摘要：本文分析了空調(diào)二次泵變水量系統(tǒng)的特點及其負(fù)荷調(diào)節(jié)方法，探討了水泵變速調(diào)節(jié)中系統(tǒng)定壓差控制的相關(guān)問題。結(jié)論指出，二次泵系統(tǒng)通過橋管設(shè)置實現(xiàn)了水力工況隔離，具有較好的水力穩(wěn)定性；水泵調(diào)速采用遠(yuǎn)端定壓差控制時，水泵揚(yáng)程需求與負(fù)荷分布有關(guān)。

  關(guān)鍵詞：二次泵系統(tǒng) 橋管 定壓差控制 負(fù)荷分布

  1、引言

  近年來，隨著中央空調(diào)的大量使用，我國建筑能耗增長迅速。據(jù)統(tǒng)計，1990～2000十年間建筑能耗年均增長5.8％，大大超過同期能源生產(chǎn)2.4％的增長率。在空調(diào)能耗中，系統(tǒng)輸送能耗約占1/3[1]。因此，變流量技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計日益受到重視。

  對于空調(diào)水系統(tǒng)來說，輸送能耗占總能耗的比例隨系統(tǒng)規(guī)模的增大而增加。變水量系統(tǒng)（VWV）通過改變輸送管網(wǎng)內(nèi)的冷水流量滿足用戶負(fù)荷要求，可有效降低系統(tǒng)輸送能耗。

  2、二次泵系統(tǒng)的設(shè)計

  如上所述，用戶負(fù)荷的變化可以通過改變系統(tǒng)冷水流量實現(xiàn)。但是，為保證水力熱力工況穩(wěn)定，冷水機(jī)組所允許的流量波動范圍很小。解決這一矛盾，通常有兩種方法。

當(dāng)負(fù)荷減小時，用戶閥門關(guān)小，分集水器壓差增加，電動調(diào)節(jié)閥開大，部分冷水經(jīng)旁通短路，維持機(jī)組流量不變，用戶負(fù)荷增加時動作相反。

國外設(shè)計中常見的橋管旁通控制方法[2][3]。通過設(shè)置橋管將整個系統(tǒng)分隔為兩個水力工況相對獨立的回路：冷水生產(chǎn)和冷水輸送。各區(qū)均設(shè)有循環(huán)泵負(fù)責(zé)提供本區(qū)循環(huán)動力。當(dāng)冷機(jī)負(fù)荷與用戶負(fù)荷相等時，橋管內(nèi)流量為零；當(dāng)用戶負(fù)荷減少時，橋管內(nèi)流量從供水流向回水。

對于大型的區(qū)域供冷系統(tǒng)，常采用三次泵系統(tǒng)（PST：Primary-Secondary-Tertiary Pumping System）。從系統(tǒng)形式上看，三次泵系統(tǒng)只是擴(kuò)展了橋管應(yīng)用，仍屬于二次泵系統(tǒng)范疇。

三次泵系統(tǒng)將冷水分隔為三個獨立的回路：生產(chǎn)（Production）、輸送（Transmission）和分配（Distribution）。從循環(huán)水泵設(shè)置看，三次泵系統(tǒng)屬于分布式加壓泵系統(tǒng)[5]。一次泵負(fù)責(zé)冷水產(chǎn)生，二次泵負(fù)責(zé)冷水輸送，三次泵負(fù)責(zé)冷水分配。各回路間水力工況相對獨立，各用戶間水力耦合性小，無最不利用戶存在，系統(tǒng)水力穩(wěn)定性較好[6]。

三次泵系統(tǒng)用戶可根據(jù)各自需要配置相應(yīng)的循環(huán)水泵，并通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來匹配負(fù)荷要求，橋管的設(shè)置有效地避免了用戶間調(diào)節(jié)工況的干擾。在理想工況下，一次泵、二次泵的揚(yáng)程之和與一次泵系統(tǒng)水泵揚(yáng)程相等。因此，三次泵系統(tǒng)的水泵能耗不會高于一次泵系統(tǒng)。

  3、二次泵系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)

  二次泵系統(tǒng)是一個變水量系統(tǒng)，通過改變循環(huán)水量實現(xiàn)對用戶的負(fù)荷調(diào)節(jié)。常見的變水量調(diào)節(jié)方法有臺數(shù)調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩種。

  3.1 臺數(shù)調(diào)節(jié)

  傳統(tǒng)一次泵系統(tǒng)的臺數(shù)調(diào)節(jié)較多采用差壓控制，二次泵系統(tǒng)的臺數(shù)調(diào)節(jié)主要采用流量控制，在控制精度較高的場合多采用負(fù)荷控制。

