空调冷水变流量二级泵系统的设计探讨

王顺林

(广东省建筑设计研究院，广州510010)

引言

空调能耗主要集中在制冷主机能耗和水泵、风机的输配能耗，据统计水泵输配能耗约占空调能耗的15% ～20%［1］。因此优化水力输配系统，对国家当前提倡的“节能减排、低碳生活”有着重要意义。目前最为常见、最成熟的空调系统是主机定流量的一级泵变流量系统，即通过主机、水泵的流量不变，末端设备的流量变。但这种系统并不节省输配系统能耗，一般适用于最远环路总长在500米之内的中小型工程。对于作用半径大、水流阻力高的大型集中空调系统，则宜采用变流量二级泵系统［2，3］。本文将结合工程实例，就变流量二级泵系统的设计与运行控制进行探讨分析。

1 工程概况

佛山某商业广场总建筑面积69.4万m2，包括4层裙楼 (局部5层)，2栋塔楼 (西塔、北塔)及8栋住宅，建筑高度均未超过100 m，如图1所示。地下四层～地下二层为车库和设备用房，地下一层及地上裙楼主要为商业用房，西塔为办公楼，北塔为酒店。根据业主需求，裙楼商业部分及西塔办公楼设计一套集中式夏季供冷中央空调系统，冬季不设采暖。

图1 佛山某商业广场鸟瞰图

2 系统设计

2.1 系统形式

裙楼商业部分及西塔办公楼空调总面积约有14.4万m2，由于空调水管最远环路长达930m，且裙楼商业东、西区环路和西塔一次水环路的阻力相差130kPa，依据规范［2，3］，本工程空调水系统采用变流量二级泵系统，系统如图2所示。图示一级泵定流量运行，与冷水机组一一对应，共设两组一级泵，每组均有一台备用泵。二级泵相对于用户侧变流量运行，按照商业东区、商业西区及西塔办公分区设置有三组变频二级泵，每组亦设一台备用泵。所有冷水机组、一级泵、二级泵、冷却泵等相关设备均设于地下三层的制冷机房内。

2.2 设备选型

2.2.1 冷水机组选型

经逐时负荷计算，其夏季总冷负荷为23915kW。为使水冷中央空调制冷系统对部分负荷运行时的适应能力更好，空调冷源选用3台6330kW和2台2462kW水冷离心式冷水机组。冷冻水供回水温度为7/12℃，根据空调末端的布置情况，水系统采用异程式。

2.2.2 一级泵选型

一级泵流量计算公式为:

式中:G1—一级泵流量;Q—一级泵承担的负荷，与冷水机组对应;△t—供回水温差，5℃;K1—水泵流量附加系数，取1.05。经计算，图2所示泵3的流量为1150m3/h，泵4的流量为450m3/h。

一级泵扬程为克服冷水机组蒸发器到平衡管的一次环路的阻力，包括冷源侧管路沿程和局部阻力Ha、阀门及过滤器阻力Hb、冷水机组蒸发器阻力Hc。即一级泵扬程H1=K(Ha+Hb+Hc，K为水泵扬程附加系数，取1.1。经计算，泵3、泵4的扬程为180kPa。

2.2.3 二级泵选型二级泵流量计算公式为:

式中:G2—二级泵流量;Q—二级泵所承担区域的末端负荷;△t—供回温差，5℃;K1—水泵流量附加系数，取1.05;K2—该区域设备同时使用系数。根据逐时负荷计算，裙楼商业西区末端负荷为9540kW，裙楼商业东区末端负荷为11120kW，西塔末端负荷为10730kW。裙楼商业西区末端设备同时使用系数K2取0.9，商业东区K2取0.85，西塔K2取0.8。经计算，图2所示泵5的流量为780m3/h，泵6的流量为860m3/h，泵7的流量为520m3/h。

图2 变流量二级泵系统示意图

二级泵扬程H2，包括负荷侧管路沿程和局部阻力Ha、阀门及过滤器阻力Hb、末端设备换热器阻力Hc，即H2=K(Ha+Hb+Hc，K为水泵扬程附加系数，取1.1。经计算，泵5、泵7的扬程为220kPa，泵6的扬程为350kPa。

根据规范［2］，选配空调循环水泵时还需计算水泵的耗电输冷比。经计算，本工程一、二级循环水泵耗电输冷比=0.03695≤［A(B+α∑ L)/▽T］=0.03710，满足规范的节能要求。

理论上，二级泵系统可通过变流量技术节省管网的输配能耗，但是实际上很多工程实例未达到预期的节能效果，究其原因，主要是系统控制不完善或者不合理引起的。因此，有必要对本工程二级泵系统的运行控制进行分析探讨。

