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#1引言

传统的一、二次泵水系统是一次泵定转速运行，一次泵回路是定流量，满足冷机定流量运行的要求。二次泵是变转速运行，二次泵回路的流量取决于空调末端阻力时刻的变化及二次泵的变转速，故二次泵回路的流量经常变化。

要解决一次泵回路定流量，二次泵回路变流量的需求，故在水系统中设计有盈亏管，而且盈亏管也保证了一、二次泵回路的流量是互不影响的。

但也正是这种设计会给水系统运行带来一些问题。

#2传统一、二次泵水系统运行存在的问题

如图1所示水系统，在下文中把盈亏管中水流方向从右向左的，称为“盈”；反之，称为“亏”。

图1 典型的一、二次泵水系统

• 水系统运行如果是“盈”状态（一次泵回路流量≥二次泵回路流量），空调末端的高温回水总能全部的流经运行的冷机，即末端的负荷总能全部的“反映”至冷机，运营人员总能根据Ta是否能维持在设定值（如：7℃），来决定是否要增开冷机。
• 水系统运行如果是“亏”状态（一次泵回路流量﹤二次泵回路流量），空调末端的高温回水是部分的流经运行的冷机，即末端的负荷只是部分的“反映”至冷机。由于Tc（Tb）没有突变，流经冷机的流量也没有变化，故运行的各台冷机并不加载，Td能维持在设定值，而Ta由于混入高温回水Tb，故Ta﹥Td。

这就是说供至二次泵（末端）的冷冻水不能提供满足设计需要的水温（如：7℃），此后Ta会越来越高，而运行的冷机只能通过回水Tc（Tb）滞后的升高而滞后的加载。

至末端的供水温度过高，而运行的冷机又不加载，这个问题是传统一、二次泵水系统普遍发生存在的。尤其是在发生以下情况时（下文称为A状况）：

有2台相同制冷量的冷机及2台一次泵在运行，水系统处于“盈”状态，由于末端负荷的下降，2台冷机的平均制冷%已小于50%，理论上为了避免冷机处于低负载运行（COP低），此时应该可以停运1台冷机，希望余下运行的那台冷机能加载至100%，就可以提供足够的制冷量了。

但当停运1台冷机及1台一次泵后，由于运行的那台冷机工况没有任何的改变（回水温度、流量都没有变化），故冷机并不加载，而此时由于停运了1台一次泵，水系统处于“亏”状态，Ta将立即上升，满足不了末端空调的需求。

所以当发生这种情况时，目前运营人员只能采取的措施是再增开1台冷机及对应水泵。因为再增开1台冷机、水泵后，往往一次泵回路的流量≥二次泵回路流量，发生“盈”的状态，末端的高温回水能全部的流经运行的冷机，不会旁通至供水侧，即末端负荷能全部的“反映”至冷机。

此时，增开的冷机及水泵会使Ta迅速下降至Td，Td，Td维持不变。但2台冷机的运行又使每台冷机处于低负荷运行。

运营人员采取这样的措施能迅速解决供水Ta过高的问题，但为了保持“盈”状态，就很可能造成多台冷机被开启，但每台冷机的制冷%都很低，冷机效率低下。

这个问题已在上海江湾附近某一办公楼项目中有反映，物业也在寻求解决的措施。

黄章星①提到“盈亏”带来的问题，在厦门翔鹭国家大酒店工程中发现一、二次泵回路“盈亏”严重的现象。

常晟③通过对香港又一城项目的调研发现，二次测供水温度过高，加机后冷机负荷较低。

高养田②指出这是传统的一二次泵系统易患的低温差综合症，严重浪费输送能耗。

相信这个问题在许多一、二次泵水系统的项目中都有发生，只是由于许多是民用建筑，对供水温度的保证（品质）要求不高，物业对现象的分析不能深入，对高效节能不是很在乎，所以即使存在这个问题，也没有足够的反映至业主、设计方。

#3问题小结

从以上现象分析得出：

• 当“亏”状态时，Ta﹥Td，去空调末端的冷冻水温不满足要求；
• 当“亏”状态时，随着Ta的升高，空调末端的换热除湿能力变差，回水Tb会越来越高，运行的冷机也加载滞后、缓慢；
• 为了解决“亏”状态时的问题，不得不增开一次泵及对应的冷机，会造成多台冷机低制冷%（低负载）运行，冷机COP低；
• 无论是“亏”还是“盈”状态，盈亏管的作用是保证一次泵回路定流量，所以带来盈亏水量的那部分水泵做功是无直接制冷作用的，是无效功，故水泵输送能耗高。

