一次冷冻水流量控制研究

1 引言

建筑能耗在我国的社会总能耗中一直占据着很大的比重，而空调系统的能耗又是建筑能耗的重要组成部分。在空调系统中，冷水机组和水泵的输送能耗约占整个空调系统能耗的70%左右，因此研究空调水系统的节能，对于我国的节能减排工作具有重要意义。对于一次泵，由于可靠性好、控制简单，大多采用定流量运行。随着水泵变频技术的日趋成熟，社会节能意识与节能需求的提高，空调一次泵系统也逐步向变频控制过渡。

1.1 目标建筑基本情况

本文为某商业建筑一次泵水系统控制设计。该建筑地上28 层，地下2 层，总高110m，总建筑面积80,000㎡，其中裙房3 层共20,000㎡，为商场，主楼地上总面积50,000㎡，地下室为10,000㎡，为办公楼。裙房周日到周四工作时间为10:00~21:00，周五、周六工作时间为10:00~22:00；主楼工作时间为周一到周五：8:00~18:00。大楼一次冷冻水泵有4 台，与冷水机组一一对应连接，其中3 台额定流量500m ³ /h，扬程18m，电机功率45kW；1台额定流量250m ³ /h，扬程18m，电机功率22kW。裙房为一次水系统，主楼为二次水系统，裙房、主楼合用一次冷冻水泵。系统结构图如图1-1。

目前，大楼的一次泵定流量运行，且只有对应冷水机组的启停控制。这种控制方案简单、安全，但是使得空调系统中冷冻水泵不仅不会跟从主机的部分负荷运行而改变流量，也不会跟随冷水机组的减载而减载。因此照成了大量的能源浪费。

1.2 研究前提与限制

由于主楼由二次泵输送，可以看做一个大用户，且能根据主楼的冷冻水需求自动调节。这样尽管为二次泵系统，也可以当做一次泵系统来处理，简单的说就是在整个空调冷冻水系统中，冷冻水的制备、输送和分配都完全是由位于冷源处的一次泵组完成。裙房末端为AHU，也具有自动调节的功能。

由于一次泵与冷水机组一一对应连接，所以还存在以下几种限制：

1)  一次水泵的启停控制必须与冷水机组联动，因此在设计一次泵变频与变台数的控制策略时具有十分有限的自主性。加之每组水泵和冷水机组之间为并联连接，为了保证水头与水不倒流，设计中将所有的水泵同时变频。当负荷变化的时候，首先对水泵进行变频调节，当变频调节达到极限的时候，停止（或增加）一台水泵，其他水泵调回到额定工况。在运行中，我们保证一次泵的运行台数始终是和冷机的台数保持一致。

2)  通常来说，冷水机组蒸发器水流量变化较大时，一定会导致冷水机组的出水温度剧烈波动，从而造成冷水机组运行不稳定，严重时蒸发器会产生结冰现象。所以在一次泵变流量系统中，变流量的关键取决于冷水机组的变流量性能，即机组本身对负荷变化的响应速度决定了整个系统的节能潜力。在本次设计中，我们也必须考虑最小流量的限制。

2 控制方案分析

2.1 温差控制

根据供回水温差一定时冷量与流量成正比的关系。利用制冷机房供、回水干管的温差控制水泵的流量，使空调负荷变化直接影响流量变化的方式被称为温差控制法。在供回水管上设置温度检测装置，供水温度通常控制在7摄氏度，供回水温差为5摄氏度。温度检测装置通过分析用户侧温差的变化情况就可以控制水泵的变频调节，其特点是末端不设随负荷变化而动作的流量调节阀。当温度传感器检测到的末端回水温度上升，表明用户端的负荷上升，对水量的需求也因此变大，则水泵接收到温差变大的信号后，加大频率以加大供水量，来满足用户侧的水量需求。反之，当供回水温差小于设定值时，表明用户端的水量需求减小，则一次泵必须降低频率，减小流量，来保证供回水温差再次回到设定值，但是前提是必须保证冷水机组的最小流量。

