区域供冷系统中用户侧多种换热的方式比较

薛根

（广州大学城能源发展有限公司）

1 前言

区域供冷系统具有节能效益明显，用户投资少，用户管理方便的特点，维修和使用年限上也优于分布式空调。自1889年美国丹佛第一处区域供冷投入至今，已有一百多年，面对不同用户的使用需求，区域供冷系统也在不断改进，本文就用户侧的冷冻水热交换的不同模式做了一些案例分析，比较了各种方案的优缺点以及控制策略的设计。

2 概述

用户侧冷冻水的换热模式一般是通过板式换热器进行热交换，达到水循环的隔离，并区分一、二次侧循环水的目的。这种设计简单、可靠，适用于各类场景。

但该模式初期投资较大，能耗稍高，伴随着水泵运行会有较大的噪音产生，需要为相关的设备配备设备房。

广州大学城区域供冷系统从建成至今已有十余年，为岛内十所高校，众多写字楼，大型商业场所，活动中心等近300个末端用户提供供冷服务。根据不用的用户制定相应的供冷方案，满足客户用冷需求的同时，达到节能降耗的目的。

3 多种热交换模式

1）板换器换热——大泵恒压运行

一次侧冷冻水通过板换器与二次测用户空调水进行换热，用户侧水泵采用变频恒压运行，维持二次测进出口压差恒定，保证最不利末端用户供冷。二次测供水温度由一次侧板换器出口调节阀进行调节，用户用冷量计量表位于一次回水侧（见图1）。这是常见的换热方式。

图1 板式换热-大泵恒压运行

2）板换器换热——小泵恒压运行

图2 板式换热-小泵恒压运行

对于学校和办公场所，每日深夜至凌晨是用户用冷的低峰时段。春季或冬季，广州气候比较热，有时仅有少量用户用冷。低负荷运行时如何保障低能耗，是用户普遍关心的问题，由于原有水泵功率较高（后称“大泵”），采用变频运行，为保持恒压运行水泵一般保持25Hz以上的运行频率，所以系统仍有较高功耗。为此，低负荷时我们停运大泵，通过并入的小功率水泵（后称“小泵”）变频恒压运行，经过测试能耗大幅降低（见图 2）。

小泵与大泵并联运行，大负荷时2台大泵恒压运行，小负荷时转为小泵恒压运行。大负荷转小负荷的条件是大泵运行频率＜36Hz。当用冷用户数量继续减少，直到无人用冷时，小泵运行频率持续降低，检测供水侧的水流开关可以作为系统停冷进入“休眠”的依据。有些用户对于供冷的及时性要求较高，要求开机及冷，为此要保证二次测冷冻水的温度保持在标准值。我们在控制系统中设计了循环功能，在上述小负荷停冷、“休眠”后，系统每隔一段时间会被“唤醒”开启小泵进行二次测水循环，循环过程中一次侧冷冻水电动阀通常处于关断状态，不提供冷源。循环几分钟后，如果二次测回水温度没有明显升高，说明管道保温良好，内部冷冻水温度仍较低，系统又进入休眠。如果二次测回水温度明显升高，则需要开启一次侧冷冻水电动阀，一次侧冷源进行换热，补偿二次侧的冷量损失。二次测冷冻水出水温度仍由一次侧出口调节阀进行调节。

由于用户侧空调盘管风机的进水二通阀常年使用会出现无法关断的故障，为节约能耗，我们还集成了用户空调温控器的启动数据，温控器全停为停供信号，系统进入“休眠模式”。当有一个用户用冷，温控器启动，系统马上进入小负荷运行模式。

3）直接供冷——小泵混水模式

图3 直接供冷-小泵混水模式

对于建筑空间小，设备噪音敏感的用户，设计了直接供冷-小泵混水模式。系统取消了板换器，一、二次侧供、回水管分别相连，安装带电动阀及逆止阀的变频混水泵系统，为满足控制需要，还需监控冷源冷冻水流量（见图3）。

冷源的温度一般较低为6℃，混水的原理是将温度较高的回水通过变频小泵混入温度较低的供水侧，提高供水温度，既满足了用户供冷温度需求，也保证了供水温度不致过低导致冷凝水的产生。其中混水小泵变频器的PID调节以混水后的温度为调节变量，温度上升超过设定温度（一般取10℃），则降低频率，温度下降低于设定温度（一般取10℃），则增加频率。

