中央空調系統(tǒng)冷卻水冷凍水使用變頻器

中央空調系統(tǒng)冷卻水、冷凍水使用變頻器一次泵變流量系統(tǒng)（Variable-Primary-FlowSystem，以下簡稱VPF系統(tǒng)）誕生的歷史并不長，空調行業(yè)人士針對該系統(tǒng)的認識存在一漸進接受的過程。近幾年來隨著空調DDC控制技術的迅速發(fā)展，冷凍機組技術性能的不斷提高，VPF系統(tǒng)技術的先進性、可靠性及經濟性已為市場所接受，不容置疑，VPF系統(tǒng)的成功與否首先取決于設計，其中包括合理選用設備并實現(xiàn)其完美組合，設備控制和輔助控制元件之間的協(xié)調等。筆者試圖從實際運用角度出發(fā)，分析VPF系統(tǒng)與傳統(tǒng)變流量系統(tǒng)之間的差異，針對VPF系統(tǒng)的各個設計環(huán)節(jié)或要點予以說明。一、 VPF系統(tǒng)的構成簡介目前，VPF系統(tǒng)尚無嚴格的定義，筆者就其基本特征作一概述，通過調節(jié)用戶端二通閥改變流經末端設備的冷凍水流量以適應末端用戶空調負荷的變化，同時采用一定的手段，使空調系統(tǒng)的總循環(huán)水量與末端的需求量相吻合，通過冷凍機蒸發(fā)器的水流量確保在安全流量范圍內，維持冷凍機蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的相對穩(wěn)定。二、 VFP系統(tǒng)控制原理基本要點表面上VPF系統(tǒng)并不復雜，設備管路配置與傳統(tǒng)設計形式差異不大，系統(tǒng)運行原理較為簡單明了，根據外網負荷的變化，通過變頻調節(jié)水泵轉速，使系統(tǒng)循環(huán)水量維持在剛好滿足負荷需求的水平，保證負荷側（包括最不利點）獲得足夠的循環(huán)壓差并盡可能降至最低，以期降低水泵運行能耗的目的。事實遠非如此，VPF系統(tǒng)的設計復雜性相當大，筆者認為設計首先面對的是如何保護冷凍機組，即要維持蒸發(fā)器最低流量以及水流量變化的速率控制問題，其次是如何保證整個VPF系統(tǒng)運行的經濟性及可靠性等。客觀地看，VPF系統(tǒng)最大的缺點在于其控制的復雜性，設計人員應結合工程特性，因地制宜，妥善解決控制問題，確保該技術在良好的工作環(huán)境中健康發(fā)展。VPF系統(tǒng)自控復雜程度較常規(guī)系統(tǒng)不可同日而語，換而言之，VPF系統(tǒng)的成功與否，很大程度取決于自控設計的完善和設備及輔件選擇的合理。三、 VPF系統(tǒng)設計要點及設備選用原則一個完善的VPF系統(tǒng)，需要整套精細化控制方案，為實現(xiàn)預定的控制目標，應針對系統(tǒng)設計方案各環(huán)節(jié)周密考慮。1、 冷凍機配置的選擇1.1、 五年前冷水機組蒸發(fā)器管內速度一般為3英尺/秒?11英尺/秒，目前冷凍機制造廠商經過試驗證明，冷水機組可以通過改變換熱管管型和換熱管回程數實現(xiàn)蒸發(fā)器內水流速度低至1.5英尺/秒，這對VPF系統(tǒng)設計無疑是個好消息，我們可以在不增加旁通流量的同時大大擴展了冷凍機組的有效操作能力。根據相關資料，冷凍機蒸發(fā)器最小水流量限值應小于或等于冷凍機設計流量值的60%。1.2、 冷凍機對于冷凍水流速變化的速率較為敏感，每分鐘流量改變過大將造成冷凍機的停機保護，故設計選擇冷凍機時應重視其水流量最大變化速率的限制，應考慮設備相應的寬容度問題，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行無疑是重要的，一般來說冷凍機蒸發(fā)器每分鐘流量改變不應超過10%，極限為30%。