26.7 变流量空调水系统设计
26.7.1 概述
空调系统的运行费用，主要取决于整个空调系统的能耗，因此不仅需要提高空调设备本身的效率，而且还要优化空调系统的设计。冷水系统是空调系统的主要组成部分，它一般包括冷水机组、冷却塔、冷水循环泵及冷却水循环泵等几个主要的耗能设备。在过去的30年内，冷水机组的效率提高了近一倍，使冷水机组的能耗在冷水系统能耗中所占的比例降低了20%左右，而冷却塔和水泵能耗的比例相对大幅度升高（见图26.7-1）,显然，节约冷却塔和水泵的能耗是当务之急。
1970's 2000's
图26.7-1过去30年内冷水系统能耗百分比的变化
常规的空调系统设计，大都是按照设计工况来配置冷水机组、管网及循环水泵等设备的。
实际上，绝大部分时间空调系统是在40％—80％负荷范围内运行的,为了适应这种情况，冷源侧的冷水机组一般需要通过卸载降低能耗，负荷侧则需要采用变冷水温差或变冷水流量调节来适应空调末端负荷变化的需求（见图26.7-2和图26.7-3）。
图26.7-2三通阀变冷水温差调节示意图 图26.7-3二通阀变冷水流量调节示意图
采用三通阀变冷水温差调节的系统，在空调负荷变化时，负荷側的冷水流量保持不变，所以水泵能耗并不减少；而且三通阀的价格明显高于两通阀，因此目前很少采用三通阀的调节方式。两通阀变冷水流量调节系统，可以额外地节省冷水输送能耗，所以目前普遍采用这种方案。
在负荷侧变流量的前提下，冷水系统可归纳为以下三种形式： 一次泵定流量系统：冷源侧定流量，负荷侧变流量，无变频泵
二次泵变流量系统：冷源侧定流量，负荷侧变流量，负荷侧采用变频泵
一次泵变流量系统：冷源侧变流量，负荷侧变流量，冷源侧与负荷侧采用同一个变频泵
26.7.2 一次泵定流量系统
1. 概述
一次泵定流量系统是国内工程设计中应用较多的一种系统形式。尽管习惯上普遍认为它不属于变流量系统范畴，然而，实质上它是一个简化的二次泵变流量系统，这种系统存在的问题与二次泵变流量系统大致相同。
一次泵定流量系统的特点：是通过蒸发器的冷水流量不变，因此蒸发器不存在发生结冰的危险。当系统中负荷侧冷负荷减少时，通过减小冷水的供、回水温差来适应负荷的变化，所以在绝大部分运行时间内，空调水系统处于大流量、小温差的状态，不利于节约水泵的能耗。图26.7-4是一种典型的一次泵定流量系统的示意图。
图26.7-4一次泵定流量系统
一次泵定流量系统中一台冷水机组配置一台冷水泵，水泵和机组联动控制。加机时先启动对应的冷水泵，再开启冷水机组；减机时，先关闭冷水机组，再关闭对应的冷水泵。
末端冷却盘管的回水管路上，安装有两通调节阀，在末端负荷变化时进行变流量调节。旁通管则起到平衡一次水和二次水系统水量的作用。旁通管上装有压差旁通阀，可根据最不利环路压差变化来调节压差旁通阀开度，从而调节旁通水量，旁通水仅有一个流动方向，即从供水总管流向回水总管。
图26.7-5 先串后并式连接方式 图26.7-6 先并后串式连接方式
根据水泵与冷水机组连接方式的不同，可分为先串后并和先并后串两种形式，见图26.7-5和图26.7-6。先串后并连接方式的特点是水泵与冷水机组启停一一对应，水系统结构简单，但水泵/冷水机组不能互为备用。先并后串连接方式的特点是水泵/冷水机组可互为备用，机房内管路较简单，但需在水泵与冷水机组之间增加截止阀。
2．系统配置和设计要求
一次泵定流量系统的配置和设计要求，如表26.7-1所示。
一 次 泵 定 流 量 系 统 的 配 置 和 设 计 要 求 表26.7-1
项 目 系 统 配 置 和 设 计 要 求 备 注
冷水循环泵
冷水泵应根据整个系统的设计阻力（包括冷水机组、末端、阀门、管路等）及设计流量选择
旁通管与压差旁通阀
旁通管和压差旁通阀的设计流量为最大单台冷水机组的额定流量
冷水机组的加机
