〖摘要〗变流量一次泵系统是近年来正在掀起的一项创新节能技术。本文简要总结归纳了我国空调水系统的演变发展历程与主要问题；全面介绍了变流量一次泵系统的优点、难点和不适合采用的场合；根据国外的成功经验与设计运行指南，总结归纳了这种系统中的设计要点与顺序控制要求。最后提出了个人的4点看法。
〖关键词〗变流量一次泵水系统，定流量一次泵水系统，定流量一次泵/变流量二次泵水系统，空调水系统节能
1. 问题的提出
以科学发展观建设节约型社会，走可持续发展道路将是我国的长期建设方针。此方针落实到我们空调制冷行业、工程设计领域就是要不断地提高空调制冷设备及其系统的能效。
随着经济的高速发展与人民生活水平的不断提高，空调已成为保障工作条件与改善居住条件的必需品。但是空调的普及已显示出了给我国能源建设带来了巨大压力，已对我国的能源资源利用敲起了警钟。为了更好地普及空调，让大家用得起空调，要在我国的能源资源条件能世代长期承受得起，唯一的办法也是要不断地提高空调设备与其系统的能效。
提高能效不应成为“口号”，更不能成为一句“空话”，必需落实到我们工作与生活的每一环节，我们每人每个实际行动。本文就是想专门讨论一下如何提高空调冷冻水系统的输配能效问题。
同行们都知道，空调能耗主要消耗在三方面：⑴ 利用各种能源制取“冷量”与“热量”；⑵ 利用所得到“冷量”与“热量”处理“空气”，造成适合于工作与居住环境；⑶ 将这些“冷量”，“热量”与“空气”输配到所需要的指定地方。空调冷冻水系统就是专门履行“冷量”与“热量”输配的一种手段，它是中央空调输配能源消耗的主角。
国内通俗称呼的“中央空调系统”实际上是英文“Central air conditioning system”的一种简化译名，更准确的译名应该称“集中冷、热源的空调系统”。这种系统一般由三部分组成：以冷水机组与热水锅炉(或其它热源)作冷、热源；以水作传递与输送冷、热量的介质，以水泵为动力装置，管网为输配手段来输配冷、热量；以空气处理箱与风机盘管等末端设备来处理空气与分布空气。三者缺一不可。在分析与比较任何“中央空调系统”的能耗与能效时，我们不能只考虑其中之一或二，必须把这三部分能耗全面、综合考虑进去。
在大、中型“中央空调系统”中，空调设计者实际上是冷(热)源，管网与末端空气处理设备的“集成工程师”，冷(热)源设备与末端空气处理设备的性能规格参数虽取决于生产厂家的产品设计师，但作为中央空调系统设计者的责任必须对各种系列产品的性能有充分了解与全面掌握，再根据工程的负荷特点与系统特点来正确与合理选用。在大、中型“中央空调系统”中，其输配能耗的高低、大小主要取决于负责空调工程设计工程师的精心设计与计算，包括：如何根据建筑特点、负荷特点确定系统种类？如何根据系统划分、系统种类，采用相应的不同控制策略？如何准确计算系统的摩擦阻力、局部阻力与总阻力？如何精心选择空调水系统的循环水泵与控制调节阀？应该说这部分工作和冷(热)源设备与末端空气处理设备生产厂家毫无关系，主要是空调工程师的设计责任。
“中央空调系统”设计的核心问题是要在正确选用冷(热)源设备与末端空气处理设备的基础上，精心选用与设计它的空调水系统。其目的是要在满足与适应各种负荷变化的前提下要尽量使输配能耗最小化，并尽量降低初投资费用与维修工作量。因此，本文将对近40多年国内外的空调水系统的演变、发展历程作简要总结基础上，重点讨论一下变流量一次泵系统的设计问题。
2. 空调冷冻水系统的演变、发展与主要问题
回顾历史，我国中央空调的冷冻水系统已经历了40多年的风风雨雨。实事求是地讲，由于我国所处的特殊历史背景，和经济、技术条件的限制，我们在空调冷冻水系统上并没有什么创新，而是始终跟随着国外同行的足迹在前进。我国的中央空调始于上世纪60年代，源于当时工业发展的需要，首先发展了服务于纺织、印刷、精密仪器制造的工业性空调，依赖的是当时刚起步的氨压缩制冷工业。到了70年代，由于建设政治性公共建筑的需要，才研发了大型氟里昂冷水机组，开创了我国舒适性空调的历史。改革开放后来80年代旅游旅馆建设的需要，90年代建设高档办公楼与商场的建设高潮，开辟了我国舒适性中央空调大发展的新时期。
