二次泵变水量空调冷冻水系统概述.doc

二次泵变水量空调冷冻水系统概述本课题的主要研究对象是上海某大厦的空调冷冻水系统，如图2.1所示。空调冷冻水系统是指由以中央设备供应的冷冻水为介质并送至末端空气处理设备的水路系统。供水回水空调机空调机空调机图2.2a 同程系统供水回水空调机空调机空调机图2.2b 异程系统图2.2 同程与异程图2.1 大厦变水量冷冻水系统空调机组风机盘管机T1FT2V2ABPV1风机盘管机空调机组空调机组2.1 空调冷冻水系统的形式根据水压特性要求，空调冷冻水系统必须是闭式水系统，它主要有两种划分方式15：一各末端设备的水流程划分，可分为同程式系统和异程式系统。同程系统（图2.2a）中，水流通过各末端设备时的路程都相同（或基本相等），它的优点是各末端环路的水流阻力较接近，有利于水力平衡，可以减少系统初调试的工作量。同程系统很少用于高层建筑中，对层次较低的建筑而言比较经济。异程系统（图2.2b）中，水流经每个末端的流程不相同，通常越远离冷源机房的末端，环路阻力越大。采用异程系统的主要优点是节省管道及其占用空间（一般来说它与同程系统相比可节省一条回水总管），对初投资较为有利。异程系统对于现今采用节能的变水量系统的建筑而言是一种比较经济的管道布置方式。图2.1所示的大厦系统就是异程系统。二按水量特性划分，可分为定水量系统和变水量系统。（一）定水量系统（图2.3）中，没有任何自动控制水量的措施，系统水量的变化基本上由水泵的运行台数所决定。因此，通常通过各末端的水量是一个定值，或随水泵运行台数呈阶梯型变化，而不能进行无级控制。它的缺点就是，当末端负荷减少时，无法控制温、湿度参数，造成区域过冷或过热。由于多数工程在末端设置三通自动调节阀（图2.4）以解决末端控制问题，所以定水量系统又称带有三通阀的系统5。供水回水空调机图2.4三通阀的采用供水回水空调机空调机图2.3定水量系统冷水机组冷水机组定水量系统管道简单，控制方便或不需控制，但由于其能源浪费严重，现在已用的越来越少。且从初投资方面来看，表面上这种系统构造简单，而实际上因管路中要用到太多的三通阀，其费用会比一个同等规模的采用变速二次泵的变水量系统的花费还高。所以，目前只有一些使用标准较低的民用建筑和间歇使用的建筑（如体育馆、展览馆、影剧院等）还在采用。（二）从广义上讲，变水量系统包含变冷水量系统和变冷却水量系统，它们是两个相对独立的系统。这两个系统在水力上相互独立，但热力上却紧密相关、不可分割。空调冷水循环系统把室内的热量带入制冷机工质中，然后冷却水系统将其从制冷机工质排入大气。因此本课题中所提到的变水量系统均指变流量冷水系统，而非变流量冷却水系统。1变水量系统的基本原理 变水量系统运行的基本原理可用热力学第一定律表述为16： （2.1）式中：Q系统冷负荷；W冷水流量；C冷水定压比热；t冷水系统送回水温差。热力学第一定律表明，在冷水系统中，通过调整冷水流量或冷水系统送回水温差可以适应实际冷负荷大小的改变。在冷水系统盘管或负荷末端，进行冷水系统设计时，Q，W，t已经确定，Q为系统设计工况下的冷负荷，t为按规范确定的温差，一般取5，因此冷水量也被确定，系统按这些值设计选择设备。当系统设计完成并投入运行后，Q成了独立参数，它与室外的气象条件和室内散热量等诸多因素相关。当系统冷负荷Q变化时，为保证式2.1的平衡，由热力学第一定律，系统也必须相应改变冷水流量W或温差t的大小。例如，当冷负荷在某一时刻为设计值的50，并且冷水供水温度不变，那么对于冷水系统来说可能会产生三种情况：（1） 流量减为设计流量的50；（2） t减小；（3） 两者同时变化。如果改变供回水温差t，而保持流量W不变，则形成定流量系统。如果保持冷水供回水温差t不变，改变冷水流量W则形成变水量系统。理想的变水量系统，其送回水温差保持不变，而使冷水流量与负荷成线性关系。