温差控制方法控制方式比较简单，当二次泵系统使用压差控制时，一次泵温差控制不会出现震荡。而且在部分负荷下，系统的阻力系数不变或变化很小，功率与转速满足水泵的三次方定律，因而具有显著的节能效果。此外，温差控制系统改造较为简单，由于商业建筑中末端大多为风机盘管，当部分房间暂时不使用时，关闭相应的风机控制器即可，对系统的水力工况无影响，改造仅在制冷机房内直接进行，不影响商业建筑的正常使用。但该控制系统同样存在缺陷，温差控制虽然体现负荷变化，但是反应的是系统平均负荷变化，特别是当用户端符合变化不一致或者相差较大时，存在最不利房间空调制冷的效果问题。另外，由于温度传感器设置在总回水管路上，使得系统负荷的变化不可能迅速得到反应，导致温差控制系统不可避免地存在较大的滞后延迟，对于负荷变化较快的系统，该控制方法精度不高。

2.2 压差控制

压差控制即通过供回水管路的压差值，和预设的压差值比较，通过两者的偏差来调节一次泵的转速的控制方式，压差控制按控制点的不同可分为，分集水器之间压差控制和末端压差控制，按压差初始设定值的设定可以分为变压差控制和定压差控制，以末端定压差控制为例，该方法通过采集裙房最不利环路末端用户的压差值△P 和设定的压差值△P′进行对比，通过两压差值的偏差值控制一次水泵的变频器，从而控制水泵的转速。具体控制过程是，首先根据系统环路特性设定给定压差△P′，控制器根据压差变送器测得的压差△p 与给定压差△P′比较，若△p>△P′，则变频控制器降低输出频率，进而降低一次泵组的转速 n， 反之，增大一次泵的转速。此法通过实时的采集裙房最不利环路末端用户进出口的压差，实时的控制水泵的转速，从而降低了水泵的能耗，同时也消除了温差控制的控制滞后现象，但是末端压差控制也有几个缺点，首先，给定压差△P′不好确定；其次，这种方法虽然控制了末端压差不变但是分集水器之间的压差还是会发生变化，如果与裙房末端并联的二次水“大用户”同样采取压差控制，一旦分集水器的压差改变，二次泵会对二次侧进行一个流量调节，从而对总流量产生影响，最后可能导致一次泵控制的震荡，这对于一个控制系统来说是非常危险的。为了避免这种现象发生，可以考虑将压差测量点放在分集水器上，控制分集水器间的压差为设定值，从而让二次水循环工作在固定工况中，虽然这种方式的节能效果不如末端控制但可以有效避免震荡。

2.3 最大阀位控制

最大阀位控制控制方式主要是根据空调末端用户的二通调节阀，控制一次泵的转速，使这些阀门中至少有一个是接近全开的状态，大大降低了消耗在阀门上的能耗。以夏季工况为例，当室内负荷降低时，室内温度降低，此时，位于室内的温度传感器将温度信息传递给调节用户流量的二通调节阀，调节阀阀门关小。阀门开度信息的变化信号传递给控制器，控制器发出指令降低一次泵转速，直到最大阀位达到 90%~95%时，一次泵停止调节。运用这样的调节方式可以使各阀门开度都尽量接近全开，大大降低了阀门上的阻力损失，节省了大量的水泵输送能，这种调节方式主要适用于主楼无供冷需求而单独运行裙房的情况，即周末的时间段。当然最大阀位控制也存在一些缺陷，首先，冷冻水流量会因一次泵变频后发生变化，阀门开度本该响应流量变化，但由于阀门开度受室内温度控制，调节起来较慢，容易造成一次泵过度调节，由此产生震荡。其次，怎样确定最不利用户是难点。随着供水一次泵的变频，各环路的阻力系数发生改变，最不利点可能变化。针对这一问题，一般的做法有两种，其一，选取离冷水机组最远端的用户即水力最不利处的阀位作为最大阀位，此方法的缺点是当用户的负荷发生变化时，有可能最不利环路不是离机组最远的环路，从而导致满足不了该最不利环路用户的负荷要求。其二，通过二通阀的电位信息实时的采集各个用户的阀位信息，然后选取其中的最不利环路。两者相比后者具有更好的节能效果，此法的不足是系统的控制线路太复杂，导致系统的初投资偏高。

3 本文选择的方案

分析了以上各种控制方法单独使用的优劣，本文采用温差控制和分集水器间压差控制相结合的一次泵变流量串级控制。如图 3-1 所示，在旁通管后的供回水管上设置压差和温差传感器，压差和温差的测量值经各自的变送器输入控制器， 经过控制器的比较和运算后把控制信号输出给一次泵的变频器，改变一次泵的转速从而控制流量。其中压差设定值由冷水机组出水流量进行重置，同时旁通阀的开度也会根据总供水管的流量进行相应调整，具体控制原理如下。