差壓控制是利用水泵并聯(lián)特性曲線，設(shè)定一個供回水壓力的波動范圍，當(dāng)負(fù)荷變化引起管網(wǎng)流量改變時，供回水壓力也隨之波動，當(dāng)超過設(shè)定上限值時增泵；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定下限值時減泵。

流量控制是根據(jù)橋管內(nèi)水流的方向和大小控制水泵及相對應(yīng)冷機(jī)的開停。當(dāng)用戶負(fù)荷下降，二次流量減少時，一次流量過剩，橋管內(nèi)冷水由供水流向回水。當(dāng)流量大于單泵流量110％時，關(guān)閉一臺冷機(jī)及相應(yīng)水泵；當(dāng)用戶負(fù)荷增加，一次流量出現(xiàn)不足，橋管內(nèi)冷水逆向流動。當(dāng)流量大于單泵流量20％時，開啟一臺水泵及相應(yīng)的冷機(jī)。提前開啟冷機(jī)的目的是為避免二次供水溫度出現(xiàn)較大波動。

空調(diào)系統(tǒng)常見末端設(shè)備風(fēng)機(jī)盤管的制冷量與流量的關(guān)系圖[7]。由于末端設(shè)備熱特性具有非線性特點[8]～[10]，當(dāng)流量需求減至一臺水泵時，并非意味著用戶負(fù)荷也減至一臺冷機(jī)容量。因此，在控制要求較高的場合應(yīng)采用負(fù)荷控制。負(fù)荷控制是通過檢測一次側(cè)供回水管上的溫差和流量計算得到需冷量，當(dāng)需冷量降至相當(dāng)于一臺冷機(jī)的容量時停一臺水泵及相應(yīng)的冷機(jī)。較之流量控制，負(fù)荷控制可有效解決水力、熱力工況不協(xié)調(diào)的問題[1]。

  3.2 變速調(diào)節(jié)

  二次泵揚(yáng)程克服的阻力包括管網(wǎng)、盤管、平衡閥及控制閥等。在定速變水量系統(tǒng)中，當(dāng)流量減少時，管網(wǎng)、盤管及平衡閥的壓力降也減少，但循環(huán)泵揚(yáng)程不僅沒有降低，反而還有所增加，二者之間的差值就必須由控制閥（二通閥）來負(fù)擔(dān)。因此，定速變水量系統(tǒng)的節(jié)能效果并不明顯。在極低負(fù)荷時，控制閥會因壓差過大失控，使過量冷水通過盤管。

采用水泵變速調(diào)節(jié)可以克服上述弊端。當(dāng)負(fù)荷減少時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使揚(yáng)程和流量減少，可以獲得明顯的節(jié)能效果�？紤]變頻器效率和電機(jī)散熱等因素，變速調(diào)節(jié)應(yīng)有一個最低轉(zhuǎn)速限制（一般為額定轉(zhuǎn)速的30％）。當(dāng)負(fù)荷變化范圍較大時，常采用多泵并聯(lián)變速調(diào)節(jié)實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

幾種不同運(yùn)行方式下的泵功率隨負(fù)荷變化的曲線。定水量系統(tǒng)水泵運(yùn)行工況點不變，泵功率不變；單泵定速系統(tǒng)僅靠二通閥的節(jié)流調(diào)節(jié)，水泵功率變化不大；多泵變速系統(tǒng)在低負(fù)荷時仍能保持較大的節(jié)能潛力。

  4、水泵變速調(diào)節(jié)的控制曲線

  根據(jù)相似定律，相似工況點處水泵功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。在忽略靜揚(yáng)程時，系統(tǒng)曲線上的點為相似工況點，滿足相似定律。在變速變水量系統(tǒng)中，水泵變速調(diào)節(jié)常采用恒壓差控制，控制曲線與系統(tǒng)曲線不重合。因此，水泵功率與轉(zhuǎn)速也不滿足三次方定律。

水泵變速調(diào)節(jié)恒定壓差控制時各曲線間的關(guān)系。水泵揚(yáng)程由恒定壓差和可變壓差兩部分組成：恒定壓差即壓差傳感器控制回路，由盤管、平衡閥和控制閥組成，其值不隨流量變化改變；可變壓差為輸配管網(wǎng)壓降，與管網(wǎng)流量平方成正比。由管網(wǎng)曲線向上平移一個恒定壓差即得控制曲線。由圖可以看出，恒定壓差越小，系統(tǒng)的節(jié)能效果就越好。