因此所谓变水量系统，实质上是指负荷侧（有时也称用户侧）在运行过程中，水量不断改变的水系统。 2变水量系统的分类按水泵布置方式不同，变水量系统主要可分为以下几种5： （1） 定速水泵阶梯式变流量系统（2） 一次泵变水量系统17（3） 二次泵变水量系统（4） 三级泵变水量系统其中，二次泵变水量系统是目前应用最广泛的一种变水量系统，尤其是在一些大型高层民用建筑和多功能建筑群中。图2.1所示的大厦冷冻水系统就是二次泵变水量系统的一种常见结构。在这一系统的机房侧管路中，由旁通平衡管AB将水泵分为两级，即初级泵和次级泵。初级泵克服平衡管AB以下的水路水流阻力（即冷水机组、初级水泵及其支路附件的阻力），次级泵克服AB平衡管以上的环路阻力（包括用户侧水阻力）。可见，平衡管AB将整个水系统分为循环冷水制备和循环水输送两部分，同时将系统的阻力和能耗也分成两部分。该系统的特点是冷水制备与冷水输送之间的相互干涉减少。在冷水制备方面，人们可以将通过冷水机组的流量设为固定的，而其它系统还需考虑冷水的输送问题，容易顾此失彼。当然，该系统也有它的不足之处。由于平衡管AB对运行过程中所起的作用是平衡次级泵侧和初级泵侧的水量差值。当初级泵侧的供水量大于次级泵侧的需水量时（这是绝大多数情况，即低负荷状态），AB管内有一部分未被利用的冷水从A点流向B点，与回水混合后流回蒸发器，这将导致冷水机组工作效率的下降。反之，当初级泵侧的供水量小于次级泵侧的需水量时，有一部分回水从B点流向A点与供水混合，提高了供水温度，这又会引起空调末端装置工作效率的降低。由于空调冷水机组不适合作变流量运行，所以二次泵变水量系统的初级泵一般只用定速泵。因此，该类系统按次级泵的不同配置又可分为三种形式：a. 定速泵加压差旁通阀的方式；b. 全变速泵方式；c. 定变速泵联合运行方式。由图2.1可见，本课题中的大厦系统属于第a类系统，这也是一种典型的二次泵变水量空调冷冻水系统。2.2 二次泵变水量系统中几个重要的设备装置变水量冷冻水系统的成功运行与几个关键设备密切相关，如水泵、调节阀、传感器、控制器及变频调速器等。有关水泵此处仅先简单介绍，详细内容将在后面章节中加以阐述。 一水泵18（一）水泵的性能曲线空调水系统中的水泵大多为离心式水泵，它的基本特性通常可用三种曲线表示：1 HW曲线：当转速n为恒定时，表示压力与流量之间的关系特性。2W曲线：当转速n为恒定时，表示效率与流量之间的关系特性。3NW曲线：当转速n为恒定时，表示轴功率与流量之间的关系特性。其中最常用的是HW曲线和W曲线，如图2.5所示：H表示扬程，常用单位有：m水柱；W表示流量，常用单位有：m3/h；水的重度（9807N/m3）。如图2.5当水泵运行在A点（HA，WA）时，水泵所需轴功率为： （2.2）即图中阴影部分A HA O WA的面积。水泵所配电机的功率（容量）为， （2.3）式中效率；p水泵本身的效率；c传动机构的效率，直接传动时为1.0，皮带传动时为0.90.95，齿轮传动时为0.90.97。实际应用中，水泵的原动机的功率公式为： （2.4）式中 配电机的富裕量，见表2.1HWWOAHAWA图2.5水泵性能曲线HW 表2.1 水泵配电机富裕量表 电机额定功率（KW）05.525%20%7.52216%305513%759010%905%10%（二）常用术语（1） 泵工作点：水泵在某运行工况下的流量与扬程确定的点。将管路特性曲线与水泵HW曲线画在同一坐标系内，两者的交点即为水泵工作点。（2） 水泵过载：指水泵在HW曲线的极右边运行时的水泵状态，这时运行效率极低。二调节阀19（一）调节阀的分类目前，变水量冷冻水系统中常用的阀均为电动控制，根据构造和外型主要分为三种：a） 直通两座阀（简称两通阀），适用于对关闭要求较严密及压差较小的场合，如普通的空调机组、风机盘管、热交换器等的控制。b） 直通双座阀（又称压力平衡阀），适用于控制压差较大，但对关闭严密性要求相对较低的场合，典型的应用如空调冷冻水供回水管上的压差控制阀。