生晓燕王平刘思超

1青岛中建能源管理有限公司

2青岛西海岸职教集团有限公司

3青岛经济技术开发区安全生产监督管理局

0 引言

近年来，随着节能要求的深入，一次泵变流量水系统在公共建筑的空调设计中应用也越来越多，但是一次泵变流量水系统变频水泵的控制策略却不尽相同，目前流行的控制策略主要有以下两种[1]：管温差控制（图1）和压差控制（图2）。

图1 温差控制一次泵水系统示意图

图2 压差控制一次泵水系统示意图

现就两种控制方法在一次泵变流量水系统中的应用，在前人研究[2]的基础上，结合设计过程中遇见的问题进行阐述。

1 温差控制策略简要分析

温差控制是在保证冷水机组蒸发器出水温度不变的情况下，检测回水管上的温度，计算出供回水之间的温差，将其与设定值比较，计算出偏差，送入模糊控制器，控制水泵的变频，起到节能运行的目的。此控制策略从理论上看起来，切实可行，无懈可击，现实中也有一些所谓的节能改造公司运行此理论进行节能改造。但若严格推敲，存在以下两点不足：其一，假如一次泵变流量水系统各并联支路有的支路满负荷运行，有的支路通过末端温控阀调节（房间负荷的变化）部分负荷运行，此时供回水干管温差变小，水泵降频运行，会造成满负荷运行支路的房间负荷不满足实际需求。其二，当部分末端温控阀动作后，由其引起的供回水干管温差的变化相对于末端温控阀的动作严重滞后，会造成水泵变频不及时，存在盲目性。综上所述，温差控制法在一次泵变流量水系统中存在缺陷，不能满足所有末端的实际需求。

2 压差控制策略分析

2.1 水力工况分析计算的基本原理

流体在管道中流动时，必须克服阻力而产生压力损失。流体的压力损失与管道的阻力特性系数（阻力数）及流量间基本关系式[3]为：

式中：△P为计算管段的压力降，Pa；Q为计算管段的水流量，m3/h；S为计算管段阻力数，Pa/(m3/h)2。

将比摩阻计算公式代入式（1）得：

式中：d为管段内径，m；l为管段长度，m；ld为局部阻力当量长度，m；K为管道的当量绝对粗糙度，m 。

由式（2）可知，当视水的密度ρ为常数时，S只与管段的管径，长度，管道内壁的当量绝对粗糙度以及管段局部阻力有关。即S仅取决于管网的本身构造，不随流量变化，对一定的管网，在管径，长度，布置形式，局部构件及阀门开度不变的情况下，其阻力特性系数固定不变。

在并联管路中，各并联管路的压降相等，各并联支路的流量之和等于总流量。并联管段总阻力与各并联支路管段阻力存在如下关系：

由式（3）可知，各并联支路部分被关闭后，S值会增大。

在实际工程中，方便计算，将式（2）转化为：

式中：h为计算管段的压力降，m；Q为计算管段的水流量，m3/h；S为计算管段阻力数，m/(m3/h)2。

2.2 压差控制关键点配置位置的影响

在一次泵变流量水系统中，压差控制水泵的变频也是一种常用的控制策略[4]，尤其是供回水干管压差控制法，以其可靠，满足各末端需求著称，但其节能甚微，节能量的多少与关键点配置的位置有直接关系。

举例说明。设某一次泵变流量水系统的循环阻力分配如下：冷源（机房侧冷水机组）10 m，最远供、回水干管 10 m，末端设备（用户侧）10 m，循环水泵扬程30 m。结合图3 分析压差控制关键点配置在 A、B、C不同点，当末端负荷变化导致系统水流量变化时，变频水泵扬程的变化。

图3 一次泵变流量冷冻水系统示意图

1）当关键点配置在C 点时，满负荷运行时流量为Q，水泵扬程h=30 m，设定点控制压差为hc=10 m。由式（4）得：

当用户侧末端负荷变化引起流量变化，如系统流量变为50%时，由式（2）可知，机房侧和输送干管的S值不变，在维持末端压差hc=10 m不变时，水泵的扬程变为h=15 m；如系统流量变为70%时，水泵的扬程变为h=19.8 m；可见水泵变频调速控制的幅度比较大。