以系统供水设定温度Tss 为依据，当供水温度Ts1>Tss ＋
误差死区时，并且这种状态持续10～15min ，另一台冷水机组就会启动
见图26.7-7所示 10％～20％作为误差死区 冷水机组的减机
以旁通管的流量为依据，当旁通管内的冷水从供水总管
流向回水总管，并且流量达到单台冷冻机设计流量的110～120％，如果这种状态持续10～20min ，控制系统会关闭一台冷冻机
见图26.7-8所示 水泵控制 水泵与冷水机组一一对应，联动控制
压差旁通阀控制
负荷侧流量变化时，根据压差变化，调节压差旁通阀的开度，从而调节旁通水量。
一次泵定流量系统的加机和减机原理图分别见图26.7-7和图26.7-8，图中数据仅起示意作用。
图26.7-7 一次泵定流量系统的加机原理
加机
冷水供水温度计时开始 1.4O C 温度死区
延迟时间 10min
供水温度设定 8.6O C
7.2O C
计时重置
Ts1
Tss
26.7.3 二次泵变流量水系统 1．概述
二次泵变流量水系统，是在冷水机组蒸发器侧流量恒定的前提下，把传统的一次泵分解为两级，它包括冷源侧和负荷侧两个水环路，如图26.7-9所示。
二次泵变流量系统的最大特点，在于冷源侧一次泵的流量不变，二次泵则能根据末端负荷的需求调节流量。对于适应负荷变化能力较弱的一些冷水机组产品来说，保证流过蒸发器的流量不变是很重要的，只有这样才能防止蒸发器发生结冰事故，确保冷水机组出水温度稳定。由于二次泵能根据末端负荷需求调节流量，与一次泵定流量系统相比，能节约相当一部分水泵能耗。
图26.7-9 二次泵变流量系统
二次泵变流量系统中一次泵的位置与一次泵定流量系统相同，采用一机对一泵的形式，水泵和机组联动控制。在空调系统末端，冷却盘管回水管路上安装两通调节阀，使二次水系统在
图26.7-8 一次泵定流量系统的减机原理
延迟时间 20min
减机
减机流量 计时开始
计时重置
冷水设计流量
68 l /s
57 l/s
负荷变化时能进行变流量调节。通常，二次泵宜根据系统最不利环路的末端压差变化为依据，通过变频调速来保持设定的压差值。
平衡管起到平衡一次和二次水系统水量的作用。当末端负荷增大时，回水经旁通管流向供水总管；当末端水流量减小时，供水经旁通管流向回水总管。平衡管是水泵扬程的分界线，由于一次泵和二次泵是串联运行，需要根据管道阻力确定各自的扬程，在设计状态下平衡管的阻力为零或尽可能小。
由于某些冷水系统末端空调负荷特性或管路阻力差异较大，因此冷水系统设计又衍生出图26.7-10和图26.7-11所示的两种特殊形式。
图26.7-10 复合型二次泵变流量系统 图26.7-11 一次泵定流量复合二次泵子系统
复合型二次泵变流量系统在不同支路上分别采用变频泵，满足不同支路之间末端空调负荷特性或管路阻力的特点，与普通二次泵变流量系统相比，能进一步节省变频水泵的能耗，但水系统控制更复杂。
一次泵定流量复合二次泵子系统在特殊支路上采用变频泵，满足不同支路之间末端空调负荷特性或管路阻力的特点，与普通一次泵定流量系统相比，能节省变频水泵的能耗，但水系统控制更复杂。
2. 系统配置和设计要求
二次泵变流量水系统的配置和设计要求，如表26.7-2所示。
二 次 泵 变 流 量 水系 统 的 配 置 和 设 计 要 求 表26.7-2 项 目 系 统 配 置 和 设 计 要 求 备 注
冷水循环泵 一次泵的扬程：克服冷水机组蒸发器到平衡管的一次环路的阻力
二次泵的扬程：克服从平衡管到负荷侧的二次环路的阻力
平衡管 平衡管流量一般不超过最大单台冷水机组的额定流量 平衡管管径一般与空调供、回水
总管管径相同，其长度超过2
米，减少水管弯头处喘流现象。
冷水机组的加机 1．以压缩机运行电流为依据：若机组运行电流与额定电流的百分比大于设定值（如90%），并且持续10～15min，则开启另一台机组
