一级泵变流量系统控制方法研究

魏锁鹏 陆朴荣 张丽蓉

摘 要：建筑的供暖、通风与空调系统中，合理设计并高效运行是解决空调耗能的关键。在中央空调一次泵变流量水系统实际的运行过程中，水泵往往不能按照设计要求进行变频，因而达不到理想的节能效果。文章通过研究一级泵变流量系统部分负荷下管网特性与阻力系数的变化，采用定性分析法，分析自然温降法、温差控制法、压差控制法、最小阻力法这4种控制方法的原理、特点、局限性及适用范围，以期指导选择出在水泵运行过程中合理的控制方法，从而实现空调水系统的节能运行。

关键词：一级泵；变流量；控制；节能；低碳

中图分类号：TU831 文献标志码：A

作者简介：魏锁鹏（1978-），男，大学本科，高级工程师，注册设备工程师（暖通空调），主要研究方向：供热通风与空调工程设计、审核等。

0 引言

公共建筑的全年能耗中，供暖空调系统的能耗约占10%～50%[1]，国家标准《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的实施，大力推动了节能建筑的建设与发展。近零能耗建筑设计技术路线强调通过建筑自身的被动式、主动式设计，大幅度降低建筑供热供冷的能耗需求，使能耗控制目标绝对值降低[2]。在主动式设计中，空调变流量水系统设计和运行是空调节能的关键。

空调变流量冷冻水系统分为一级泵压差旁通变流量系统、一级泵变频变流量系统和二级泵变流量系统[3]。一级泵系统冷水机组变流量运行时，空调水系统的控制要求是供、回水总管之间的旁通调节阀可采用流量、温差或压差控制，水泵的台数和变速控制宜根据系统压差变化控制[4]。文章对一级泵压差旁通变流量系统及一级泵变频变流量系统，以冷源侧阻力数不做调整（即不做加减机、不调整支路阀门）为例，探讨部分负荷下各系统的阻力变化，以及各控制方法的特点。

1 一级泵变流量部分负荷系统特性

1.1 管网与水泵特性

一级泵压差旁通变流量系统原理图见图1。该系统要求流过蒸发器的冷冻水流量不变，因此冷冻水泵無法变速调节，系统在末端调节流量引起的盈亏通过设置旁通来补偿，通过在供回水干管间设置由压差控制的旁通回路（旁通管及压差电动阀）实现部分负荷下地分流。该系统的负荷侧与压差旁通一起构成调节系统，在部分负荷时调节系统的总压差不变，总流量不变，因此总阻力数也不变，旁通回路的作用为补偿因用户负荷减小导致的用户侧阻力数减小而维持用户侧总阻力数不变。该系统调节前后的水泵工作点不变，水泵流量、扬程均不变。一级泵压差旁通变流量系统在部分负荷下时管网特性曲线A由于有旁通回路补偿而不发生变化，水泵因冷源侧未调整曲线仍为1，此时系统工作点仍为O 1 ，如图2所示，系统不具有节能性，仅满足末端调整需要。

在一级泵变频变流量系统中，当用户侧冷负荷需求降低时，通过变频器改变冷水泵的转速，减少冷水流量供应，从而使得冷水泵的运行能耗降低。就目前的产品而言，冷水机组内部允许的流量变化仍有一定范围，因此冷水泵的最低运行转速（和变频器的输出最小频率）被限制。

当用户侧冷负荷需求流量小于冷机允许最小流量时，如果用户需求进一步下降，为了保证冷水机组的安全运行，整个系统只能按照“一级泵压差旁通变流量系统”来运行。因此，受到最小流量限制，压差旁通阀控制仍然是必须要设置的自控环节，见图3。

当用户侧冷负荷需求流量大于冷机允许最小流量时，随用户负荷下降，关小末端阀门，干管压差增加，调整水泵转速使干管压差达到设定值。虽然调整后控制点压差不变，但控制点至末端干管的压力损失减小，末端支路的压差增加，末端调节阀的开度减小，负荷侧阻力数增加，由于没有旁通回路来补偿，整个管网的阻力数增加。系统在部分负荷下，当负荷需求流量大于冷源允许最低流量时与冷机定管网特性曲线为曲线B，水泵调速后曲线为2，系统工作点为O 2 ，如图4。总流量减小，冷源侧的压力损失减小，水泵扬程也下降。

1.2 表冷器静特性

表冷器部分负荷时的相对换热量与对应的相对流量的关系曲线称为表冷器的静特性。对于以水为一次侧介质的换热器，无论二次侧是水还是空气，其静特性都是非线性的，表冷器的静特性曲线呈现快开特性。在部分负荷条件下，当流量减小时，相对流量减小的速度大于相对换热量减小的速度，由Q=Gc△t （式中：Q为热换量，G为流量，△t为温差，C为比热）可知，表冷器进出口温差增大；反之，当流量增加时，相对流量增加的速度大于相对换热量增加的速度，表冷器进出口温差减小，如图5所示。