2）当关键点配置在B点时，满负荷运行时流量为Q，水泵扬程h=30m，设定点控制压差为hB=20 m。

当用户侧末端负荷变化引起流量变化，如系统流量变为50%时，由式（2）可知，机房侧和输送干管的S值不变，在维持末端压差hc=20 m不变时，水泵的扬程变为h=22.5 m；如系统流量变为70%时，水泵的扬程变为h=24.9 m；说明水泵还有一定的变频调速幅度。

3）当关键点配置在A点时，满负荷运行时流量为Q，水泵扬程h=30m，设定点控制压差为hA=30m。

不论流量怎样变化，循环水泵的扬程h=30 m，只是由于末端阀门的变化引起整个管网特性曲线变化使水泵工作点左移，水泵出口压力略有上升，可变频的幅度很小。

由以上分析可知，在一次泵变流量水系统中，压差控制的关键点越靠近空调末端。末端设备（或环路）阻力相对较小时，变频水泵的节能效果越显著。

3 设计过程中关键点的配置

在设计过程中，受限于建筑整体布局对制冷机房的要求，往往制冷机房设置位置远离负荷中心，通过较长距离的能量输送。目前空调水系统设计中，压差控制关键点一般配置在制冷机房内的分、集水器上，以其控制水泵的变频，通过上述分析可知，此法对水泵变频幅度有限，不利于系统的节能运行。

针对目前空调水系统设计过程中的实际情况，对压差控制关键点的配置位置做如下优化：

图4 制冷机房远离负荷中心水系统示意图

1）根据实际设计情况，当机房位置远离负荷中心时，将机房内的分、集水器移出制冷机房，设置在负荷中心区域，将压差控制关键点配置在分、集水器上。如图4所示。

此种情况仅需在分、集水器处，设置一个压差控制关键点即可实现较大的变频幅度。

2）在实际设计过程中，遇到更多的情况是用户侧的负荷区域相对分散，制冷机房在负荷区域范围之内，如图5所示。

图5 负荷区域相对分散时制冷机房水系统示意图

此种情况，分、集水器设置在制冷机房内，若压差控制关键点配置在分、集水器处，系统水流量变化时，相对图4对应的情况而言，水泵的变频幅度变小，节能效果差。为了得到更大的变频幅度，将压差控制关键点配置在不同支管上第一个水平支管的下方位置，如图5所示A、B、C、D点。

同时在设计过程中，需要注意以下几点：其一，在用户侧根据房间功能及朝向，合理的划分各支管负责的空调区域，譬如尽量避免支管1所带的房间都是南向的，应同时带南、北朝向的房间等，以便使得各个支管在实际使用过程中负荷出现一致性变化。其二，空调使用时间段相对其他业态差别较大、使用过程中负荷变化不大的区域（如超市、百货等）应用独立的空调水系统。其三，在设计过程中，通过对各支管管径的计算控制及回水管上平衡阀的调节，尽量使各支路控制点处到分、集水器之间的支管阻力相当。

系统满负荷运行时，根据支管末端的阻力设定压差。当末端负荷变化导致系统水流量变化时，各支管控制点处的实际压差与设定压差相比较，通过PLC编程选择各个支路中，实际压差与设定压差差值最小的控制点来控制水泵变频，在满足其他各个支管实际水需求的同时，尽可能的扩大水泵变频幅度，实现节能运行。

综上所述，压差控制中关键点位置的选取对一次泵变流量水系统的节能运行影响较大。在设计过程中，应根据工程的实际情况，合理划分和分配末端支管的负荷范围，对各支管进行准确的水力计算，将关键点尽可能的配置在远离机房的用户侧的合适位置，通过单点或多点压差比较的方法控制水泵的变频，达到系统的节能运行。

[1]孙一坚,潘尤贵.空调水系统变流量节能控制-变频调速水泵的合理应用[J].暖通空调,2005,35(10):90-92.

[2]董哲生,刘新民.基于末端冷量主动调节性的空调冷水泵变频控制策略[J].暖通空调,2013,43(10):60-62.

[3]全国勘察设计注册工程师设备专业管理委员会.全国勘察设计注册公用设备工程师暖通空调专业考试复习教材(第3版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[4]高养田.空调变流量水系统设计技术发展[J].暖通空调,1996,19(3):20-26.