需指出的是，控制曲線是假設(shè)用戶負(fù)荷比例變化條件下得到的一條平均曲線。例如，當(dāng)系統(tǒng)流量減少50％時，系統(tǒng)內(nèi)各用戶流量需求均為50％ 。在實際中，用戶負(fù)荷是按各自需求確定的，各用戶流量變化也很少能夠保持一致。

計算系統(tǒng)在不同負(fù)荷分布不同控制方式下所需的水泵揚(yáng)程。為簡化分析，計算中假設(shè)用戶設(shè)計負(fù)荷相等，且用流量代替用戶負(fù)荷變化。

不同負(fù)荷分布不同控制方式下水泵所需的揚(yáng)程（單位：kPa） 表1

                       用戶6處定壓差
流量                                                    用戶1處定壓差
         負(fù)荷集中于近端   負(fù)荷集中于遠(yuǎn)端   比例負(fù)荷
0 m3/h      48.00            48.00           48.00        84.00
45 m3/h     48.67            58.57           49.65        84.66
90 m3/h     50.91            71.67           54.66        86.67
135 m3/h    55.34            83.55           63.00        90.00
180 m3/h    63.67            92.52           74.67        94.68
225 m3/h    78.71           100.68           89.67        100.97
270 m3/h    108.00          108.00           108.00       108.00

OP為水泵曲線；OQ為系統(tǒng)曲線；OAN為遠(yuǎn)端定壓差、負(fù)荷集中于近端的控制曲線；OCN為遠(yuǎn)端定壓差、負(fù)荷集中于遠(yuǎn)端的控制曲線；OBN為比例負(fù)荷變化時的控制曲線；由曲線OANCO組成的封閉區(qū)域即為遠(yuǎn)端定壓差控制時系統(tǒng)工況點的變化范圍；ODM為近端定壓差控制曲線。

  通過上述分析計算，可以得出以下結(jié)論：

① 系統(tǒng)近端定壓差時，水泵揚(yáng)程需求僅取決于負(fù)荷大小而與負(fù)荷分布無關(guān)；遠(yuǎn)端定壓差時，水泵揚(yáng)程需求不僅與負(fù)荷大小有關(guān)，還與負(fù)荷分布有關(guān)。

② 除用戶全開或全關(guān)兩種工況外，遠(yuǎn)端定壓差時系統(tǒng)揚(yáng)程需求較近端時小，系統(tǒng)運(yùn)行較為節(jié)能。這是因為遠(yuǎn)端定壓差時，系統(tǒng)具有最大的可變揚(yáng)程。

③ 系統(tǒng)遠(yuǎn)端定壓差時，用戶負(fù)荷集中于近端時系統(tǒng)揚(yáng)程需求較比例負(fù)荷時小，負(fù)荷集中于遠(yuǎn)端時系統(tǒng)揚(yáng)程需求較比例負(fù)荷時大。這是因為遠(yuǎn)端負(fù)荷需要的輸送能耗大。

    5、結(jié)論

  在空調(diào)變水量系統(tǒng)設(shè)計中，國內(nèi)常采用分集水器壓差旁通控制的一次泵系統(tǒng)，國外常采用帶橋管的二次泵系統(tǒng)。本文對二次泵系統(tǒng)形式、負(fù)荷調(diào)節(jié)及壓差控制策略進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論：

二次泵系統(tǒng)通過設(shè)置橋管，不僅有效地解決了冷機(jī)定流量負(fù)荷變流量的矛盾，而且實現(xiàn)了系統(tǒng)各部分水力工況隔離，同時具有分布式水泵水力穩(wěn)定性好的特點；

當(dāng)供冷系統(tǒng)容量較大且負(fù)荷變化范圍較寬時，采用多泵并聯(lián)變速運(yùn)行可有效降低運(yùn)行能耗，在低負(fù)荷時系統(tǒng)仍能保持較高的效率。

水泵調(diào)速采用遠(yuǎn)端恒定壓差控制時，系統(tǒng)具有最大的可變揚(yáng)程，運(yùn)行能耗較近端壓差控制要小。遠(yuǎn)端壓差控制的揚(yáng)程需求不僅與負(fù)荷大小有關(guān)，還與負(fù)荷分布有關(guān)。

  參考文獻(xiàn)

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  作者簡介

  李建興，男，1972年生，漢族，山西原平人，天津大學(xué)講師，工學(xué)博士，參與編寫著作一部，已發(fā)表論文十余篇，現(xiàn)從事建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。通訊地址：天津市南開區(qū)衛(wèi)津路92號 天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 300072