2．以空调负荷为依据: 测量负荷侧的流量和供、回水温差，计算空调负荷。若空调负荷大于冷水机组提供的最大负荷，且此状态持续10～15min，则开启另一台冷水机组
冷水机组的减机 1. 旁通管的流量为依据：当旁通管内的冷水从供水总
管流向回水总管，并且流量达到单台冷冻机设计流量
的110～120％，如果这种状态持续10～15min，则关
闭一台冷水机组
2．以空调负荷为依据:测量负荷侧的流量和供、回水
温差，计算空调负荷。若减少某台冷水机组后，剩余
机组提供的最大负荷满足空调负荷要求，且此状态持
续10～15min，则关闭该台冷水机组
见图26.7-8所示
冷水机组的 负荷调节 冷水机组供水设定温度重设：
当机房采用自动控制时，会通过系统供水设定温度
Tss、机组回水温度TR1等计算出该负荷下机组最佳的
出水设定温度，也就是一个新的Tcs
冷水机组的供水设定温度Tcs，
可以人工设定，也可以自动设
定。
水泵变速控制 1．定压差方式控制：压差小于设定值，则提高二次泵
的转速；反之，压差大于设定值，则降低二次泵的转
速
2．变定压差方式控制：根据负荷侧末端两通阀开度，
重新设定控制压差，尽量降低二次泵的转速，以便最
大限度节能
宜取二次泵环路中最不利环路上
代表性的压差信号
26.7.4 一次泵变流量水系统
1. 概述
一次泵变流量系统选择可变流量的冷水机组，使蒸发器侧流量随负荷侧流量的变化而改变，从而最大限度地降低水泵的能耗。与一次泵定流量系统相比，显然把定频水泵改为变频水泵，故水系统设计和运行调节方法不同，控制更复杂，但节能效果更明显。
（1）系统组成
一次泵变流量系统的典型配置如图26.7-12所示。与二次泵变流量系统相比，一次侧配置变频泵，冷水机组配置自动截止阀，冷水机组和水泵的台数不必一一对应，启停可分开控制。旁通管上多了一个控制阀，当负荷侧冷水量小于单台冷水机组的最小允许流量时，旁通阀打开，使冷水机组的最小流量为负荷侧冷水量与旁通管流量之和，最小流量由流量计或压差传感器测得。负荷侧的二次泵取消，系统末端仍然安装两通调节阀。变频水泵的转速一般由最不利环路的末端压差变化来控制。
图 26.7-12 一次泵变流量水系统
（2）对冷水机组及其控制器的要求
对于可变流量的冷水机组，机组的流量变化范围和允许变化率，是两项重要性能指标，机组的流量变化范围越大，越有利于冷水机组的加、减机控制，节能效果越明显；机组的允许流量变化率越大，则冷水机组变流量时出水温度波动越小。先进的冷水机组控制器，不仅具有反馈控制功能（常规功能），还具有前馈控制功能。因此不仅能根据冷水机组出水温度变化调节机组负荷，而且还能根据冷水机组进水温度变化来预测和补偿空调负荷变化对出水温度的影响。采用不同控制器的冷水机组的运行效果比较如图26.7-13、图26.7-14所示。
图26.7-13 无前馈控制和变流量补偿功能,机组出水温度不稳定
2. 系统配置和设计要求
一次泵变流量系统的配置和设计要求，如表26.7-3所示。
一 次 泵 变 流 量系 统 的 配 置 和 设 计 要 求 表26.7-3 项 目 系 统 配 置 和 设 计 要 求 备 注
冷水机组的最大流量：考虑蒸发器最大许可的水压降和水流对蒸发器管束的侵蚀
冷水机组的最小流量：影响到蒸发器换热效果和运行安全性等 流量范围为额定流量的30%-130%为佳，最小流量宜小于额定流量的45%
允许流量变化率：推荐的机组允许流量变化率是至少每分钟25～30％，以确保冷水机组出水温度稳定 允许流量变化率：机组所能承受的每分钟最大流量变化量。一般来说，这个值越大越好。
冷水机组
不同机组蒸发器的压降对流量的影响：在多台机组并联连接的系统中，尽量选择蒸发器在设计流量下，水压降基本相同或接近的机组 在设计流量下，蒸发器的压降不同的机组并联运行时，实际的流量会偏离机组选型时的设计流量。这种情况会增加系统控制的复杂性，导致系统不稳定