鉴于我国原来经济落后，工业基础薄弱，在上世纪70年代末开始的改革开放年代里，引资招商，在一些大型民用空调工程中同时引进了技术，其具体表现不但主要设备进口的，而且空调系统方案也是由外国公司设计的。因此，在近30多年我国所建设的民用舒适性空调工程中，其所采用的技术方案与国外的技术进步，特别是在中央空调水系统领域，主要与美国的技术发展紧密相关。
在空调水系统供冷技术方面，为了适应空调负荷的变化，为了节省输配能耗，为了确保冷水机组运行的稳定与安全，为了节省机房占地面积，我国跟随着美国也大致经历着相同的演变发展过程。上世纪60年代我国采用了开放式定转速一次泵系统，在70年末到80年代初采用了负荷侧采用三通阀的定流量一次泵系统，在80年代中经历着负荷侧采用二通阀的定转速变流量一次泵系统，在80年代末至90年代中经历了定流量一次泵/台数控制的变流量二次泵系统，在90年代末至本世纪初在大、中型空调水系统中，较广泛采用了定流量一次泵/变频控制的变流量二次泵系统。目前，我国学术界和一些冷水机组生产厂商正在为推广变流量一次泵水系统做技术交流与示范工程。
为了尽量压缩文章的篇幅，现将推动上述6种空调冷冻水系统演变的主要问题简要总结归纳在表1中，(详细情况可见参考文献[1]) 这些问题的不断解决，也是空调水系统不断发展的过程。
表1 各种空调冷冻水系统的流行年代，优点与主要问题
年代 | 系统种类 | 优点 | 主要问题 |
60年代 | 开放式定转速一次泵系统 | 水系统简单 | 水泵的高差静压损失大，冷冻水易受污染，蒸发器外表面易结垢。占地面积大。 |
70年代末至80年代初 | 负荷侧采用三通阀的定流量一次泵系统 | 水系统简单 | 三通阀价贵、易堵。 部分负荷时水泵不节能，输配电耗高。 |
80年代中期 | 负荷侧采用二通阀的定转速变流量一次泵系统 | 水系统简单 | 部分负荷时水泵不节能，输配电耗高。 |
80年代末至90年代初 | 定流量一次泵/台数控制的变流量二次泵系统 | 旨在解决部分负荷时二次泵节能 | 流过蒸发器的一次泵流量为定流量，在部分负荷时仍不节能。二次泵的台数控制实际上均告失败。水系统较复杂，机房内要备有二组水泵，占地面积较大。 |
90年代末至本世纪初 | 定流量一次泵/变频控制的变流量二次泵系统 | 旨在解决部分负荷时二次泵节能 | 流过蒸发器的一次泵流量为定流量，在部分负荷时仍不节能。水系统较复杂，机房内要备有二组水泵，占地面积较大。 |
目前 | 变流量一次泵系统 | 取消了二次泵环节，水系统简单，节能较多 | 控制复杂，要求测量控制均需准确、迅速响应 |
3. 变流量一次泵系统的优点、难点与不适用场合
变流量一次泵系统从系统组成来说是比较简单的，如图1所示。
目前在论及变流量一次泵水系统的优缺点时，一般均是与传统的定流量一次泵/变流量二次泵系统相比较。其公认的优点有：
· 降低了空调供冷水系统的初投资费用。这因为取消了二次水泵与相应零配件，减振器，电力输配线，控制等。但这种节省中有相当一部分要被一次泵水系统变频调速驱动器的较高价钱和旁通阀与附带控制的费用所抵消。
· 降低了系统对冷冻机房的空间要求。这是由于取消了二次水泵组而节省了机房的建筑面积。但其究竟能节省多少面积还要视原来定流量一次泵/变流量二次泵水系统的平面布置方案与机房的一些制约条件而论。
· 降低了系统中水泵组电机的电力需求。原因有二：⑴ 取消了二次水泵消耗在附加零配件与装置(截止阀，除污器，吸口扩散器，止回阀，集水缸等)上的阻力损失；⑵ 因为一次/二次泵水系统中的一次泵通常是大流量低压头，其固有的效率比较低，而变流量一次泵水系统中的一次水泵均是大流量高扬程的水泵，其固有的效率一般均高于同等流量低扬程的水泵。
