设计参考空调变流量水系统设计技术发展(之二)中南建筑设计院 高养田☆摘要 介绍了空调变流量水系统近年来的技术发展及讨论中的不同意见,主要包括:一次泵一体化控制系统取代传统二次泵系统的有关问题;定速泵与变速泵并联使用问题;阀门选用与系统试运行问题。
关键词 一次泵 二次泵 一体化控制 去耦管 设计 试运行Development of the variable flow water systemin air conditioning (2)B y Gao Yan gti an ★Abst r a ct Presents t he technology develop me nt of t he variable flow water syste m in rece nt years and t he p ros and cons over t he system design ,including t he related p roble ms up on t he substitution of integrated cont rol p rimary water syste m f or t raditional secondary water syste m ,t he p arallel connection of consta nt a nd variable sp eed p umps ,valve selection a nd t rial commissioning of t he syste m.Keywor ds p rimary p ump ,secondary p ump ,integrated cont rol ,decoupler ,design ,t rial commissioning ★Central 2South Architectural Design Institute ,Wuhan ,China 1996年,笔者曾发表了《空调变流量水系统设计技术发展》一文[122]。
瞬间已过十余年,随着科学技术的进步、大量工程的实践,从系统形式到具体的控制技术,都有了很大的发展。
现就个人认识和接触到的资料,从设计角度对其发展历程进行简述,以供参考。
1 变流量水系统的发展空调水系统设计的发展主要基于两个方面:一是机组性能的改进;二是控制技术的进步、DDC 控制的普及、网络基控制的运用。
1.1 二次泵系统的产生20世纪初,变流量二次泵系统出现于美国①,并在接下来的几十年内对空调设备及水系统投入了大量的研究与实践②③[3211]。
①A need for variable flow chilled water systems.Traneengineer πs newsletter②IT T Bulletin No.TEH 2775.Primary secondary pumpingapplication manual ,1968③IT T Bulletin No.TEH 2685.Variable speed/variable volume pumping fundamentals ,1985在对电动两通阀、阀门静态特性(快开、直线、等百分比)及阀门工作特性与表冷器热出力之间关系的研究基础上,二次泵系统应运而生。
1.2 系统的基本形式1)传统的二次泵系统如图1所示,根据当时的机械及控制技术水图1 传统的二次泵系统①☆高养田,男,1934年10月生,大学,高级工程师430071武汉市武昌区中南二路10号中南建筑设计院(027)87841939收稿日期:2007209205平,一次环路(冷水机组部分回路)保持定流量,二次环路(负荷部分分配回路)保持变流量,这种系统形式因其在运行中的可靠性和灵活性,受到了当时设计人员及管理人员的欢迎,得以大量推广。
后来,在二次环路中,由变速泵代替了定速泵,定速与变速泵的性能比较见图2[12],在设计中一、二次环路的连接见图3[12]。
① 湖北工业建筑设计院.技术交流专题资料 超高层建筑空气调节竖向水系统设计方案选择,19872)分布式二次泵与三次泵系统分布式二次泵系统如图4所示[13],其主要针对离所设集中制冷站距离远近不等的区域性建筑群,能更好地保证系统运行安全、可靠和节能,便于管理。
系统分配泵可消除许多能量消耗点,如跨越图4 分布式冷水二次泵系统管(cro ssover brige )、三通控制阀和回水温度控制阀等。
分布式系统的最大优点是:各栋建筑物分别设泵,消除了远近建筑物压力不足或过高的现象;建筑物之间没有干扰,水泵若是变速运行,在建筑物负荷改变,供回水阻力相应变化时,各栋建筑物也可独立运行;可省掉平衡阀。
分布式三次泵系统如图5所示。
该系统与分配泵不同之处是:一、二次泵均设于制冷站内,因制冷站外管线较长,系统压力不敷应用时,由变速二次泵负担各分配主干管回路压头,这类系统各负荷点可根据需要压力设置三次泵,实现分散与集中管理相结合。
图5 分布式三次泵系统以上两种分布式系统中,因各负荷点分散,场地标高及建筑物高程可能各异,此时,系统和设备承压应予特别注意,所以在水系统设计之前,有必要做出系统的压力梯度图。
1.3 多次泵系统的运用1)负荷类型不同(如运行时间、朝向、工作要求不同等)的多环路系统,如图6所示[14]。
图6 不同性质负荷的二次回路系统2)有高静压的超高层建筑系统如图7所示①。