1.3、 通?？照{設計中，常常出現(xiàn)多臺冷凍機組并聯(lián)運行的情況，針對VPF系統(tǒng)，冷凍機盡可能選擇同一規(guī)格型號，如規(guī)格型號無法保持一致的話，建議各冷凍機蒸發(fā)器額定水阻力盡可能保持在相等的水平，這樣，當外網空調負荷導致空調冷凍水流量發(fā)生變化時，流經各冷凍機蒸發(fā)器的水流量可基本實現(xiàn)同步等比例變化。2、 冷凍泵及其控制2.1、泵機配置的對應關系問題，在具體工程設計中，常見冷凍水泵與冷凍機的對應關系往往有兩種形式。冷凍水泵單獨與冷凍機一一對應串聯(lián)，在傳統(tǒng)設計中經常出現(xiàn)，其優(yōu)點明顯，各冷凍機蒸發(fā)器水流量直觀上可得到可靠的保證，按常見的自控方法，由空調用戶端實際瞬間總負荷輔以冷凍機工作累計時間決定冷凍機啟停，而冷凍水泵啟停與冷凍機相對應實現(xiàn)聯(lián)鎖，應該講該種配置方法從自控角度上看較為簡便，但此種設計須有一個前提，即冷凍機及相應的冷凍水泵均須為同一規(guī)格產品，如冷凍機及水泵存在規(guī)格大小不一并存的情況，在系統(tǒng)變流量過程中，各冷凍機并聯(lián)回路必然產生水力不平衡的問題，即大泵將對小泵產生干擾，令水泵的能源消耗在不平衡方面，而非系統(tǒng)工作方面，同樣大小水泵的同步變頻控制也難以實現(xiàn)。同一規(guī)格的冷凍水泵呈并聯(lián)形式，單母管與冷凍機組配接，冷凍水泵與冷凍機在控制方面不呈一一對應關系，這是目前國外較為流行的設計方式，冷凍機啟停數量依舊由用戶端空調瞬間總負荷決定，而冷凍水泵啟停數量的控制完全脫離冷凍機，根據用戶端空調水流量實際需求值并同時結合水泵效率，馬達效率及變頻器效率分析決定水泵啟停臺數。換而言之，冷凍機運行臺數不一定對等于冷凍泵運行臺數，這是一種較先進的控制手法，其優(yōu)點通用性強，針對大小冷凍機組合的情況，避免了冷凍泵變頻工作時相互干擾的問題，與圖1相比，冷凍水泵運行能耗得到了最大程度的節(jié)省，缺點是將增加一定成本。冷凍機應配設聯(lián)鎖啟閉的電動閥，水泵變頻控制方面需泵廠提供全套水泵工作水力曲線用以編程，功率感應器亦在增設范圍，目前國內能承擔此項機電一體化工作的單位為數不多，相信在不遠的將來，隨著市場的需求及技術水平的不斷提高，這種比較完善的控制方法將逐漸為人們所接受。在目前實際運用中，針對泵機組合形式，冷凍水泵啟停數量的控制可根據用戶側水流量實際需求同時結合單臺水泵設計流量值確定，與前面的水泵控制手法比，水泵的保養(yǎng)和節(jié)能狀況略為遜色，但回避了技術支持及前期增加投入的問題，作為一折衷的方法因較為實用而為人們所采納。2.2、 冷凍水泵的選擇根據設備設計安裝位置、空間及承壓，結合設計流量及揚程，決定選用何種類型水泵及其所配機械密封，選泵時，水泵設計工作點盡可能在高效區(qū)偏右一點區(qū)域，以實現(xiàn)水泵保持在高效區(qū)變頻運行，此點與常規(guī)選泵有異，傳統(tǒng)選泵往往將水泵設定工作點確定于高效區(qū)偏左一點區(qū)域。馬達的功率須覆蓋水泵在實際應用中可能的工作區(qū)域，同樣變頻器功率亦應覆蓋水泵運行的輸入功率。此外，由于變頻水泵在低速時可能產生扭力上的振動，水泵聯(lián)軸器的中間墊片選用EPPM材質為佳。2.3、 冷凍水泵的變頻控制2.3.1、 冷凍水泵最小流量：隨著用戶端空調負荷的減少，空調水流量相應減少，當流量太小時，水泵容易產生熱能堆積，徑向、軸向推力增加，從而容易損害水泵的軸承、軸封，影響水泵壽命，須設置一最小流量的限制以防止低流量造成的負面效果，根據有關資料，建議最小流量為水泵最佳效率點流量的25%。