c）蝶阀，体积小、重量轻、安装方便，通常用于压差较大、调节性要求不高的场所。（2）调节阀的应用在二次泵变水量空调冷冻水系统中，多采用两通阀调节流量。当两通调节阀前后压差恒定时，其理想可调比R（调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比R=Wmax/Wmin）的值在30左右，即其所能控制的最小流量应是全开流量的1/30。但在实际的空调系统中，只有冷冻水供、回水总管间的压差旁通阀的使用条件与理想条件基本相符。而对于负荷侧的表冷器、热交换器等，当这些水阻力元件与阀相连时，由于受工作流量特性的影响、最大开度和最小开度的限制、选用调节阀口径时的圆整和放大，阀的实际可调比Rs比理想可调比下降，一般只能达到Rs10左右，它的计算公式为： （2.5）式中Pv阀权度，即调节阀全开时阀上压差与串联管路总压差的比值二通阀与风机盘管串联时，阀权度Pv一般在0.5左右。如R=10，代入上式，实际可调比Rs在7左右。也就是说，实际可调最小流量约为最大流量的15.三传感器传感器在冷冻水泵的控制系统中起着非常重要的作用，它传递水泵的各种实际运行数据。变水量空调系统中的传感器主要有流量计、压力和压差传感器、温度和温差传感器以及功率传感器等。四控制器15控制器在变水量系统的自控系统中的地位相当于人的大脑，可以说是最关键的部分之一，控制器的性能将直接影响整个自控环节的性能。控制器从简单的开关到复杂的带有或不带有操作界面的程序逻辑控制器，种类繁多。主要可分为以下几种：（1）位式控制器，（2）比例式控制器（P控制器），（3）比例积分式控制器（PI控制器），（4）比例积分微分式控制器（PID控制器）。其中有采用电动控制的手动开关，有起着单一作用的或是对整个水系统都有着控制作用的PI或PID数字控制器。泵控制器的选择，视控制泵速改变所需的反应时间而定。实际经验表明，虽然HVAC系统负荷变化并不快，但传感器上压力的连续波动却会使速度不断改变，所以系统需要快速的泵速调节功能，尤其在利用压力或压差传感器的控制系统中。目前，在HVAC系统中常用的一种控制方法是PID（proportional-integral-derivative）数字控制法。如今，标准商业PID芯片的反应时间已经可以做到10到500ms之间，对HVAC变速泵系统而言，500ms已经是一个足够的反应时间。不过，以上也都是对速度不持续改变的泵来讲，如果实际中泵的速度持续变化，那么无论什么样的控制器都无法有效控制。五变速驱动器19变速驱动器（VFD）是变水量系统中水泵实现变速调节的重要部件。它主要分为以下几种：（1）根据整流和平滑部输出的直流电源是电压型（电压稳定不发生突变）还是电流型（电流稳定不发生突变）分为电压型和电流型。（2）根据输出电压的调节方法分为两种：一种是PAM方式（pulse amplite modulate脉冲幅值调制），一种是PWM方式（pulse width modulate脉冲宽度比例调制）。（3）按控制方法分为：a）V/f控制（在改变变频器输出频率的同时也改变输出电压，以使V/f按照一定规律改变）；b）转差率补偿控制方式；c）矢量控制方式。（4）按主电路器件分为：a)SCR普通可控硅型；b）GTO可关断可控硅；c）BJT双极性晶体管；d）IGBT绝缘栅双极性晶体管。（5）按变频输出部分叠加数量分类：a）单重输出；b）多重输出。2.3 二次泵变水量系统特性的综合描述一个理想的空调冷冻水系统它应该具备如下的特点20：（1） 当负荷变化时，送回水的温度恒定；（2） 各项设备的电耗，限制到最小程度；（3） 制冷机组的电耗随着负荷的降低而下降；（4） 输送冷冻水系统的电耗随着负荷的降低而下降；（5） 系统简单，造价不宜过高；二次泵变水量系统正是为了顺应以上要求，使冷水所载的冷量与不断变