· 降低了系统中水泵组的全年能耗费用。其部分原因是由于变流量一次泵水系统中水泵组的满负荷电力需求低于定流量一次泵/变流量二次泵系统的电力需求；但主要原因还是因为在采用一次/二次泵系统时，在一次环路中的水泵电耗对于每一冷水机组分级都是恒定不变的，同时一次泵必须像冷水机组那样分级投入运行。图2对于装有三台冷水机组，三台水泵机房，提供了这两种空调水系统方案在不同流量下泵送电功率的比较曲线。[8]
图2 在装有三台冷水机组机房内变流量一次泵系统与一次/二次泵系统的水泵电功率比较
尽管变流量一次泵水系统的优点很多、优势很大，但其旁通控制与冷水机组分级启停控制的复杂性和可能出现的故障乃是其目前公认的两个难点：
旁通控制问题
在变流量一次泵水系统中，为了确保流过正在运行冷水机组保持有最低的流量，要求装有旁通阀(图1)。其控制上的复杂性与可能会出现的故障主要体现在以下四方面：
· 由于此旁通阀必须依靠流量信号来自动控制调节，所以要求这些冷水机组装有测量流量的某种手段。同时为了确保准确测量，这种流量装置还必须保持定期标定校正。
· 由于旁通控制阀位于水泵附近，使控制路有时候是很困难的。
· 即使控制系统有“健全的性能”，可能还不能足以应付来自负荷侧流量的突然变化。对于拥有许多空气处理机组(AHUs)同阀两端压差变化范围很宽，所以选择此旁通控制阀和调试 (tuning) 这个控制环时停慢关闭的电动控制阀。
· 越是复杂的控制系统是机的工程，还必须采取两项措施：把这些AHUs分组编程分时关停和选用缓越容易出毛病。人们可以预期，在此机房的使用寿命期内的某个时候，此旁通控制系统的失灵可能引起冷水机组令人讨厌的故障性停机，一般需要人工手动恢复。但是如果运行人员不能让该冷水机组手动恢复运行，那末这整个机房就只能停止运行等待维修了。
冷水机组的分级控制问题
在并联安装多台冷水机组的机房内，一般都要对这些冷水机组的启停采取分级控制。如果不采取特殊措施，在实行分级启动控制时，启动一台待用冷水机组，会导致流过这些在用冷水机组蒸发器的流量突然下降，从而触发这些在用冷水机组的保护性停机。因此，在任何变流量一次泵水系统中，不管对一次泵与冷水机组的连接采用“专用”方式，还是“集合母管”方式，必须采取各种有效措施来减轻与缓和这种瞬时的流量突变。
不适合采用变流量一次泵水系统的场合
尽管上述变流量一次泵水系统的四大优点对于广大建筑业主与用户是具有非常大的吸引力的，但是这种水系统控制上的复杂性告诫我们，在应用与推广时一定要谨慎，不要只看到这些优点而盲目叫好，更不要在自己还没有弄懂的情况下，就照抄与照搬。本人认为至少在以下四种场合是不适合采用的：
· 对于全年冷负荷变化不大的工艺性冷却；
· 对于冷冻水供水温度波动有严格要求的工业性空调；
· 对于冷负荷小，供冷时间短的工程；
· 对于没有熟练运行管理人员的工程；
· 对于那些在系统负荷侧的空调机组与风机盘上仍采用三通阀调节负荷的老系统，及仍不能用二通阀来替换改造大部分三通阀的老系统。
4.变流量一次泵水系统所常用的专用名词 [2]
4.1 最高流速，额定流速与最低流速。最高流速是避免引起冷水机组蒸发器铜管冲蚀损坏的最高限制流速。最低流速是防止冷水机组蒸发器铜管内水的流动状态由紊流转变为层流的最低限制流速。额定流速是对应于冷水机组蒸发器满负荷条件下设计流量的流速。因为每家冷水机组生产厂商，每种冷水机组系列产品，每种型号大小，其蒸发器内部结构均各有差异，因此其最高流速，额定流速与最低流速的数值必须由供货厂商负责提供。但是，在实际供货关系上，一些生产厂商为免谈蒸发器的具体结构参数，通常以最大流量，额定流量与最小流量数值提供。