3 运行控制

3.1 运行工况分析

由于设计流量及供冷量很难与实际情况下的末端负荷相匹配，所以极少出现一级泵流量与二级泵流量完全相等的情况。

当负荷减小，一级环路水量大于二级环路，即“盈”现象。一级泵盈余流量，平衡管由分水器流向集水器而降低了制冷机的回水温度，导致管网的输送效率下降。当负荷增大，一级环路流量小于二级环路流量，即“亏”现象。二级环路的回水通过平衡管由集水器流向分水器而升高了二级环路的供水温度，降低了末端设备的出力，使得末端无法满足要求，继而反过来又要开大末端阀门，增大二级泵转速来提高二级环路水量，从此，进入反复的恶性循环。由此可见，平衡管的“盈亏”现象直接影响了二级泵系统的节能效果，甚至带来恶性循环。因此，如何防止系统进入恶性循环，如何提高二级泵的节能效果，对本工程一、二级泵系统的合理控制显得尤为重要。

3.2 一级泵水系统控制

本工程一级泵采用定流量运行，水泵选用特性曲线比较平坦的定速泵，水泵与主机相匹配。系统台数调节采用流量控制方式，通过在分集水器间的平衡管上设置双向流量传感器，以监测通过平衡管上的冷水流量及方向，来控制一级泵及相应制冷机的启停。为方便分析，下面选择制冷机、一级泵在某一开启状态进行启停控制分析，其它状态的启停控制，可依此类推。

假定在某一时刻，图2所示的两台2号主机及相应两台4号水泵在运行，当负荷减少，平衡管中的冷水由分水器流向集水器，当其流量达到一台4号泵流量的 110%［1］(即 450×1.1=495m3/h)时，停开一台2号冷水机组和相应一台4号水泵。当用户负荷增加，平衡管中的冷水由集水器流向分水器，当其流量达到一台3号泵流量的30%［1］(即1150×0.3=345m3/h)时，增开一台3号水泵和相应一台1号冷水机组，提前开启制冷机的目的是避免二级环路供水温度出现较大波动。

3.3 二级泵水系统控制

二级泵采用变流量运行，水泵选用特性曲线为陡降型的变频水泵，水泵频率设置为35～50Hz。系统负荷调节采用变压差控制方式，为节省投资，本工程未在各个末端设置压差传感器，而选择在3个代表性较长环路的干管靠近末端处设置压差传感器。通过控制器，定期将各压差传感器返回的测量值进行比较，并选取最大值作为新的设定值 (如果某一检测点空调末端全部关闭，则该检测值不参与比较)，经过一个时间间隔后，选取压差传感器返回的最大的最新实测数值与设定数值进行比较，根据二者的不同，调节水泵频率和台数使二者趋于一致。为方便分析，下面选择商业西区末端在某一运行状态的控制进行分析，其在其它运行状态及其它区域二级泵的控制，均可依此类推。

假定在某一时刻，商业西区3个压差传感器实测值分别为60kPa、65kPa、75kPa，则选取75kPa作为最新压差设定值。经过一个时间间隔后，当压差传感器返回的最大最新实测值小于设定值时，则增加变频水泵的频率，当水泵的频率已增加到50Hz，实测值仍小于设定值，则增开一台水泵，并使两台水泵同频率运行，再同步调节两台水泵频率，使得实测值与设定值趋于一致。当压差传感器返回的最大最新实测值大于设定值时，则减小变频水泵的频率，当水泵的频率已调小至35 Hz，实测值仍大于设定值，则关停一台水泵并调节剩下的一台水泵频率，当单台水泵的频率已调小至35 Hz，实测值还大于设定值，则开启二级泵环路的压差旁通阀，使得实测值与设定值趋于一致。

4 结论

(1)本工程为作用半径大、水流阻力高的大型工程，采用变流量二级泵系统能有效地节省空调水系统的输配能耗。

(2)根据逐时负荷计算结果和负荷分布情况，确定了二级泵系统形式，并选择计算了冷水机组和一、二级水泵的容量大小，且水泵的耗电输冷比满足暖通规范［2］的节能要求。

(3)平衡管的“盈亏”现象影响了二级泵的节能效果，甚至带来恶性循环，为此，提出了经济有效的控制方案:即通过流量控制一级泵台数，变压差控制二级泵频率及台数，以供探讨。

［1]柴慧娟.高层建筑空调设计 ［M］.北京:中国建筑工业出版社，1995

［2]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50736－2012 ［S］.

［3]公共建筑节能设计标准 GB50189－2005［S］.