因超高层建筑空调水系统最低点所承受的压力是:系统水柱静压+水泵全压。
为减小静压,系统中间设换热器。
另外,二次泵由于降低了水泵压头,有利于降低底层系统及设备的承压,因去耦管的存在,二次泵压头就不是叠加的关系了。
①Open for discussion primary 2secondary pumping.HPAC ,1997(3)现实工程中,有个别负荷点(或扩建工程的新增系统)需要较高压力,可在二次泵的基础上仅设置增压泵,以减少投资,节约能源。
1.4 问题的提出与讨论随着对控制技术与空调系统的深入研究,上世纪80～90年代,有学者对二次泵系统提出质疑和改进意见,并引起了热烈讨论[16]。
1)二次泵系统的弊端①传统的二次泵系统易患低温差综合症。
众所周知,空调系统大部分时间在部分负荷下运行,供需如何匹配成为空调系统运行的焦点。
部分负荷下,系统常常达不到最高效率,供需流量不相等,冷水机组制冷能力不能实时调整,冷水系统常处于小温差下运行,严重浪费输送能耗。
②二次泵系统使用盘管控制阀和定压差控制流量的方法,浪费能量。
在回路上设置一个或多个压差传感器以保证水泵能提供各盘管所需压头。
如果所有盘管低于设计负荷运行,管路的压力损失将以水流量减小速率的平方下降,经过盘管的压降也类似地降低。
但是,因为回路采用定压降控制,通过阀门的压降不能随着流量的减少而降低,这样就无法节约水泵的输送能耗。
③增加了初投资。
由于增设了二次泵,相应增添了辅助设备及附件,且多占用建筑面积。
2)不同意见①空调系统的运行工况是经常变化的,系统的水力不平衡是绝对的,且系统大部分时间在部分负荷下运行。
传统的二次泵系统为了尽量保持系统的动态平衡,使用过各种控制方法,然而二次冷水供需匹配仍然是近似的,有的误差相当大。
所谓“低温差综合症”问题是否是这种系统的固有弊端呢?具体地说,是否是去耦旁通的原因呢?根据调查结果,综合原因如下。
设计方面原因:系统总是按最大负荷选用,而系统又是长时间运行在部分负荷下,应采用同时使用系数,以期达到中央系统的有效设计和控制,然而常常出现不良的控制设计,如过大的执行机构和阀门,或冷水机组的增减控制不当等;运行维护方面原因:如制冷盘管脏污了,水风两侧传热不平衡,风机运行不正常,使用房间负荷有变化,或房间温度设定不恰当等。
2 一次泵一体化控制(integrated control )1996年托马斯.B.哈特曼在《冷水机组利用变流量冷冻水的若干设计问题》[17]一文中对一次泵一体化控制的逻辑路线,即如何保证机组和系统安全运行及其控制策略问题、系统的旁通去耦管问题等进行了讨论,总结如下。
2.1 一次泵系统一体化控制策略的提出1)一体化控制策略对冷水机组负荷、冷水温度、制冷温度进行检测,充分发挥DDC 技术的计算、分析、比较和判断的能力。
利用其优良的控制程序对二次环路整体化的冷水制冷盘管温度进行有效控制,随着负荷的变化,调整冷水温度及二次泵转速,而不用压差控制保证负荷的需求,以达到减小流量和泵耗的最佳状态,使整体动力系统具有自平衡协调的能力。
一体化控制的控制阀可以按较小的压降来选择,这意味着所采用的机械部件总费用有所降低或者持平。
应注意到,提高冷水温度,也提高了制冷装置的效率,水温每升高1℃,机组约节能010102kW/kW (0.036kW/rt )。
一体化控制可使设备小型化、简单化,减少系统费用,同非一体化的设计控制方案相比,冷水机组设备总运行效率提高了,整个系统的能量费用降低了。
由于控制精度优于传统的控制方法,高峰负荷时利用冷水机组的全部容量就有了较大的灵活性。
2)一次泵变流量系统(variable primary flow system ,V PF )最初提出的系统形式如图9所示,即将冷水机组的一次泵由定流量改为变流量,取消二次泵和图9 单泵冷水回路旁通管。
但是这种做法的难点仍然是蒸发器流速过小,传热能力下降,产生结冰和管壁腐蚀问题。
用一体化控制对蒸发器内水流速度、水温进行连续检测,依据负荷变化,保证冷水机组和经过各负荷点所需的流量,确保安全运行的具体措施是:制冷需求量要在最小临界负荷以上,否则系统不能运行;经过蒸发器的水流量一定不小于所有状态下制冷剂和冷水之间预先确定的最大温差所需的流量。
只要对冷水机组、水泵和调节阀门进行一体化控制,以及具有操纵这些元件能力的高品质算法,对负荷提供连续计算负荷需求的运行程序,以上两点要求是可以达到的。
单环路系统因没有旁通管,冷水回水全部进入冷水机组,变速泵的流量可以按照比设计负荷稍微大一点的值来选择,这样可以保证最大负荷与设计负荷不完全相符时,仍然可以利用冷水机组的全部容量。
3)DDC 控制费用现代化的高性能控制是充分准确考虑控制点的要求,使用多种功能的独立元件,一体化微处理控制单元的费用一般比非一体化电子控制要低,因一体化控制比传统的控制方法所用仪表要少,且不同厂家部件之间现已可以实现通讯连接,所以DDC 智能化控制系统得以迅速普及。
二次泵系统二次回路的传统控制常需要一个或多个差压信号,一个控制器操纵不同频率,按设定的速度启动水泵,还需要控制点去操纵冷水机组和每一个阀门。
如果冷水机组和空气处理器采用微处理器控制的整体单元,其增加的唯一费用是这个设备一体化操作的容量,因为系统使用现有的检测和控制仪表,所以DDC 配置就较简单。
