一次泵定流量系统旁通控制模拟与分析

车轮飞刘庆东刘俊徐新华

1中铁第四勘察设计院集团有限公司

2华中科技大学建筑环境与能源应用工程系

中央空调水系统是中央空调系统的重要组成部分，空调水系统能耗在整个空调系统能耗中处于比较突出的地位。随着建筑能耗不断增加，世界能源形势越发严峻，空调水系统的设计与控制显得越来越重要[1]。中央空调冷冻水系统将近端生产的冷量分配到远端的每个区域，冷冻水系统运行是否正常不仅关系着近端的制冷机房，而且关系着远端建筑的室内舒适性[2]。在中央空调运行过程中，常常会遇到水力失调的情况，最主要的表现为当系统的某些支路部分或者全部关闭时，冷冻水系统管网阻力特性会发生比较大的变化，此时各支路的流量也会发生较大的变化。针对此类问题，采用在空调水系统供回水干管之间设置旁通控制系统是一种常用方法。当空调系统的某些支路部分或全部关闭时，通过调节旁通阀门开度可以对流量进行分流，从而避免这些支路的改变对其它支路流量产生大的影响，有利于空调系统运行的稳定性[3]，同时可以避免冷冻水系统管网阻力特性会发生比较大的变化时，保证通过制冷机蒸发器的流量不小于其最小流量要求。

目前，国内很多学者对旁通控制方法做了许多研究。李宜浩[3，4]介绍了压差旁通控制系统的作用、系统组成、作用原理，分析压差旁通控制常见的问题和原因，给出了确保该控制系统长期良好运转的措施。张再鹏[5，6]根据不同的水泵控制形式，给出了不同的旁通控制方法，并给出了各种旁通控制法的旁通流量计算公式。刘雪峰[7]理论研究了旁通压差设定值对管网水力特征和能耗特性的影响，以及管网末端设备流量同步变化和非同步变化等多运行工况下的水力特征。孙一坚[8，9]以某高层建筑为实例计算分析了压差旁通控制法的节能效果。刘金平[10]通过实验表明旁通压差控制平衡状态存在一个上限流量，压差设定值对变速冷冻水泵的运行有显著影响。

上述研究大多是针对压差旁通控制的理论分析，本文以某实际工程的空调一次泵水系统为对象，通过建立该系统的模拟模型，采用压差旁通控制方法及最小流量旁通控制方法对该系统进行模拟，进一步分析这两种方法在定流量系统中的控制效果并给出在实际工程中的应用建议。

1 旁通控制分析

在空调冷冻水系统运行过程中，当末端的某些支路部分调节或者关闭时，系统管网阻力特性会发生比较大的变化，系统的总流量会发生变化，流经制冷机蒸发器的流量也会不断发生变化。一般来说，制冷机蒸发器流量小于其最低限流量时，制冷机就会进行自保护而停止工作。在定流量水系统中（通常是指水泵为工频运行），当末端进行调节（阀门关小或关闭）时，系统阻力加大，水泵流量减小，此时通常通过设置旁通，打开旁通阀减小系统阻力，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低流量要求。因此需要设定一个旁通压差值，这个旁通压差值如何设定，一直是工程领域关心的一个热点与难点。

由于压差旁通设定值难以确定，也有采用直接测量一次泵水系统中的流量的方法来进行旁通控制。其控制方法是在制冷机与集水器或分水器之间设置流量传感器，以系统流量作为变量进行旁通阀门的开度控制，当系统流量降低至接近蒸发器的最低限流量时，旁通阀开启，减小系统阻力，提高系统流量，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低流量要求。

2 系统描述

空调冷冻水系统如图1所示。冷冻水系统设有2台螺杆式冷水机，蒸发器额定流量为92 m3/h，冷凝器额定流量为110 m3/h。设置2台冷冻水泵，选取的水泵参数为单台额定流量101 m3/h，扬程32.7 mH2O，额定功率13 kW。该空调系统用户侧分为四个大支路，即A支路、B支路、C支路、D支路。空调冷冻水系统的用户侧通过分水器、集水器以并联方式连接。A支路、B支路末端为组合式空调器。C支路采用多台风机盘管并以并联形式连接。D支路有4个小支路，末端则为空调柜机。

图1 中央空调冷冻水系统示意图

该空调系统的水泵，冷水机组和D支路小型空调柜24小时不间断运行，A支路，B支路和C支路每天早上6时开启，晚上24时停运，每日运行18个小时。A支路，B支路和D支路三个大支路空调器采用风水一体化控制进行末端水量及风量的协调控制。在本研究中，考虑在1台制冷机及1台水泵运行时，不同控制方法在定流量系统的控制效果。

3 系统模拟平台

Flowmaster为一维工程流体管路系统仿真软件，内置的一维流体动力系统解算器和流体系统仿真软件包，可对流体管路系统进行完整分析，并能对稳态、瞬态过程进行模拟。Flowmaster自带的组件库涵盖了目前流体系统所需的绝大多数标准组件，每个流体系统都由不同的流体元件构成，如泵、阀门、管路、末端设备等。在系统建模的过程中，可以直接调用软件中的组件，再通过节点连接，从而完成空调水系统模型的建立。

空调水系统里的组件主要包括阀门、管段、控制器及末端设备等，组件模型服从式（1）的压力流量关系。泵的运行参数由泵的运行特性曲线和管网的阻力特性曲线共同确定，管网特性曲线数学模型则如式（2）所示。