#4解决措施

传统一、二次泵水系统设计要求是一次泵回路定流量，这是考虑流经冷机的冷冻水流量不变，避免影响冷机运行，但其实大型中央空调机组是允许变流量运行的（至少在近十几年内生产的冷机），因为冷机本体的加卸载也是根据出水或回水温度控制的。需要注意的是：

• 流量不能过大于机组额定值，也不能小于冷机允许的最小流量；
• 流经冷机的冷冻水量不能突变。因为如果冷机自身的温度控制加卸载跟不上流量的突变时，冷机会因失控而保护停机。

所以解决上述问题的措施就是一次泵回路也变流量。通过调节一次泵的转速来使一次泵回路流量跟随二次泵回路流量。

如图1所示水系统，监测a点和c点流量：

• 当发生“盈”状况，c点流量﹥a点流量，就减少运行的一次泵转速，目标是使c点流量减小，接近a点流量。

这样既仍能保证全部的末端回水流经冷机被制冷，又能因一次泵降转速而节能。运行的冷机不会有任何损害（只要流量不要过小，且流量不要突变）。

• 当发生“亏”状况，c点流量﹤a点流量，就加大运行的一次泵转速，目标是使c点流量增大，接近a点流量。

这样由于避免了末端回水与冷机出水混合后总供水温度（Ta）的升高，且能使全部的回水流经冷机被制冷，末端的空调负荷能全部的“反映”至冷机，冷机能迅速加载。

仍以A状况为例：

这2台冷机及2台一次泵在运行，水系统一旦处于“盈”状态，会减小这2台水泵的转速，使c点流量趋近a点流量。当末端负荷下降后，2台冷机的平均制冷%小于50%后，停运1台冷机及1台水泵，此时发生“亏”状态，余下的那台水泵就增速，来使c点流量增大趋近a点流量。

此时由于c点流量接近a点流量，没有“盈或亏”，故Ta=Td，即总供水温度（Ta）不会突变升高。其次，由于一次泵的增速，使流经运行冷机的流量增大，冷机为了保持其出水温度不变，会迅速加载。

可以看到采用一次泵跟随二次泵回路流量运行后，既解决了当“亏”状态时总供水温度的突变，又避免了冷机不能迅速加载的问题，而且采用了该措施后，会因盈亏管中流量很小（减小了旁通水量）而节省一次泵能耗。

采用以上的解决措施虽然不能完全避免“盈亏”的状态（考虑到最小流量保护，加减机过程），但能够极大的缩短处于“盈亏”状态的时间，能够尽量避免二次泵供水温度的突变升高。

#5工程应用

某商业项目是2015年新开业的一座超大型购物商厦，集百货、餐饮、电玩、影院、冰场等于一体的商业综合体，总建筑面积44.8万m2，设计了5台2000Ton离心机组（其中一台供四期使用）和2台500Ton离心机组，业主组织顾问、厂家等经近10个月的反复研究最终确定采用一、二次泵全变频水系统。

一次泵系统采用6台变频水泵。因负荷侧系统较大，各分区管路阻力相差较大，二次泵系统采用分布式二次泵系统环状供水，分5个分区，每个分区变频水泵两用一备。工程于2012年10月开工，2015年4月竣工。实现了冷机台数控制、一次泵跟随二次泵流量变频运行等功能。

冷机群控编程调试

冷机群控编程调试对于一、二次泵全变频水系统来说非常重要，为保证真正做到“无人值守”的高效机房，编程调试过程需要全面而且细致，要考虑到任何极端情况下可能出现的问题并且在程序中做好预案处理，同时还要满足物业管理人员的使用习惯。本项目充分考虑了以上需求，在控制逻辑中体现了如下细节：

• 为自动加减机条件在主控面板上做出了标识，并为每个标识做了计时显示，物业可以清楚的看到目前是否满足加（减）机条件，并且该条件持续了多久，还有多少时间系统会加（减）机，减少了物业管理人员对机房群控系统“黑匣子”的不适应。
• 为保证一、二次泵全变频系统（尤其是一次泵部分）的稳定可靠，一次冷冻水循环泵变流量的稳定至关重要。既要满足冷水机组最小流量的需求还需要保证每台冷水机组流量变化率不能过快。由于传统PID调节的特性导致被控参数通常都是围绕“设定值”波动且波动幅度逐步收敛直到平稳，这种调节方式本身就非常危险。