一般供水侧设计集水箱，混水小泵通过变频控制保证供水侧的温度恒定。此时位于冷源入口处调节阀的功能是调节供回水压差为恒定值，压差的恒定一方面保障了最不利点用户冷冻水的供应，另一方面对于混水小泵的稳定运行至关重要。因为小泵扬程一定，如果供回水压差较大，则回水加不进供水侧；如果压差波动较大，混水后的温度也难稳定。

由于冷源冷冻水直接进入了用户侧水路，所以对系统安全要求较高：楼宇最高用冷点必须比冷源的补水箱位低；要确保用户侧的水质良好，避免用户侧的水引入冷源侧后破坏冷源侧水质；要在冷源侧供、回水管安装可靠的闸阀，有效截断冷源侧的水路，方便用户侧的检修；用户侧冷冻水温度较低，要求用户侧冷冻水保温良好，避免冷凝滴水造成的损失；用户侧二通阀引起的泄漏，会在小负荷时引起回水温度偏低，导致混水调节的误判，所以用户侧二通阀的维护好坏关系到系统的可靠运行。

如同“板换换热---小泵恒压运行”，负荷降低直至用户停冷或二通阀全关，水流开关动作或温控器显示全关，则系统进入休眠状态，为保障用户随时用冷，系统定时唤醒，并进行内部循环。如有用户用冷，温控器启动，系统马上进入小负荷运行模式。

4）直接供冷---大泵混水模式

图4 直接供冷-大泵混水模式

混水模式热效率高，结构简单施工容易，但用户用冷负荷很大时，上面的小泵混水模式由于用户侧的冷冻水供回水压差降低，流速变慢，所以空调换热慢，回水温度较高。为加快冷冻水流速，我们在小负荷混水模式的基础上增加了大泵混水模式，以满足较高用冷负荷需求。一、二次侧供、回水管分别相连，两连接管上安装带逆止阀的旁通管，作为大泵混水的水路；大泵进出、水管道上安装带逆止阀的旁通管，作为小泵混水模式下旁通大泵的水路（见图4）。

表1 四种热交换模式的优缺点分析

此时，变频大泵调节供回水压差，原来的一次侧调节阀控制冷冻水供水温度。变频大泵的主要作用就是通过增加供回水压差，增加冷冻水流速，起到加快用户侧换热循环的作用。由于很少出现高负荷用冷情况，所以，大泵混水和小泵混水模式的切换一般通过手动闸阀的操作来实现。

4 四种热交换模式的优缺点

小泵恒压运行是作为大泵恒压模式的补充，满足小负荷时的用冷需求；小泵混水模式能满足绝大多少的用冷需求，如果用户用冷很大时，可切换为大泵混水模式，由于很少出现高负荷用冷情况，所以，大泵混水模式只是作为小泵混水模式的补充，可选择性建设。详见表1。

5 实际应用效果

我们以小泵恒压模式和小泵混水模式进行夜间低负荷用冷效果和能耗测试。根据多次测试数据汇总得出如下结果：

末端无用户用冷，小水泵会定期低频循环并对水温进行检测，当检测温度偏高时，会打开一次侧冷源对二次侧进行降温。运行10h，用冷量为：29kW·h，二次侧水泵电耗约为：3kW·h。

末端只有1个用户用冷，二次侧变频小水泵一直运行。运行10h，用冷量为：41kW·h，二次侧水泵电耗约为：9.5kW·h。

末端只有3个用户用冷，二次侧变频小水泵一直运行。运行10h，用冷量为：72kW·h，二次侧水泵电耗约为：9.5kW·h。

水泵机房在夜间进入小负荷模式运行后安静，用户随用及冷体验良好。

6 建设建议

板换器换热-大泵恒压运行，作为常用的建设方案成熟可靠，调试简单。

板换器换热-小泵恒压模式，当对用户侧的设备、管道质量要求不高。可在已有板换器的建设基础上进行整改，增加小泵恒压运行模式，这样可降低低负荷时的能耗，满足24h及时用冷需求。

直接供冷-小泵混水模式具有占地面积少、投资少、噪声低的优点，适合要求高的用户。但同时也对用户侧的设备、管道质量提出了更高要求。

直接供冷-大泵混水模式作为小泵混水模式的补充，满足用户很高用冷负荷的需求。

7 结语

本文介绍了区域供冷用户侧冷冻水热交换的四种模式。详细论述了四种模式的结构和控制策略，分析了四种模式的优缺点并提出了相应的建设建议。