制值，因而可广泛应用在使用钎焊板式换热器、套管式换热器和壳管式换热器的大中小型风冷或水冷冷水机组中作水流量控制并兼有部分防冻保护的功能。根据压差式水流量开关的流量控制准确的特性，可以暴露机组外水管路设计或安装不当，提示安装人员排除隐患或更改管路设计

3 压差式流量开关在中央空调系统中的应用

3.1 换热器水流量保护

对于不同的换热器其压降与流量的曲线不尽相同，即使同一换热器可能因换热量不同其应用的压差开关也不同，不管制冷量多少的空调机组均采用一种型号的压差开关的做法是错误的，它不能体现压差开关的精确控制流量的功能。

3.1.1 蒸发器水流量保护

适当的水流量保护可以避免换热器因水流量减少而导致蒸发器结冰的可能性，因此蒸发器流量开关往往由主机厂安装在主机内部，并已调整到最合适的保护设定点，这样可以避免因现场安装人员的失误导致流量开关安装或设置不正常带来的隐患。

在选择压差开关时首先要确定机组的额定水流量，假设机组制冷量是在出水温度7℃，回水温度12℃ 的额定流量下测得的，假设制冷量不变，水流量减少为额定流量的50％ ，那么出水温度可能低达2℃，接近防冻保护温度，是比较危险的，因此建议压差式水流开关的流量动作保护设定值大于额定流量的50％，这个流量保护设定值可通过换热器压降与流量的曲线上大致得出压差开关保护压差值，然后再经过流量仪表测试验证。复位流量是指水泵运行后通过换热器的水流使其闭合所需的水流量，精确的复位流量值是检验机组外水流量是否正常的关键指标，如果安装完毕后压差开关不能复位，说明机组外水系统有问题，提示用户检查机组外水系统的设计和安装。因为一旦空调机组内换热器上安装压差式流量开关后，用户现场安装的任何情况都不影响它流量控制的准确性，因此方便现场安装人员查找机组水管路安装问题。复位流量建议小于额定流量的80％。

3.1.2 冷凝器水流量保护

对于冷凝器来讲，适当的冷却水流量可以保证空调主机的制冷系统工作在较好的状态，保证机组的工作效率，当水流量过小不仅冷凝压力升高，制冷量下降，严重时可能导致压缩机发生故障。如果空调机组没有达到合适的冷却水流量，压缩机将停止工作，这可以充分保护压缩机避免发生故障。复位流量可以检测水系统的流量是否达到设计要求，正确的设定压差开关复位流量可以保证通过换热器所需的水流量，通常复位流量设定在60％～80％额定流量。

3.2 水源或地源热泵机组水流量保护

水源热泵机组是目前发展迅速的空调类型，它以应用的灵活性和高效节能的特点广泛应用在写字楼、商场、住宅等场合。水源或地源热泵机组可以结合冷却塔及低位热源或土壤及地下水源组成一套大型的水源或地源热泵系统。由于水源热泵是从水中获得冷量和热量，因此流经每个水源热泵的水流量与设计流量保持一致才能保证机组的制冷量和制热量。这也是机组可靠工作的一个重要条件。如果不能保证适当的流量将可能导致冷凝压力过高而机组频繁启停，以致发生故障。

因此，保证整个水源热泵系统中的每台机组获得自己需要的水流量显得尤为重要。通常的做法是在水源热泵的出水端安装流量平衡阀，用流量仪表调整流量平衡阀至机组需要的流量。此方法的缺点是流量平衡阀价格昂贵。另外流量平衡调试费用价格约占平衡阀费用的30％，此费用较高。

此外，还必须安装水流开关提供给水源热泵机组控制器水流反馈信号。如果系统不安装流量平衡阀将难保证机组需要的水流量，结果容易出现制冷系统冷凝压力过高，压缩机有可能发生故障。如果不安装水流开关，系统操作者无法确认系统有无水流，导致压缩机在无水流下开机运行，也容易造成压缩机的故障。由于流量平衡阀是靠压差方式调整流量的，将对水系统产生一定的阻力。

如果每台水源热泵机组的水侧换热器安装压差式流量开关，再根据套管式或板式换热器的进出管压降和流量的曲线，使在水源热泵水源侧(水侧)的压差开关复位流量值大于80％额定流量，这样可以基本保证通过换热器的流量适当。实际在应用中压差开关可以由工厂直接安装在机组内或在现场安装，在安装前必须进行压差和流量的测试，以得到合适的压差开关和复位水流量设定值，具体使用可通过调整球阀的开度使压差开关闭合即可，此时通过换热器的水流量应大于额定流量的80％。

3.3 水过滤器脏堵检测及指示应用

将可调压差开关的两端测压口接水过滤器的两端，即可用作指示过滤器的状态，当过滤器堵塞时发出报警信号。

3.4 泵状态指示并反馈给自控系统

当水泵两端存在压降时即说明水泵在工作，通常自控系统用此检测水流状态。

3.5 换热器清洗指示

当板式、套管式和壳管式换热器内部结垢或堵塞时其在额定流量下的压降变大，合适的压差设定点可作换热器内部堵塞或结垢指示或保护。

4 结语

经过在中央空调机组上使用的反馈来看，压差流量开关能有效判断冷水机组现场安装的水管路的问题，能避免末端错误使用二通阀造成换热器冻坏的问题，保护由于水过滤器堵塞造成的水流量下降时换热器冻坏的情况，另外水管路压差开关没有靶式开关疲劳破坏的风险，尤其在水管路有少量空气时，压差开关工作非常稳定，不会出现类似靶式流量开关的漂浮情况。一般靶式流量开关工作一年后就不能可靠工作，而压差流量开关可靠性优于靶式流量开关，由此可见压差式流量开关是中央空调机组的最优选择。