郑鹏杰

（深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司，广东广州 510665）

0 引言

节能减排是我国实现可持续发展的重要措施，据资料显示[1]，建筑能耗约占社会能耗的28%，而在建筑能耗中，集中空调系统能耗约占建筑能耗的40%～50%。集中空调系统中，冷水机组制冷能耗约占50%～60%，冷冻水泵与冷却水泵能耗约占25%～30%，各种末端设备能耗约占15%～20%[2]。集中空调系统的设备选型一般是按照建筑最大负荷设计，且设计过程中往往会存在或多或少的放大，然而，集中空调系统大部分时间都是在部分负荷运行，据研究[3]，商业办公建筑集中空调系统有一半的时间运行在满负荷的50%。因此，集中空调系统节能是建筑节能重要途径之一，而输配系统节能是集中空调系统节能的重要措施之一。

集中空调冷冻水系统变流量的节能问题已有较多相关研究和工程应用[4-6]，较一致的表明，在一定范围内的冷冻水系统变流量，对冷水机组的能效影响不大，但能节省水泵输配能耗，是一种值得推广的节能措施，其节能效果与变流量控制方式息息相关。本文将结合以往相关研究，对集中空调一次泵变流量水系统三种常用控制方式进行对比分析，并对设计中的应用提出建议。

1 集中空调一次泵变流量水系统简介

通常，我们将集中空调水系统从位置上构成分为两部分，即冷源侧（制冷机房内）水系统和用户侧（制冷机房外）水系统[7]，对于定、变流量系统的区分是针对用户侧而言的，即在空调系统运行全过程中，如果用户侧水系统总水量处于实时变化的，则将此水系统定义为变流量水系统，反之，则定义为定流量水系统。而所谓的一次泵水系统（也称一级泵水系统），其特点就是系统中只设置了一级水泵来承担全部水系统的循环阻力。当两者结合，即为集中空调一次泵变流量水系统（图1）。另外，如果考虑冷源设备的流量变化情况，一次泵变流量系统又可分为：一次泵压差旁通控制变流量系统和一次泵变频变流量系统两种形式。

图1 一次泵变流量水系统

2 水泵变流量原理

根据水泵相似定律[8]，水泵运行转速改变时，其性能参数也将改变，其变化规律如下：流量Q（m3/h）、扬程H（m）、轴功率N（kW）、和转速n（r/min）之间存在以下关系为Q/Q0=n/n0，H/H0=（n/n0）2，N/N0=（n/n0）3，即水泵流量与转速成正比，扬程与转速二次方成正比，功率与转速三次方成正比。另根据交流电动机工作原理，水泵转速与电源频率成正比。

因此，从理论可知，当空调系统冷负荷的减少时，通过调整水泵电源频率，降低水泵转速和流量，水泵轴功率呈三次方的比例降低，可大幅降低水泵能耗，从而达到节能的目的。

3 常用控制方式对比

3.1 干管定温差法

由热力学第一定律可知，系统冷负荷变化时，可通过改变冷冻水流量或改变冷冻水供回水温差以满足负荷需求。在供回水干管设置温度检测装置，而一般情况下，供水温度设定为7℃，供回水温差设定为5℃，所以干管定温差法通常只在回水干管上设置装置检测回水温度即可计算出供回水温差，并与设定值5℃做比较。当系统冷负荷减少时，若水流量不变，供回水温差将减小，系统控制水泵降频运行，减少水流量，使供回水温差增大至设定的5℃。反之，当系统负荷增加时，供回水温差将增大，则控制水增频运行，使供回水温差减小至设定的5℃（图2）。

图2 干管定温差法

干管定温差法不需在末端设置调节阀，当系统负荷减少时，管路阻抗不变，理论上水泵能耗能呈三次方的比例降低，是最节能的控制方式[9]。但是，由于该控制方式采用回水温度作为控制信号，其值反应的是上一个冷冻水循环周期时冷冻水供水温度对水系统产生作用的结果，温度变化相对于负荷变化存在滞后，不能及时反应冷负荷变化；另一方面，实际工程中，末端负荷变化方向是不同的，例如有些末端满负荷运行，有些末端部分负荷运行，水泵降频运行时，可能出现满负荷运行的末端无法满足负荷需求[10]。

因此，干管定温差法虽然控制简单且节能效果好，但是控制时效性差，控制精度不高，当负荷变化方向不同时无法满足所有末端的实际需求。

3.2 干管定压差法

系统负荷变化时，室内温控器根据室内温度的变化改变末端二通阀的开度，末端供回水管压差将产生变化，而供回水干管的压差会随着末端压差变化而变化，在供回水干管或分集水器处设置压差检测装置，通过分析供回水干管之间作用压差的变化情况，控制水泵的变频运行，保持供回水干管之间压差恒定在设定值。当末端冷负荷减少时，为减小末端冷水流量，末端二通阀开度减小，末端阻力增大，引起供回水管干管压差增大，根据压差增大的信号控制水泵降频运行，使水泵扬程及干管压差降低至设定值。反之，水泵增频运行，使水泵扬程及干管压差增加至设定值（图3）。