2 冷机变流量的一级泵变流量系统的控制方法

目前对冷机变流量循环水泵转速的调节控制方法的研究仍是行业热点，变流量系统水泵变速调节的控制方法主要有自然温降法、温差控制法、压差控制法及最小阻力法等。

表1列举了自然温降法、温差控制法、压差控制法，以及最小阻力法这4种变流量系统水泵变速调节控制方法的优缺点。

2.1 自然温降法

自然温降法是指在管网阻力特性不变的情况下，随末端负荷的降低，通过调节水泵转速来满足末端的需求，当水泵转速下降时，水泵曲线和管网曲线的交点即水泵工作点O 2 较设计工作点O 1 沿着管网特性曲线A向左下方偏移，如图6所示，末端流量和扬程降低，从而达到调节的一种控制方法[5]。该方法管网总的阻力特性不变，即末端支路未装设任何调节或通断型阀门，故该控制方法只能由空调区域温度设定值来控制水泵变速调节运行。在冷机出水温度不变的情况下，随着空调系统负荷率的不断减少，流过系统末端设备的水量不断减少，由表冷器静特性可知，回水温度升高，供、回水温差增大。自然降温法调节简单，但是节能潜力有限。

2.2 温差控制法

温差控制法的工作原理是在供回水干管上设置温度检测装置，由于供水温度通常控制在7 ℃，供回水温差为5 ℃，所以通常只需要在回水干管上设置回水温度检测装置。通过分析负荷侧温差变化情况就可以控制水泵的变频调节。该方法的特点是末端不设随负荷变化而动作的调节阀，管路的阻力数等于常数，管路特性曲线与相似抛物线重合，水泵能耗以转速三次方的关系递减，因此温差控制是最节能的控制方式。温差控制在工程上出现的不多，主要原因是这类设计要求负荷侧均需按同一规律同步变化，否则容易出现水量供应失衡。

采用温差控制法时，应保证流量变化趋势与换热量变化趋势一致。当温差小于设定值时降低水泵转速，当温差大于设定值时提高水泵转速。由于冷机出水温度通常可以设定并保持恒定不变，因此，供回水温差控制实际上也就是回水温度控制[6]。

当大多数末端为二通阀通断控制的风机盘管机组时，尽管风机盘管的静特性与表冷器基本一致，但由于风机盘管机组的水路只有接通和断开2种状态，当负荷下降时，二通阀的开启率（接通的数量占总数量的比例）下降，仍处于开启状态的二通阀末端压差增加、流量增加、温差减小，温差减小与负荷下降的趋势呈线性关系，温差控制法是可行的。通断控制是经济地实现温差控制法的先决条件，没有通断控制，温差控制法就无法经济地实现。

当大多数末端为电动调节阀控制的组合式空调机组表冷器，若采取温差控制法，在负荷侧表冷器调整趋势一致的情况下，因表冷器静特性的影响，在负荷下降时温差是增大的，而温差增大对于控制系統来说则要增加水泵转速提高流量，这就产生了矛盾。因此，温差控制法不能直接应用于具有调节型末端的系统。为解决这一矛盾，需要设置由压差控制的旁通管路，如在最远末端支路供回水管道之间设置压差旁通用于平衡系统流量，所以部分负荷时供回水总管温差减小，温差控制器据此控制水泵降速，旁通流量减小直至关闭，系统温差恢复至设定值。

温差法如果负荷低于水泵最小允许流量后，总管上可加三通阀旁通（三通阀调节时，系统总阻力数不变），温度传感器设置在回水管混合点之前（测量真实用户侧负荷）。 空调系统末端无调节阀，总阻力数不变，冷机在保证最小允许流量不变后，冷机输出还有不少下降的空间，随回水温度和出水的温差（出水温度不变）调整内部输出，节能潜力大。

2.3 压差控制法

压差控制法是一种一级泵变流量系统常用的节能控制方法，通过测量供回水管道之间的压差信号来调节水泵的流量。根据不同的控制点位置，可以将压差控制法分为供回水干管压差控制法（控制旁通管两端压差）和最不利末端压差控制法（控制负荷侧最不利末端两端压差）。

在最不利末端压差旁通控制法中，通过测量末端用户支路的压差信号来调节水泵的流量。当末端负荷下降，关小末端电动二通调节阀，引起压差超过设定值时，需要调整水泵的转速来达到压差设定值，可以控制水泵的变频调节，减小控制点的压差，达到节能的效果。