4.2 冷冻水流量变化速率 (Rate of Chilled Water Flow Variation)。由于蒸发器中水流量的
较快变化能引起控制不稳定和压缩机的回液(flood-back)与停机(shutdown) 。为了确保变流量一次泵系统中的冷水机组能保持稳定工作，设计者必须从生产厂商那儿获得其所选用冷水机组所能承受的冷冻水流量变化率的数值。目前一些生产厂商所推荐的流量变化速率范围彼此相差较大，可以从每分钟小于2％到每分钟30％，其值和冷水机组的类型，控制，和系统的周转时间有关。对于蒸汽压缩式冷水机组，一般保守的厂商目前只推荐其冷水机组允许用于2--12％的流量变化率的变流量一次泵系统。而有经验的厂商敢于推荐其冷水机组中用于有10--30％的流量变化率的系统。
4.3 系统周转时间 (System Turnover Time)。系统周转时间是以系统中流量在系统中循环一次所需的时间来定义。它实际上是系统中水的质量相对于冷负荷大小的一种度量指标，代表着温度的干扰将以多快速度传播给该系统。较长的周转时间能改善冷水机组控制的稳定性。为了确保制冷能力调节能稳定地对抗负荷的变化，系统周转时间极限是要由冷水机组生产厂商来推荐。所允许的系统周转时间基本上随所选用的冷水机组控制技术的改进而变化。随着冷水机组控制技术的不断改进提高，其允许的系统周转时间也在不断缩短。
5. 变流量一次泵水系统的设计与运行
从图1不难看出，如仅就其系统设备与配管连接而论，变流量一次泵水系统都要比定流量一次泵/变流量二次泵水系统简单得多。变流量一次泵水系统的复杂性在于它的控制环节，而控制环节的复杂与严格要求往往在空调施工图上并不能完全表示出来，需要由弱电自控施工图及其控制顺序来体现与表示。这些特殊控制要求既需要空调工程师对这种系统运行的节能原理与安全法则有深入的了解，还需要对当今市场上能买到的、适合用于蒸发器变流量调节的冷水机组的控制功能有详细与准确的掌握，经综合分析后向弱电控制专业工程师提出明确、详细、及时、书面的控制顺序要求。
本节将根据国外的一些成功的经验与冷水机组生产厂商所提供的设计指南[8][9][10]，归纳总结以下设计要点与运行指南：
5.1 设计要点
5.1.1 首先应计算或搞到该工程供冷期内准确可靠的逐时冷负荷数据与分布图。准确掌握该工程使用功能所允许的冷冻水供水温度波动幅度的要求。
5.1.2 在选用冷水机组时，不但要比较其满负荷与常用部分负荷条件下的能效，更为重要的应详细了解其机组控制器及其群控装置的详细控制功能，应要求冷水机组生产厂商对该种型号冷水机组蒸发器的额定流量(设计的水流速)，最大流量(最高水流速)，最小流量(最低水流速)，系统周转时间极限值，及允许的最大流量变化速率提供准确可靠的书面资料。
若要采用变流量一次泵技术，所选冷水机组的最小流量应不大于其额定设计流量的60％，其所能容忍的最大流量变化速率应超过10％，最好达到30％。对于具有容量大小不同的多台并联冷水机组的机房，应选择其蒸发器额定水压降大致接近的机组。
5.1.3 对于冷水机组自带的测温元件，一定要详细了解其种类，稳定性，测温准确度，定期标定校正的周期时间，以确保其在标定校正周期内的温度测量的精度不超过±0.2C。
5.1.4 对于冷水机组自带的供水温度控制器，一定要详细了解其控制调节原理，应选用与配备响应快，剩余偏差小的PID调节，以确保今后能对冷水机组供水温度进行及时快速、无偏差的调节。
5.1.5 对于变流量一次泵与并联冷水机机组的连接，宜采用“集合母管并联”后再与蒸发器串联的方式进行配管。