图3 干管定压差法

干管定压差法每个末端或大部分末端会设置可调节的电动二通阀，阀门开度变化时，会使管路阻抗发生变化，水泵变频前后功率与流量关系也不再满足理论的三次幂定律[11]，且末端阀门也会消耗一定的水泵扬程，因此节能效果比干管定温差法差[9]。该控制方式是以压差作为控制信号，其反应灵敏，时效性比较好，控制线路只需设置在制冷机房内，系统可靠，在工程中应用较多。然而，由于供回水干管压差设定值一般较大（接近水泵扬程），水泵变频幅度有限，不利于系统的节能运行[10]，且当系统较大且只有小部分的末端负荷产生变化，末端阀门虽然有动作，但对干管压差影响甚小，此时就影响控制的精确度；另外，要准确确定供回水干管压差设定值比较困难，且实际工程中影响因素较多，即使通过详细理论计算得到，也很难与实际值相符，影响其控制精确度。

因此，干管定压差法反应快，灵敏度高，但末端调节阀改变了管路阻抗，且水泵变频幅度有限，节能效果较差。

3.3 最不利末端定压差法

与干管定压差法原理相同，不过是在最不利末端供回水支管设置压差检测装置，通过分析末端供回水支管之间作用压差的变化情况，控制水泵的变频运行，保持末端供回水支管之间压差恒定在设定值（图4）。

图4 最不利末端定压差法

最不利末端定压差法同样在末端设置可调节的电动二通阀，也会使管路阻抗发生变化，末端阀门也会消耗一定的水泵扬程，但由于末端压差设定值较小，其影响比干管定压差小，因此节能效果比干管定温差法差，但比干管定压差法好[9]。该控制方式也是以压差作为控制信号，反应灵敏，时效性比较好，且最不利末端压差设定值容易准确确定（厂家样本均能提供），只要保证了最不利环路在设计工况运行，其他环路也可以满足设计工况的需求，因此系统比较安全可靠，是目前最为常用的控制方式。但是，实际工程中[12]，空调系统的运行比较复杂，是动态变化的，且系统较大时有很多末端环路，要准确确定最不利末端环路是比较困难的，而且即使找准了最不利末端环路，也无法保证最不利末端是一直开启的，因此往往设置多个末端压差传感器，定出多个末端压差设定值，然后根据最不利末端压差偏差来控制水泵变频运行，增加了控制的复杂程度，而且控制线需要从中央集控室敷设至最不利末端环路，布线较长也会增加故障率；另外，工程中空调自控公司为了安全起见，会将末端压差值设定为经验值，而不是详细的计算值，往往会使最不利末端压差设定值偏大。

因此，最不利末端定压差法同样拥有反应快，灵敏度高的特点，系统比较安全可靠，且节能效果较好，但控制复杂。

4 设计中的应用及建议

4.1 控制方式的适用性

干管定温差法一般适用于末端不设调节阀、空调区域个性化要求不高、末端负荷变化率接近的场所，如商场、超市、展览馆等负荷同步变化场所，办公、酒店等全部或绝大多数末端设备为风机盘管的建筑，若新风机上不设调节阀，也可采用此控制方式。

干管定压差法和最不利末端定压差法一般适用于全部或绝大多数末端设备设调节阀、空调区域个性化要求高的场所，其中最不利末端压差法节能效果更好，控制也更精确[11-13]。

4.2 设计建议

工程设计中，控制方式始终是辅助手段，应根据工程特点，合理设计空调系统，才是节能的关键。如空调使用时间或业态差别较大的场所，应分开独立设置空调系统；选型应合理，需经过详细计算确定，不宜过大；合理划分环路及各环路承担负荷，使各环路负荷在实际使用过程中尽量一致性变化，便于控制；水系统设计应尽量使各环路容易实现水力平衡，减少不必要的调节阀数量以及调试工作量，也便于控制系统实现节能目的。

一次泵变流量水系统中，应根据实际情况，选择合适的控制方式，才能准确控制。首先，一般大型项目都会采取多台“大小机组”的搭配方式，以满足部分负荷需求，机组群控策略需综合考虑系统特性、冷水机组供水温度、制冷量、流量等多个因素详细设计；其次，水系统变流量节能运行的基础是要保证空调末端有效自控，如压差控制法在系统中的控制点位置不同，其控制策略和节能效果也有所不同；末端需设计调节阀才能根据负荷调节流量，并且在后期施工、系统调试、运维管理中，要特别注意对末端调节阀的检查和维护，避免水泵变频运行但无法实现水系统有效变流量运行。

5 结语

干管定温差法、干管定压差法和最不利末端定压差法在集中空调一次泵变流量水系统的应用中各有特点，工程设计中需根据实际情况选用。首先应合理设计空调系统和控制系统，并在后期对设备进行合理维护，才能实现系统有效运行和控制。