压差控制法的优点为反应快、灵敏度高，可快速调节水泵的流量以适应系统的需求变化。最不利环路末端压差控制的节能效果优于干管压差控制，但对于较大较复杂的系统，如果干管前后段用户负荷变化不一致，当前段有较大负荷情况时，最不利末端压差控制可能会导致前段用户出现压差不足，从而流量得不到保证，并且最不利环路的选择有时也会存在困难。

在水泵变频系统中，调节的目标是确保流量达到设计点。当管网特性曲线不变时，系统总阻力数不变，一般近似认为变频调节过程中水泵效率不变。变频调节使运行流量减小到设计流量时，需要注意选泵状态点是否在管网特性曲线上，以确保扬程能够达到设计状态的扬程。

值得注意的是压差设定值既不能过大，也不能过小。压差设定值越大，末端调节阀在调节过程中按照压差设定值作为对比，会出现过调，使末端调节阀开度过小，管网系统阻力增加，水泵的实际工作点向左上方移动，导致水泵效率下降，影响水泵的节能效果。若压差设定过小，变频水泵调节按照压差设定值作为对比，会出现过调末端流量不足，无法满足空调区域温度要求。根据《近零能耗建筑技术标准》（GB 50189—2019）的条文说明，可以在代表性环路中增加压差传感器，以提高判断的准确性。例如，当任一压差信号达不到设定值时，需要提高水泵转速；当所有压差信号均超过设定值时，需要降低转速。

2.4 最小阻力法

最小阻力控制法也叫末端阀位控制法或最小压差控制法。取系统末端的压差作为设定值，不需要测量水系统管网压差或供回水总管温差，在保证末端冷量供应充足的前提下，要使阀门的开度尽可能大，从而减小消耗在阀门上不必要的阻力。这种控制方式是根据所有末端控制阀的状态来作为变流量控制依据，是一种理想的控制方式，可以提供足够多的依据来对流量进行控制，但一个中大型制冷系统，数百个末端，这种控制方式的成本和系统难度都有所增加。

3 结论

（1）自然温降法在部分负荷工况下，水系统的阻力系数不变，通过改变水泵转速来调节流量，调节简单，节能潜力有限。

（2）温差控制法在空调系统末端无调节阀，系统总阻力数不变，是最节能的控制方式。但温差控制易受环境温度等影响，控制精度不高，同时由于受换热设备静特性影响和用户使用情况的影响，温差变化存在响应较慢、滞后较长的缺点，较少使用。

（3）压差控制法是一种有效的节能控制方法，可以根据系统的需求灵活调节水泵的流量。在应用过程中，需要根据具体情况选择合适的压差，并结合变频调节以实现水泵系统的节能优化；一级泵变流量系统冷水机组定流量运行时，空调水系统供、回水总管之间的旁通调节阀应采用压差控制。

（4）最小阻力控制法需末端阀门开度尽可能开大，但是控制复杂。因此，对于小型空调系统，是一种理想的控制方式；对于中大型制冷系统，从成本和系统难度角度而言都不可取。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院. 公共建筑节能设计标准：GB50189—2015[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]汪铮. 基于超低能耗的被动主动式建筑设计探研[J]. 建设科技，2019（19）：21-27+31.

[3]于鹏飞. CRCP+DOAS空调系统末端换热机理及冷水输配系统研究[D]. 西安：西安工程大学，2017.

[4]中国建筑科学研究院. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50736—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5]赵亚伟. 空调水系统的优化分析与案例剖析[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

[6]李苏泷. 一次泵系统冷水变流量节能控制研究[J]. 暖通空调，2006（7）：72-75.

Research on Control Method for Variable Flow System of Primary Pump

WEI Suopeng， LU Purong， ZHANG Lirong

（CSCEC AECOM Consultants Co. Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：：In the heating， ventilation and air conditioning system of the building， the reasonable design and effi?cient operation are the key to solving the energy consumption of air conditioning. However， in the actual operation of the variable flow water system of the central air conditioning pump， the pump often can not be frequently converted according to the design requirements， so it can not achieve the ideal energy-saving effect. The paper studies the change of pipe network characteristics and resistance coefficient under partial load of variable flow system of prima?ry pump， and adopts qualitative analysis method to analyze the principle，characteristics， limitations and application scope of four control methods， including natural temperature drop method， temperature difference control method，pressure difference control method and minimum resistance method， in order to guide the selection of a reasonable control methods during the operation process of water pump.Thus，the energy-saving operation of air-conditioning water system can be realized.

Key words：：primary pump; variable flow; control; energy saving; low carbon