冷水循环泵 冷水循环泵应根据整个系统的设计阻力（包括冷水机组、末端、阀门、管路等）及设计流量选择
流量测定
装置 目前常用的流量测定装置有两种：
1.在冷水机组回水干管安装流量计测量流量
2.使用压差传感器测量蒸发器两侧的压降，根据机组
的压差－流量特性得到流过蒸发器的流量
准确的流量测量，是一次泵变流量系统
成功的关键。通常高精度的流量计宜采
用电磁流量计，其校准后的精度可达到
±0.5%，而且校零次数少。
图26.7-14 有前馈控制和变流量补偿功能, 机组出水温度稳定
一次泵变流量系统是目前冷水系统最佳的配置型式，其主要特点如下:
（1） 冷水机组和水泵台数不必一一对应，它们的台数变化和启停可分别独立控制。
（2） 与二次泵变流量系统相比，一次泵变流量系统省去了一次泵（定速水泵），节省了初投资，节省了机房面积。
（3） 能根据末端负荷的变化，调节负荷侧和冷水机组蒸发器侧的流量，从而最大限度地降低变频水泵的能耗
（4） 可以消除一次泵定流量和二次泵系统的“低温差综合症”，使冷水机组高效运行
（5） 能充分利用冷水机组的超额冷量，减少并联的冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。
冷水机组是按照设计工况选择的，当冷却水进水温度低于设计工况时，冷水机组满负荷运行的制冷量通常大于其设计冷量（额定冷量）。由于一次泵变流量系统的冷水机组和水泵台数不是一一对应，因此通过加大冷水机组蒸发器的流量，可充分利用冷水机组的超额冷量，不必开启另一台冷水机组和相应的冷却水泵, 从而减少并联的冷水机组和冷却水泵的全年运行时数和能耗。
26.7.5 “低温差综合症” 1．概述
“低温差综合症”是二次泵变流量系统和一次泵定流量水系统中最常见、也是最容易引起控制失调的问题。它的主要症状是：
（1） 系统的供回水温差小，导致负荷侧流量高于设计值； （2） 冷水机组加、减机失调，机组的运行效率降低；
（3） 系统供水和回水混合，导致供水温度升高、空调末端去湿能力降低，房间的温、湿
度偏高。 例如三台冷水机组并联的水系统，每台冷水机组的额定流量为300m 3
/h，供、回水设定温差为5℃。当末端负荷下降到62.2％时，理论上二台冷水机组运行提供冷量即可。但实际上，由于“低温差综合症”存在，导致负荷侧流量加大，供、回水温差减小。采用二次泵变流量系统或一次泵定流量水系统时，由于冷水机组定流量，不得不使用三台冷水机组，使每台机组在62%左右负荷范围内运行，不仅机组运行效率不高，而且多开一套冷水泵、冷却水泵、冷却塔等，浪费能耗。若采用一次泵变流量系统，由于冷水机组变流量，可使用二台冷水机组，使每台机组在93.3%左右负荷范围内运行，运行效率高，但此时冷水机组流量超过额定流量16.6%见表26.7-4。
“低 温 差 综 合 症” 对 水 系 统 能 耗 的 影 响 表26.7-4
比 较 内 容 理 论 值
二次泵变流量系统或
一次泵定流量系统
一 次 泵 变 流 量 系 统
负荷侧供回水温差 5℃
4℃
4℃
负荷侧流量 560 m 3/h 700
m 3/h 700 m 3/h 冷水机组总流量 600 m 3/h 900 m 3/h 700 m 3/h 冷水机组运行台数 2 3 2 冷水机组运行负荷
93.3% 62% 93.3%
备 注
额定流量：
每台 300m 3/h
定流量，每台300m 3/h 旁通流量200 m 3/h
变流量，每台350m 3/h 超过额定流量16.6% 旁通流量0 m 3/h
二次泵变流量系统也可采用运行2台冷水机组的方案，但会提高水系统的供水温度，造
成空调房间的温湿度偏高。因为2台冷水机组定流量运行，冷源侧提供600m 3/h 冷水，需旁通100m 3/h 负荷侧回水，才能满足700 m 3/h 的负荷侧流量需求。 2．形成“低温差综合症”的原因