5.1.6 在变流量一次泵水系统中，跨接在一次泵与冷水机组蒸发器两端的旁通管应设置在冷冻机房内，离一次泵组和冷水机组尽量靠近一些，还应在此旁通管上安装控制阀，以便能控制调节正在运行的冷水机组蒸发器的水流量不低于其最小水流量。 此旁通控制阀的口径与旁通管的管径应按照流过系统中最大冷水机组蒸发器的最小流量来选择，该旁通控制阀的承压应和冷水机组蒸发器一致，应根据该阀门全关时两端压差配置该阀门执行机构的转动力矩。该控制阀的阀位行程-流量的调节性能曲线应是线性的。
5.1.7 在变流量一次泵水系统中必须设置与选用准确高的和重现性好的流量传感器。[2][11] 一般有两种方案可供选择：⑴ 在一次水泵组进口集水母管前的回水干管的直管段上，设置准确度不低于±0.5％的电磁流量计，该直管段的长度至少应为15倍管径。流量计应按生产厂商说明书要求安装与定期标定校正。⑵ 在每台冷水机组蒸发器两端安装压差传感器，该压差传感器的灵敏度不应低于±0.1％，准确度不应低于±0.2％，压差传感器与其变送器应按生厂商说明书要求定期标定校正。一旦决定采用这种流量测量方法后，还必须要求冷水机组生产厂商提供其蒸发器流量与水压降关系的准确资料，并对水系统采取严格的水质控制与过滤措施。
5.1.8 应计算所设计的空调水系统的系统周转时间，校核其计算值是否大于冷水机组生产厂商所推荐的极限值。若有较长的系统周转时间，则说明该系统有助于改善冷水机组控制的稳定性，若小于所推荐的极限值，则就应与冷水机组生产厂商商量补救改进措施。
5.2 运行指南
对于变流量一次泵水系统来说，除了需要正确选配与安装上述的测量元器件与控制仪表之外，其难点是如何解决这些并联冷水机组的顺序启停问题，而其最大流量，最小流量，温度设定值又是这些顺序启停的关键切换点。因此，变流量一次泵水系统的正常运行必定需要依赖于预先编好的顺序启停软件来执行，很难设想能由人工的手动操作来完成。所谓运行指南实际上要将这些确保机组安全与节能的启停步骤编入控制顺序。
5.2.1 在启动另一台冷水机组之前，应让正在工作的冷水机组几乎满负荷运行。当所监测的蒸发器出水温度只是在其设定值允许偏差范围内波动时，就没有必要启动另一台冷水机组。只有当所监测的蒸发器出水温度超过了设定值允许偏差上限时，或其水流量超过了该机组所允许的最大流量时才可启动下一台冷水机组运行。
5.2.2 当系统冷负荷升高，对正在运行冷水机组加载时，当其蒸发器流量逼近最大流量，蒸发器出水温度超过设定值允许偏差上限时，就必须启动待用冷水机组投入运行。此时，为防止正在运行冷水机组蒸发器流量的突然下降，需要执行以下两项保护措施：
⑴ 通过关小机组进口导叶阀或提高机组供水温度设定值1至3分钟的办法来使正在运行冷水机组暂时卸载，缓解由于水流量突然下降，有出现铜管内流水冻结的危险；
⑵ 要缓慢打开新启动冷水机组蒸发器的截止阀，其打开速度要视所用冷水机组所能容忍的最大流量变化速率而论。对于最大流量变化速率每分钟允许30％的机组，其截止阀从全关到全开，大约为2分钟；对于最大流量变化速率每分钟允许10％的机组，需要经历6分钟；而对于最大流量变化速率每分钟只允许2％的机组，就需要30分钟。
5.2.3 根据机房内机组的台数与部分负荷效率曲线，应设计“专用停机”策略，避免机组的低负荷运行。在二台以上机组以上的机房里，作为经济运行的一条原则应尽量少开主机，这样做有二个好处：⑴ 可同时少投入冷冻水泵，冷却水泵与冷却塔风机的运行；⑵ 可使冷水机组处于较高负荷的较高效率下运行。例如，在三台冷水机组的机房里，能以运行二台机组来满足负荷要求时，决不应该投入三台机组运行，在四台冷水机组的机房里，能以运行二台机组来满足负荷要求时，决不应该投入三台、四台机组运行。
因为目前市场上可买到的大多数冷水机组的控制器，一般都能按照规定时间间隔监测其正在运行时的电流 (RLA----Running Load Amps)，所以一般都以％RLA (实际RLA被设计的RLA除)作为表征冷水机组运行时的实际负荷率的良好指标。因此，在多台机组成的冷冻机房内，可以以整个机房的％∑RLA (正在运行机组实际RLA之和被整个机房各台机组设计的RLA之和来除)作为冷冻机房负荷率指标，以控制机组的分级停机。例如，在4台等容量冷水机组机房内，可以将％∑RLA = 75％，50％，25％值分别作为4台机，3台机，2台机的需要实施“减机”控制时的逻辑判断制点。