2.3.2、 水泵的最低轉速：為確保水泵馬達的正常散熱，水泵轉速不應低于正常標準值的30%，如水泵轉速低于30%，變頻器效率下降，水泵效率亦減小，而馬達效率則劇跌，變頻水泵水電效率二水泵效率*馬達效率*變頻器效率，顯而易見，低轉速帶來的能源節(jié)省已被更低的水電效率所帶來的能耗所抵消，在空調實際應用過程中，水泵轉速低于30%標準值是毫無意義的，故水泵變頻控制器應設定頻率變化下限。2.3.3、 由于冷凍機針對其蒸發(fā)器水流量變化速率有一定要求，相應地冷凍水泵對此也有具體限定，要求實現(xiàn)穩(wěn)定變化，一般來講，VPF系統(tǒng)水流量變化速率設定為每分鐘流量改變不超過10%，由此類推，變頻器工作將與此保持同步。2.3.4、 冷凍水泵的變頻控制是VPF系統(tǒng)一重要環(huán)節(jié)，其控制原理可簡述為：以供回水總管末端最不利的壓差設定值作為控制目標，以該處的壓差測量值作為過程檢測變量，以變頻調速水泵作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，對冷凍水供水進行PID調節(jié)控制，控制目標是使過程檢測變量趨近于設定值。簡而言之，與一/二次泵變頻控制原理比，VPF系統(tǒng)水泵壓差控制基本點相似，但增加了水量變化速率，最小轉速限定等控制環(huán)節(jié)。此外，冷凍水泵采用溫差控制方法的工程時有出現(xiàn)，從理論上講，溫差控制法同樣可以實現(xiàn)節(jié)能目的。但這類設計有一定限制，外網各空調用戶負荷均需按同一規(guī)律性同步變化，否則容易出現(xiàn)空調管網水力失衡問題，影響空調品質，事實上具體工程很少存在這種理想情況，即便空調末端配設電控閥，由于空調系統(tǒng)負荷-流量非線性程度因工程而異，經濟節(jié)能性受到一定影響，筆者建議盡量不采取此類方法。2.3.5、 冷凍水泵是采用全變頻還是一變多定的形式，目前國內存在不同看法，筆者認為就VPF系統(tǒng)而言，一變多定這一傳統(tǒng)形式節(jié)能性較合變頻形式為差，定速泵的的存在，往往導致定速泵與變速泵并聯(lián)運行時，變速泵高速運行維持較高壓力導致能耗增加，同時一變多定形式也容易造成變速泵的磨損，目前變頻器價格較為合理，故筆者認為冷凍水泵采用全變頻形式較為穩(wěn)妥。3、旁通管及其控制閥門的配置原則冷凍機蒸發(fā)器最小水流量的數值由冷凍機生產廠商根據設計工作提供，一般不小于50%設計額定流量，出于安全因素考慮，通常確定為蒸發(fā)器標準水流量的60%，此項數值在VPF系統(tǒng)設計中至關重要，必須由冷凍機生產廠家商予以確認，從而確保VPF系統(tǒng)的正常工作。在VPF系統(tǒng)設計中，旁通管及其控制調節(jié)閥門是一重要環(huán)節(jié)，其唯一的作用就是確保流經每臺工作的冷凍機蒸發(fā)器的冷凍水流量在任何情況下均不低于設備所要求的最小流量，基于此點，筆者認為設計人員應注意旁通管規(guī)格確定，控制閥門的選擇以及系統(tǒng)響應時間等諸多要素，以期達到穩(wěn)定運行之目的。3.1、 旁通管規(guī)格及其設置原則如何恰當地選擇旁通管口徑，原則上該旁通管的流通能力須保證冷凍機蒸發(fā)器的最低水流量，在最不利的情況下，末端空調空調流量趨于極低值時，旁通管將承擔單臺冷凍機保證正常運行所需的最低流量，根據有關專業(yè)單位的實際操作經驗，旁通管長度盡可能控制在空調供回水總管管徑約3~5倍，在其最大流量的情況下，水損失盡可能低于1.5英尺水柱，管徑相應予以確定，當冷凍機采用大小搭配的形式時，旁通管宜根據最大型號冷凍機所要求的最低流量確定管徑，以確保系統(tǒng)的寬容度，同時保留以傳統(tǒng)模式（一次水泵均全部定速）工作的可能性。