（1） 末端设备中换热器的换热能力不足，可能是系统设计不合理，或者是系统长期运行
后换热器传热效果降低，如空气冷却器（盘管）内部结垢，空气过滤器积尘过多。 （2） 控制阀关闭不严，阀座漏水，控制失调。
（3） 温度传感器、控制阀等选型不当，如末端设备的电动控制阀门选择偏大。
3．克服“低温差综合症”的途径
（1） 确保空气冷却器（盘管）具有足够的换热能力，使空气冷却器（盘管）的水温差最大，避免采用大流量小温差的方法获得换热能力。
（2） 系统设计合理，系统负荷计算准确、选择合理的末端设备电动控制阀门。
（3） 在一次泵定流量系统中适当增大一次泵的容量
当冷冻机的进出水温差小于设定值时，会造成系统供冷不足，系统可能需要加机。但此时冷水机组并没有达到其最大制冷量，因此加大一次泵的装机容量，使经过蒸发器的流量增大，以满足末端的冷负荷要求。
（4）在二次泵变流量系统的一次泵上安装变频器或在平衡管上增加止回阀
在一次泵上安装变频器，一次侧水量能根据二次侧水量改变而改变，此时二次泵变流量系统也就成为“一次泵变流量”系统。
在旁通管上增加止回阀，确保二次侧水量不能超过一次侧水量。当出现“低温差综合症”且二次侧水量将超过一次侧水量时，止回阀会使二次泵与一次泵处于串联运行，流经一次泵和冷水机组的流量将会增加，冷水机组的出力增加
26.7.6 变流量水系统比较
针对系统配置、初投资及运行费用等，二次泵变流量系统与一次泵变流量系统的对比见表26.7-5。
一次泵变流量和二次泵变流量的比较表26.7-5
项 目 二 次 泵 变 流 量 系 统 一 次 泵 变 流 量 系 统
一次泵 水泵与机组运行相对应，联动控制
根据一次側水系统压力降，选择水泵扬
程，水泵扬程相对较小
一次泵定流量运行，不节能 水泵与机组的运行相互独立
根据全程压力降选择水泵扬程
最不利末端压差控制
一次泵变流量运行，系统全程节能
二次泵 根据二次侧压力降选择水泵扬程
最不利末端压差控制
二次泵变流量运行，系统部分节能
无
冷水机组 蒸发器流量恒定 蒸发器流量可变
变频装置 仅二次泵配备，功率较小 一次泵配备，功率较大
平衡管/旁通管 最大单台冷水机组的设计流量
无控制阀 最小单台冷水机组的最小流量 有控制阀
流量测量 旁通流量
负荷側回水干管流量 蒸发器压差换算
冷水机组回水干管流量
加减机依据 二次侧供水温度或空调负荷计算 二次侧供水温度或机组运行电流
初投资 大 小，节省一次泵及配套的电机、管线
机房面积 大，需两套水泵 小，一套水泵
运行费用 大 小，比二次泵省6～12％
比一次泵定流量省20～30％
26.7.7 一次泵变流量水系统设计注意事项
1．机组选择
（1） 选择蒸发器许可流量变化范围大，最小流量尽可能低的冷水机组（如离心机30%-130%，螺杆机 40%-120%）
（2） 选择适应冷水流量快速变化的冷水机组
（3） 选择多台冷水机组时，选择蒸发器压降接近的冷水机组
（4） 了解冷水机组控制器的加减载特性
2．旁通管
（1） 选择精度高、调节性能好的控制阀门
（2） 选择精度高的流量计
（3） 尽可能减少控制延迟时间
3．机组群控（加减机）
（1） 加机以系统供水温度为判断依据或以压缩机运行电流为依据：
（2） 减机以压缩机运行电流为依据：
（3） 在加机前先对原运行机组卸载
（4） 机组的隔离阀应缓慢动作，避免加减机时流量瞬间变化太大
（5） 合理的群控方案避免频繁加减机
4．空调水系统配置
（1） 一台机组仍可用一次泵变流量系统
（2） 水泵与机组的运行相互独立，利于机组提供“超额冷量”
（3） 重视对流量瞬间变化的控制
5．负荷侧设备控制
（1） 多台设备的启停时间错开
（2） 阀门缓慢调节冷水流量
26.7.8 含热回收机组的冷水系统设计
