一次冷水泵变流量的应用和推广

 

岳孝方  教授

 

 

 在中央空调系统中，大量使用由压缩式冷水机组、空调机组、一次冷水泵以及有关控制阀件等组成的冷水循环系统（如图1所示）。在该系统中由冷水机组提供制冷量，空调机组耗用制冷量，在正常稳定工况条件下，制冷量和耗冷量应相等，并可用下式表达，即

 

Vrqv（制冷量）=G C（t2-t1）（耗冷量）kw

 

式中    Vr — 压缩机的实际吸气量   m3/s；

 

qv — 制冷剂的单位容积制冷量  kJ/m3;

 

G — 冷水循环量  kg/s；

 

C — 冷水比热，4.18 kJ/kg·OC； 

 

t2·t1 — 空调机组表冷器的出水、进水温度或冷水机组的回水、供水温度   OC  。

 

在日常应用中，空调负荷（即耗冷量）总是处于变化状态而需要调节，为此，在每台空调机组的表冷器进水管上均设置二通调节阀调节其进水量。当负荷减少时，二通调节阀关小，系统冷水循环量也减少。按理，耗冷量减少时制冷量也要相应减少，但由于早期压缩机无卸载功能（或未使用变频调节），则压缩机的实际吸气量Vr不变，单位容积制冷量qv因机组供水温度不变而基本为常数，形成制冷量大于耗冷量的现象，使供水温度下降或出现机组频繁停开，甚至产生冰冻现象而引发故障、损坏机组。为了防止上述现象的发生，设计了如图1所示的定流量冷水循环系统。当空调负荷减少时，关小二通调节阀，水系统阻力增大，供水和回水总管间的压差△P上升，并控制旁通阀开启或开大，使系统增加的阻力和减少的水量在旁通阀的两端得到平衡，系统减少的水量经旁通阀和旁通管流入回水总管，一次冷水泵的流量和扬程保持不变，通过冷水机组蒸发器的水量不因系统水量减少而减少，仍保持原来的额定值。这种控制和调节水量的方法，既满足了空调负荷变化对水量的调节，又避免了蒸发器因水量过少而产生故障、损坏机组的危险，这种一次冷水泵定流量系统对不具备卸载功能的冷水机组是必要的。显然定流量系统未能发挥空调负荷减小、冷水量减少所应获得的节能功效。

 

近20多年来，得益于变频技术的快速发展以及螺杆式压缩机无级调节的成熟应用，压缩机的实际吸气量或制冷量可以从100%～20%之间无级卸载，理论上空调耗冷量和冷水机组制冷量完全可以同步改变，为中央空调冷水循环采用一次冷水泵变流量（也称变一次冷水泵流量VPF［Variable-Primary-Flow］）提供了决定性的前提条件，为一次冷水泵的变频、节能解决了后顾之忧。

 

目前，一次冷水泵变流量采用如图2所示系统，一般采用三种不同的控制方法。由图可知，该冷水系统除了具有与定流量系统相同的常规机组和设备外，还需设置温差计△T或压差计△P、流量计、变频器、控制器等元件和设备。

 

1、温差△T控制：温差检测装置设置在供水和回水总管间的a、b两点，根据规定的供水温度和温差值△T通过控制器改变一次冷水泵的运行转速、流量，以满足系统所需水量。由于温差控制其管路特性曲线不变，仅改变冷水泵特性曲线，则一次冷水泵的耗功率完全按比例定律变化，即功率与转速或流量成三次方关系，理论上是三种控制方法中最省能的方式。

 

2、干管压差△P控制：压差检测装置设置在供水和回水总管间的a、b两点，根据二通调节阀开度变化而引起干管间压差△P1的变化，从而通过控制器、变频器改变一次冷水泵的转速、流量，以满足空调系统需要的水量。该控制方法其管路特性曲线和冷水泵特性曲线均发生改变，其功率不按比例定律变化。

 

3、末端压差△P2控制：压差检测装置设置在最不利冷水系统支管环路的c、d两点之间，根据二通调节阀开度变化而引起支管环路压差△P2变化，从而通过控制器、变频器改变一次冷水泵的转速、流量，以满足空调系统需要的水量。该控制方法其管路特性曲线和冷水泵特性曲线也均发生改变，其功率也不按比例定律变化。

 

由图2可知，不论采用何种控制方法，均需在冷水机组的回水总管上设置一只流量计，监测冷水机组的回水总量。理论上，冷水机组的卸载和经过其蒸发器的水量可按相同比例递减，直到最低值如20%。但目前各生产厂因机组结构型式、运行工况、控制方式等原因，为了机组的绝对安全，仍提出了冷量卸载时经过蒸发器的最低水量限定值，因此，在变流量系统中必须设置流量计，当水流量达到限定值时，流量计将通过控制器不再降低冷水泵的频率、转速，保持其最低限定的水量，如果空调负荷和水量继续减少，则流量计将控制旁通阀开启，减少的水量经旁通阀和旁通管流入回水总管，这与定流量系统运行相同。

 

上述三种控制方法各有其优点和不足，近年来，国内外一些专业杂志曾发表过许多理论分析和实践应用的文章，本文不再贅述。

 

建议：

 

1、流量计价格昂贵，正确安装有严格要求，如其前、后段必须是直管而且应有一定长度，否则测得的流量值误差较大。但流量计现场安装条件较差，不正确的安装将产生误导。为此，冷水机组制造厂可利用冷水流经蒸发器时水流量与水阻力关系，在试验台上以一定精度测得其数值曲线，并开发出带有控制功能的压差△P3（实为阻力）流量计，如图3所示连接在蒸发器进、出冷水管的两端，这种压差流量计价格便宜，现场安装也十分简便，一定会得到空调设计人员和用户的欢迎，使公司产品在招标过程中处于优势地位。

 

2、笔者曾在试验台上对水冷螺杆式冷水机组变负荷、变水量的许多工况进行过一系列试验，在100%～25%负荷条件下改变冷水量试验时，未发现任何不正常现象。同时，机组试验的一些结论数据完全符合制冷循环的基本理论，如机组卸载运行、冷水量相应减少时，由于供水温度要求不变，其蒸发压力和温度、机组的EER值基本不变；但如果随机组卸载而相应减少冷却水量时，其冷凝压力和温度明显上升，机组的EER值下降。显然，一次冷水泵变流量所省之功率为“净收入”，而冷却泵变流量所省之功率为“毛收入”，其中还需给冷水机组一定的补偿，因此，一次冷水泵变流量应作为首选应用，这也是目前讨论和研究最广泛和深入的原因之一。

 

3、具有卸载功能的冷水机组为制冷量和耗冷量的同步递减创造了良好的前提条件，而且试验已经证明机组在变负荷、变水量时能正常运行，问题是在复杂、多变的冷水系统中应用时，如何求得水力工况变化规律以及采取的控制方法。为此，建议空调、自控和机组生产厂三方技术人员共同研究一次冷水泵变流量系统特点，相互沟通，运用各自专业知识的优势，寻求解决目前运行中存在的各种问题，使一次冷水泵变流量的应用得到推广。我国是制冷、空调技术应用大国，也应成为这一技术领域节能的先进国家。

 

上述介绍和建议仅作抛砖引玉之用，供参考。