图3-2 控制原理图

如图3-2 所示，当扰动（房间冷负荷）变化时，先影响冷冻水阀使其开度发生变化，从而影响冷冻水分集水器之间的压差，副调节器根据偏差快速调节一次泵频率，如果扰动量不大，经过副回路及时调整一般不影响供回水温差，从而达到快速调节的目的；如果扰动的幅值较大，因为压差控制方式自身的缺陷，压差设定值与负荷之间不完全对应，虽然经过副回路的及时校正，仍影响冷冻水供回水温差，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使供回水温差调回到给定值上来。当冷负荷很小时，控制器计算出的给定流量也随之变小，变频器的输出频率也会随之降低，从而达到节能的目的。

在一次泵变流量的控制中，一个很大的问题就是最小流量问题，当负荷减小到一定值而没有到达冷机的减机标准时，冷机蒸发器内的冷冻水流量可能减少到冷机的流量下限，此时冷水机组将不能正常工作，因此需要采取措施保证流过冷水机组的流量不小于流量下限。为了解决这个问题，该种控制方式采用旁通管进行定流量控制。旁通管的位置如图 3-1，旁通阀的控制为流量控制，流量传感器在分水器之前。当流量小于冷水机组最小值的时候，系统采用最小流量旁通法， 即逐步开大旁通阀的开度，令部分从冷机出来的冷冻水直接经过旁通管到达冷机的回水侧，当流量重新大于最小流量时，阀门逐步关小，当阀门关死的时候重新转入变流量控制。

整个过程的控制逻辑见图 3-3，控制流程叙述如下：

1. 为了保证安全，在每次系统开机启动时，将所有水泵全开；

2. 根据工况和实际负荷要求确定冷水机组的开启台数 n；

3. 调整对应水泵开启和初始频率；

4. 进入压差控制和温差控制，压差和温差的实测值将与设定值进行比较，且压差和温差各有 2%和 0.5摄氏度的死区，并且设定30秒为稳定时间；

5. 一次泵的频率根据压差和温差控制的结果进行变频，在此之前，我们可以通过计算和产品参数得到一次泵的最低频率和最高频率。（最低频率，即指在工作频率下，通过冷水机组的水量仅略大于冷水机组的最小允许水量。最大频率，则指的是一次泵正常工作时的最大允许频率）

6. 在每一次判断 30 秒后，将进入新的一轮判断循环，首先将判断冷水机组是否有加减台数。若出现台数加减，则10分钟内温差的实测值将作为设定值保留，防止出现由台数加减而非末端需求改变导致的短时间温差大幅度变化引起的不稳定状况。

7. 当一次泵的频率达到最小或者最大值时，该系统将进入定流量控制系统。在定流量控制系统中，若水泵处于最大频率，则维持最大频率工作，等待冷水机组加机。若处于最小频率，则当 Q 小于最小流量时，加大旁通阀开度，反之则减小旁通阀开度，若阀门已经关死，则回到变流量控制。

选用该方法的原因是，其一，它利用了压差控制快速调节的特点，弥补了温差控制的滞后，同时可以让系统调节更为精确，消除了供水温差和供水压差调节各自的缺点，有很好的节能效果；其二，将压差传感器设置在分集水器之间，能有效避免系统产生震荡的肯能性；其三，旁通阀的控制能保证冷机安全运行的最小流量。当然任何一种控制方式都有其不足之处，一是对于该种调节方式，变频后水泵特性曲线和管网特性曲线的交点有可能落在水泵的非高效区，导致水泵在低效率下工作，达不到理想的节能效果；二是供水压差和供水温度联合调节时的供水压差设定值的确定问题。若选取的过大，则水泵的供水量加大，而此时改变高效运行中的冷机的出水温度会降低冷机的COP而不利于节能，反之选取的过小，此时供水流量减少，可能导致水泵的工作点进入非高效区，而不利于节能。但综上所述，温差控制和分集水器间压差控制相结合的一次泵变流量串级控制相比其他控制方式而言仍然有更多优势，建议采用。

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