当新增开或减少一台冷水机组时或者二次水流量变化剧烈时无论如何设置PID的参数均会导致PID运算的紊乱导致波动增加甚至失控。

经过长时间的反复测试各种极端情况，最终通过控制逻辑时间“阶梯式”逐步到达直至稳定的方式，每变化1Hz的频率至少间隔30S以上的时间。（本项目在这种变化间隔下无论负荷高或者低，均不会产生冷机失控现象，不同的冷水机组需要现场反复测试来找到最小间隔时间）

• 为满足物业管理人员对节能的需求，经常会根据室外温湿度的变化对冷冻水出水温度进行重设。同时又要满足自动加（减）机参数的有效性，因此将这两项需求合二为一，用二次冷冻水总供水温度来对每台冷水机组的冷冻水出水温度进行重设。

物业管理人员只需要将想要送出的冷冻水温度在总控台面变进行设定，这个温度会自动发送给每台冷水机组并且不会影响自动加减机条件。

• 卸载冷水机组时或者冷水机组出现故障时，配套水阀和水泵的停运在一、二次泵便流量系统中同样重要。卸载冷水机组时需考虑到停机时冷水机组的负荷等情况来分别确定冷却水、冷冻水水阀及水泵的关闭时间。

当冷水机组出现故障停机时，第一时间开启备用冷水机组的启动流程，同时出现故障冷机配套的水阀及水泵需要继续运行，直到能够保证冷水机组安全后方才延时关闭。

设备安装测试

调试过程中发现水温度传感器存在一些误差，从制冷机房到各二次泵供水温度传感器反馈值相差1.2℃，利用精度0.1℃的玻璃球温度计校核较为重要的15个水温度传感器。

在主系统调试中发现在主管上开分支管时，采用顺水三通对于水利平衡会非常有利，容易调节各分支的平衡，而在主管上开直角三通则会对水利平衡造成较大的影响，在当前工况下调平衡后，工况改变后就会打破以前的平衡。采用顺水三通就不会存在这个问题。在施工阶段，尤其是主系统应要求采用顺水三通。

冷机运行加载间隔时间应根据当前项目采用冷机型号确定，原则是要等到前一台冷机自动加载到100%并维持一段时间，作为加载下一台冷机的参考条件，在调试过程中开始采用不满足供水温度设定值+1℃，且持续20min加载下一台冷机，发现2000Ton冷机20min加载只能到80%～90%左右，在这个时间就加载显然不合适，所以加载间隔时间要根据冷机加载时间而定。现改为至少30min。

自控网络通讯的延时对群控的影响该如何避免？

测试过程中发现逻辑动作在通过网络下发后往往有一定的延迟，比如本项目要求的阀门开始关闭30s后（阀门关闭总时长55S）停运相应的水泵，发现网络延迟小的时候该时间可控。网络延迟严重时，阀门关闭后水泵仍未收到停运命令。所以实施冷机群控的自控设备网络通讯实时性十分重要。

该空调冷源系统从设计、施工、采购、安装至后期的调试严格把控、经各方努力最终实现了目标值：机房综合COP低于0.95KW/Ton，用电量从最初未采用冷机群控系统的257,740kwh（7月用电统计）降低至197,180kwh（8月份用电统计），节能效果显著。

#6结语

经过以上的分析，传统的一、二次泵水系统设计必然会发生空调冷源系统运行时多台冷机低制冷运行的情况。要解决这一问题，一次泵回路也变流量运行是个较好的解决措施。

暖通空调设计单位不仅需要设计能够运行的空调水系统，也要考虑到系统运行的高效，并且结合新产品、新技术特点，不断改进提升设计方案。

自控承包商需要学习、了解空调系统设计意图、制冷工艺，制定正确的、可靠简洁的、节能的控制逻辑，并方便物业日常运营操作。

【参考文献】

[1]黄章星. 变频一二次泵设计问题四则. 暖通空调. 2007.37(7).

[2]高养田. 空调变流量水系统技术设计发展（之二）. 暖通空调. 2009.39(1).

[3]常晟. 空调系统节能优化运行与改造案例研究(2):冷水系统. 暖通空调.　2010.40(8).

荣剑文，1972年，上海交通大学，工程硕士，高级工程师，从事自动化、暖通空调行业工作20余年。

王波，1979年，男，学士，研究方向：民用建筑机电系统设计及节能、减碳路径研究及智慧运营管理（67147570@qq.com）