3.2、 旁通控制調節(jié)閥門的選用及控制VPF系統(tǒng)冷源側旁通管應相應配設合適的高質量的等比例調節(jié)控制閥門和電動驅動器，須注意的是，普通蝶閥不能提供合適的水流曲線°VFP系統(tǒng)中較少采用，同樣電動驅動器的選擇應確保其扭距可克服閥門關閉壓差。旁通閥的選型不能根據旁通管管徑確定，而是根據計算而得的閥門系數Cv值選擇，同時輔以校驗閥門水流速度，原因是水流速度過高容易產生氣蝕和噪音，一般來講，流速不可超過16英尺/秒（事實上有些品牌的壓差調節(jié)閥還要保守，最高為10英尺/秒），根據設計經驗，閥門前后壓差一般在2~3Psi之間，而旁通閥的流量為最大規(guī)格冷凍機的最低流量，正常情況，閥門選擇50~60的開啟度，而非90度（即全開）。旁通閥的控制手法具有一定的多樣性，可由BA或冷凍機或水泵變頻控制裝置來控制，視工程特性和設計者習慣而定，但其控制原則是明確的，即根據冷凍機蒸發(fā)器進出口壓差或流量的實測值調節(jié)旁通閥開度，確保每臺冷凍機蒸發(fā)器水流速不低于安全低限。可以看出，常見的VPF系統(tǒng)中冷凍機、水泵以及旁通閥的控制大都各自實現(xiàn)獨立，采集的控制信號源亦不相同，三者組合完成了VPF系統(tǒng)的基本控制功能。4、壓差、流量計的選用原則VPF系統(tǒng)成功與否，精準的測量設備的選擇和恰當的安裝位置相當重要，根據冷凍機、水泵及旁通閥的控制原則，壓差、流量計的安裝位置相應確定。特別指出的是，用于水泵調速控制的用戶端壓差計安裝位置及數量應視工程特性而定，常見的工程壓差計往往設于系統(tǒng)最遠端用戶，事實上，空調系統(tǒng)最不利環(huán)路不一定是幾何管線最長的環(huán)路，須校驗用戶端的局部阻力（熱交換器阻力加調節(jié)閥阻力），設計時應予以重視，此外，具體工程設計時，空調水系統(tǒng)往往根據使用功能和時間特性劃分為多路系統(tǒng)，設計者應考慮各回路具體使用時間等特點，確定設定用戶端的壓差計的數量及具體安裝位置，并在水泵調速控制裝置中設定程序進行判斷識別。關于壓差測定點設置的問題，目前常見在空調供回水總管間設置壓差計，這種脫胎于傳統(tǒng)差壓旁通式變流量系統(tǒng)的控制方法，由于未充分考慮系統(tǒng)管路阻力的變化導致節(jié)能幅度相對較小。除特殊情況外，建議不采用此種作法。流量計的作用不容忽視，事實上，流量計的精準與否直接關系到VPF系統(tǒng)運行的經濟性，同樣，確定流量計的安裝位置須根據選用流量計的型式合理設置，一般情況而言，流量計的選擇應根據流量范圍（一般為10~100%設計流量），承壓及耐溫等因素確定，流量計如常見的渦輪式流量計應保證前10后5（倍管徑）的距離以保證測量精度。從控制信號角度而言，壓差信號或流量信號有時可實現(xiàn)同一功能，而兩者產品價格及安裝要求不同，設計者可進行優(yōu)化選擇，如冷凍機蒸發(fā)器瞬間流量或壓差的測定均可為旁通閥的控制提供可靠的信號源，但在同一測量精度和穩(wěn)定性要求下，壓差測量的手法投入成本低，安裝難度小，故冷凍機側往往采用壓差測量的方法。5、其它注意事項5.1、 冷凍機側的電動控制閥的選型設計須采用電動閥，不可使用時間行程短的電動開關閥，否則將對相鄰已運行冷凍機產生影響。前文已經描述，冷凍機蒸發(fā)器通過的流量不能變化太快，否則將引起自動停機，蒸發(fā)器水流量變化度的極限值為每分鐘30%，而蒸發(fā)器最小設定流量為60%，故冷凍機側電動調節(jié)閥啟閉行程時間至少必須在兩分鐘以上，以保證冷凍機正常工作（啟停）。5.2、 在設計時，要注意水泵變頻裝置（即控制箱+變頻器）與水泵電機距離盡可能小，以減少諧波效應的產生，如