式中：ΔP为压降，Pa；K为阻力系数；A为管道截面积，m2；Q为流体体积流量或水泵流量，m3/s；ρ为流体密度，kg/m3；H 为水泵扬程，MPa；S 为管路阻抗；B 为压差设定值。

该空调一次泵冷冻水系统的旁通控制模型如图2所示。Flowmaster软件主要研究中央空调冷冻水管网的阻力特性，在建模的时候用阻力件替代冷水机组等空调设备。在一次泵定流量系统中，压差旁通控制（水泵工频）是在集水器及分水器上设置压力测点，将压差值输入到压差旁通控制器以调节阀门开度。最小流量旁通控制器通过设在冷冻水总供水干管设置流量测点读取流量值，产生控制信号调节旁通阀门开度。

图2 中央空调冷冻水系统旁通控制模型图

由于本系统设计选型偏大，实际的现场调研表明在系统最大负荷时也只需要开启1台制冷机。在进行模拟分析时，以一机一泵方式进行分析。

4 压差旁通控制模拟结果与分析

利用Flowmaster模拟分析水系统管网阻力，支路压差，管网流量和水泵能耗特性。单台水泵运行时系统的特性曲线如图3，系统运行工作点为A点，此时水泵扬程为32.2 mH2O，系统流量为145.7 m3/h。

图3 单台水泵运行系统特性曲线

在空调系统的分水器和集水器上设置压力传感器，以分集水器间压差作为压差旁通控制器的控制值。末端盘管回水管上的二通控制阀根据末端的需求流量进行开度调节。选取典型日计算出末端空调设备所需流量作为末端流量控制器的输入流量，分析定流量系统压差旁通控制效果。

在空调系统旁通阀门关闭、支路阀门全开的情况下使水泵按照最高频率（50 Hz）运行，测得分集水器之间的压差为14.1 mH2O。在实际工程中，一次泵定流量系统的压差旁通设定值通常取选型水泵扬程的50%左右。选取15 mH2O作为压差旁通的设定值，其压差旁通控制水泵扬程、流量及分集水器压差如图4。结果显示，压差模拟值和压差设定值（15 mH2O）基本一致，此时水泵扬程为32.3 H2O，水泵流量为136 m3/h。

图4 压差旁通控制水泵扬程，流量及分集水器压差

空调水系统流量分配情况如图5。在白天（6:00-24:00），A、B、C、D四大支路均开启，为了维持分集水器间压差恒定，此时旁通阀门开启，旁通流量为75 m3/h左右，系统总流量为136 m3/h左右。显然系统此时的流量能够满足制冷机组最低限流量的需求，且此时制冷机组的流量远大于其额定流量。在夜间（0:00-6:00），A、B、C三大支路关闭，此时旁通阀门开度继续增大，旁通流量为125 m3/h左右，系统总流量维持136 m3/h左右。制冷机组的额定流量为92 m3/h，制冷机组最低限流量一般为制冷机组额定流量的50%，即46 m3/h。系统此时的流量不仅大于制冷机组最低流量需求，而且远大于其额定流量，水量浪费严重。对于该系统而言，旁通压差设定值并不合适。

图5 压差旁通控制系统流量分配图

5 最小流量旁通控制结果与分析

在空调系统的冷冻水供水干管设置流量传感器，以系统流量作为旁通阀门开度的控制信号，当系统流量降低至接近蒸发器的最低限流量时，系统的旁通阀开启，减小系统阻力，提高水泵流量，让部分流量直接流经旁通管而进入蒸发器，保证蒸发器的流量不小于最低限流量。

图6 最小流量旁通控制水泵扬程和流量

采用最小流量旁通控制时系统的水泵扬程和流量如图6所示。在白天（6:00-24:00），系统流量随着末端空调设备的实际需求流量的变化而变化，在夜间（0:00-6:00），系统流量维持在46 m3/h，水泵扬程为32.3 mH2O。

采用最小流量旁通控制系统流量分配情况如图7。在白天（6:00-24:00），A、B、C、D 四大支路均开启，此时旁通阀门关闭，系统流量即为系统各末端此时的需求流量，总流量在65～75 m3/h之间。在夜间（0:00-6:00），A、B、C 支路关闭，流量为零，此时旁通阀门开启，旁通流量为38 m3/h左右，系统总流量始终维持在46 m3/h满足最低限流量要求。

图7 最小流量旁通控制系统流量分配图

6 结论

本文根据某一空调系统末端采用流量调节、水泵采用工频运行实际情况，搭建模拟平台，进行水系统管网水力特性模拟分析。比较分析了定流量系统压差旁通控制和最小流量旁通控制的控制效果。结果表明，在定流量系统中采用压差旁通控制时，系统流量能够维持在恒定值，同时满足制冷机组最低限流量的需求，但此时制冷机组的流量远大于其最低限流量。当采用最小流量旁通控制时，可以很好满足系统各末端的流量需求，同时也能满足蒸发器最低限流量要求。在水泵工频运行的空调水系统中，无论是压差旁通控制还是最小流量控制都存在大量的流量及水泵能耗浪费。采用变速变频调节是一种好的节能措施。在变频调节的空调冷冻水系统中如何保证末端有足够的流量供应又能保证制冷机的最小流量而且实现最小能耗值得进一步研究。