由于热回收机组的主要目的是供冷，将冷凝器的散热量回收，用于工艺水、生活水、空调水预热则是次要目的。因此要获得较多的热回收量，必须有充足的冷负荷，通常机组在70~95%的负荷范围内运行。热回收机组一般与多台单冷机组共同使用，确保足够的冷负荷提供给热回收机组。但在舒适性空调系统中，热量需求多时，冷量需求通常会减少，由于热回收机组的供冷量不足，从而减少热回收的供热量。常规的二次泵变流量系统见图26.7-15。若把二次泵变流量系统稍加改进，采用以下二种方案，就可获得最多的热回收量。
1. 优先并联方案
当一台热回收机组设置在平衡管的另一侧，将会充分利用它的制冷能力，因为它的冷水回水温度最高，不受平衡管分流的影响（见图26.7-16）。同时它不会降低其他冷水机组的回水温度。在整个空调供冷季节，通常该机组优先启动，最后停机，以获得最多的冷负荷和最长的运行时间，产生最多的热回收量。若冷水系统的供水温度要求恒定，与常规的二次泵变流量系统相比（如图26.7-15所示），则热回收机组可提供更多的热回收量。
2. 优先旁通方案
当一台热回收机组设置在平衡管的另一侧，并且将该机组的供、回水接在多台单冷机组的回水管上（见图26.7-17），它的冷水回水温度最高，而且不受冷水系统负荷大小的影响。通过设定合适的冷水出水温度，可以使热回收机组满负荷运行，提供最大的热回收量。该热回收机组提供的制冷量可预冷其他单冷机组的回水温度，又可减少其他单冷机组的冷负荷。
由于热回收机组的制冷效率比常规单冷机组低，因此只要调节它的出水温度，满足所需的热回收量即可，让其他单冷机组承担更多的空调系统冷负荷。
3. 三种设计方案的比较
某空调系统采用一台单制冷冷水机组（额定冷量1758kW）和一台热回收冷水机组（额定冷量703kW）提供所需的1934kW冷量和585kW热量，水系统供水温度4.4°C，回水温度13.3°C。采用三种冷水系统设计方案对热回收机组的运行参数的影响见表26.7-6
图26.7-17优先旁通方案
三种冷水系统设计方案对热回收机组的运行参数的影响表26.7-6
比较项目二次泵变流量方案优先并联方案优先旁流方案
单制冷冷水机组冷量(kW) 1382 1231
1347 热回收冷水机组冷量(kW) 552 703
587
热回收冷水机组的冷水供水温度(°C) 4.4 4.4
5.9
热回收量（kW）555 705
585 需补充的热量（kW）30 -120
从表26.7-6中看出：三种冷水系统设计方案中的二台冷水机组共提供1934 kW冷量，恰
好满足制冷需求。但是提供的热回收量不同，与所需的585KW热量相比，二次泵变流量方案
缺少30kW热量需补充, 优先并联方案多余120 kW热量需排放，优先旁流方案恰好满足供热要求。由于优先旁流方案中热回收冷水机组的冷水供水温度比其他二种方案高 1.5°C，故热回收
冷水机组的性能系数COP较高。但是整个系统的供水温度仍为4.4°C，因为热回收冷水机组的供、回水接在多台单冷机组的回水管上，它的冷水回水温度最高，而且不受冷水系统负荷大小
的影响,见图26.7-17。
参考文献
1.Gil Avery, 2001, Improving the Efficiency of Chilled Water Plants, ASHRAE
Journal
2. Mick Schwedler PE, Engineers Newsletter 2002 Volume 31 No4
3. 潘云钢， 高层民用建筑空调设计,北京:中国建筑工业出版社,1999
4．施敏琪, 蒸发器侧冷水系统定流量和变流量的设计探讨，特灵空调资料
5. 吴 刚,一次泵变流量水系统, 特灵空调资料
26章 主笔人: 陆耀庆, 主审人: 寿炜炜陆耀庆
本节(26.7) 写稿人: 贾 晶 110108************