5.2.4 应根据冷水机组蒸发器结构，最小流速极限和防冻结温度设定值，设计“防冻结延时停机”保护顺序。因为，一般定流量冷水机组控制器当监测到蒸发器出水温度到达冻结水温度时就会立即执行保护性停机。但是变流量一次泵水系统中，若还是实行这样保护性控制，那末这种保护性事故停机的机率会很高。因此，目前适用于变流量一次泵水系统的冷水机组，其控制器应设计有“防冻结延时停机”保护顺序。这种控制顺序能在监测到达冻结温度时不会立即停机，而是累加冻结温度以下的度-秒值，并且只有当此总和值上升到临界水平时才迫使其停机，以便使主机的制冷能力调节器能达到稳定的制冷出力控制。
5.2.5当监测到正在运行冷水机组蒸发器流量降低到最小流量限值时，应利用旁通控制阀让一部分冷冻水短路循环，提高水泵的循环水量，确保正在运行冷水机组蒸发器能维持在最小流量限值以上运行，避免发生不正常的缺水保护，消除有害的故障性跳闸停机。在冷冻机房的优化群控程序中，应包含有这一保护环节。
6. 几点个人看法
6.1 控制技术的进步，已为变流量一次泵水系统的发展与工程应用铺平了道路。美国近10年来对这项技术的开发研究与典型工程的应用，已获得了丰富的经验，和总结出了较完整的设计与运行指南，并正在把这种水系统设计方案列为空调水系统的一种标准形式来推广。
6.2 变流量一次泵水系统技术，既节省机房面积和降低了初投资，又减少了水泵组的电力需求与全年运行能耗，是一项对于建筑业主与开发商极有吸引力的创新技术，其发展潜力巨大，发展前景也十分看好。
6.3 变流量一次泵水系统在控制技术上的复杂性，首先需要我们空调设计专业人员十分认真地仔细字习，深入研究，和全面掌握。如果我们想把这种控制上的设计责任完全推给弱电自控专业人员，或者完全依赖于冷水机组供货商来设计，将会给未来工程带来运行失败的后果----不是控制不稳定就是实际并不能节能。
6.4 由于变流量一次泵水系统技术的好处很多、很大，但控制上却较复杂，如不重视与注意极易导致未来工程运行失败，故本文用了较长篇幅阐述这个问题，旨在希望引起同行的重视与兴趣，愿与同行分享我在这个问题上的初步心得，希望能为变流量一次泵系统在我国的正确推广起一点摇旗呐喊的作用。若有片面之处请补充纠正，若有错误之处也请批评指正。
7. 参考文献
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[3] Trane. 2001. CenTraVacÒLiquid Chillers and Centrifugal Liquid Chillers/Water Cooled Catalog (CTV-PRC007-EN).
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[9] Schwedler， M. and B. Bradley, 2002. Variable-Primary-Flow Systems Revisited，.Trane Engineers Newsletter Volume 31，No.4
[10] William P. Bahnfleth and Eric Peyer，2004：Varying Views on Variable-primary flow chilled-water systems. HPAC Engineering, 73(3):S5-S9
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