隨著我國經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，空調得到越來越多的應用，但是空調的普及使得空調能耗在生產和生活總能耗中所占的比重越來越大。空調系統能耗約占整個建筑能耗的35%以上，其中中央空調冷水和冷卻水系統能耗約占空調系統總能耗的30%。工程實踐表明，導致中央空調系統電耗高的主要原因是由于目前我國大型建筑空調冷水系統多為定流量系統，且系統運行中普遍存在“大流量，小溫差”的問題，由此造成冷水循環泵揚程過大、電耗過高。空調冷水一次泵變流量系統通過改變輸送管網內的冷水流量滿足用戶負荷要求，可有效降低系統輸送能耗，具有較大節能潛力，因此得到越來越廣泛的應用。本文將就空調冷水一次泵變流量系統的設計要點進行探討，以供同行在工程設計中參考。

空調冷水一次泵變流量系統的工作原理：一方面是在負荷側通過調節電動兩通調節閥的開度改變流經末端設備的冷水流量，以適應末端用戶空調負荷的變化；另一方面是在冷源側采用可變流量的冷水機組和變頻調速冷水泵，使蒸發器側流量隨負荷側流量的變化而改變，從而最大限度地降低冷水循環泵的能耗。同時，要確保通過冷水機組蒸發器的水流量在安全流量范圍內變化，維持冷水機組的蒸發溫度和蒸發壓力相對穩定，保證冷水機組能效比相對變化不大。

空調冷水一次泵變流量系統的典型配置如圖1所示。在冷源側配置變頻泵，每臺冷水機組的進（出）水管上設置慢開慢關型隔斷閥，冷水泵與冷水機組不必一一對應設置，且二者啟停應分開控制；在空調冷水總供回水管之間設置旁通管，旁通管上設置旁通控制閥（電動調節閥），當負荷側冷水量小于單臺冷水機組的許可最小流量時，旁通管上的電動調節閥打開，使流經冷水機組蒸發器的最小流量為負荷側冷水量與旁通管流量之和，最小流量由流量計或壓差傳感器測得。另外，系統末端需安裝電動兩通調節閥。

1—冷水機組 2—變頻調速冷水循環水泵 3—電動隔斷閥

4—旁通控制閥 5—電動兩通調節閥 6—末端空氣處理裝置 7—止回閥

圖1 空調冷水一次泵變流量系統舉例

空調冷水一次泵變流量系統與傳統的空調冷水一次泵系統及二次泵系統相比較，具有以下優點：

1、由于取消了二次泵系統中的二級泵與相應零配件、減振器、啟動器、電線、控制器等，因而減少了空調冷水系統的機房面積及初投資。

2、與一、二次泵系統相比，降低了系統中循環水泵的電耗。原因之一是由于一、二次泵系統中的一級泵通常是大流量低揚程，其固有的效率較低；而一次泵變流量系統中的一級泵均是大流量高揚程的水泵，其固有的效率要高于同等流量低揚程的水泵；原因之二是由于取消了二次泵系統中二級泵消耗在附加零配件與裝置（閥門、除污器、變徑管、集水器等）上的阻力損失。

3、一、二次泵系統中的一級泵是定流量泵，必須像冷水機組一樣分級投入運行，而且其電耗是恒定不變的；而一次泵變流量系統中只配備變流量泵，能根據末端負荷的變化，通過改變水泵的轉速調節負荷側和冷水機組蒸發器側的流量，最大限度地降低變頻調速水泵的電耗。

4、能夠消除一次泵和二次泵系統的“低溫差綜合癥”，使冷水機組高效運行。

5、能夠充分利用冷水機組的超額冷量，減少并聯的冷水機組和冷卻水泵的全年運行時間和能耗。

目前，常用的空調冷水一次泵和二次泵及一次泵變流量三種系統適用于不同類別、規模及使用特點等的工程。通常，冷源側定流量、負荷側變流量的一次泵系統（見圖2）,適用于水溫要求一致，且各區域管路壓力損失相差不大的中小型工程；冷源側和負荷側分別設置一級泵和二級泵（變頻泵）的二次泵變流量系統（見圖3）適用于負荷側系統較大、阻力較高的工程，且當各區域管路阻力相差懸殊（超過50KPa）或水溫要求不同時，宜按區域分別設置二級泵；而對于冷源側和負荷側均變流量的一次泵（變頻）變流量水系統（見圖1），則適用于以下空調系統：

1、全年空調冷負荷變化較大的空調系統；

2、空調冷水供水溫度可以允許輕微變化；

3、工程初投資及回收期可接受；

4、工程設計者對技術應用的把握到位，控制方案和運行管理可靠，用戶（操作者）了解并能熟練掌握等。

盡管空調冷水一次泵變流量系統具有節能的優點，但是其旁通控制和冷水機組的分級啟停控制較為復雜，因此在設計這種水系統形式時，一定要謹慎，必須準確理解和掌握其原理、組成及設計要點。

 1—分水器 2—集水器 3—冷水機組 4—冷水循環泵 5—止回閥

 6—壓差控制器 7—電動調節閥 8—末端空氣處理裝置 9—電動兩通調節閥

圖2 空調冷水一次泵系統舉例 

1—分水器 2—集水器 3—冷水機組 4—冷水一級循環泵 5—止回閥

6—末端空氣處理裝置 7—電動兩通調節閥 8—冷水二級循環泵 9—壓差控制器 10—平衡管

 圖3 空調冷水二次泵系統舉例

對于空調冷水一次泵變流量系統采用的可變流量的冷水機組，機組蒸發器的許可流量變化范圍和許可流量變化率是衡量冷水機組性能的重要指標。機組蒸發器的許可流量變化范圍越大，越有利于冷水機組的加、減機控制，節能效果越明顯；機組蒸發器的許可流量變化率越大，冷水機組變流量時出水溫度波動越小。在實際的機組設計選型中：選擇蒸發器流量許可變化范圍大，最小流量盡可能低的冷水機組，如離心機30%～130%，螺桿機45%～120%，最小流量宜小于額定流量的50%；選擇蒸發器許可流量變化率大的冷水機組，每分鐘許可流量變化率宜大于30%。

對于空調冷水一次泵變流量系統，冷水機組盡可能選擇同一規格型號，如規格型號無法保持一致的話，建議各冷水機組蒸發器額定水阻力盡可能保持在相等的水平，此時，當外網空調負荷導致空調冷水流量發生變化時，流經各冷水機組蒸發器的水流量可基本實現同步等比例變化。

對于空調冷水一次泵變流量系統來說，其運行難點是如何解決并聯冷水機組的順序啟停的控制問題，而其冷水機組的最大流量、最小流量、溫度設定值又是這些順序啟停控制的關鍵切換點。因此，空調冷水一次泵變流量系統的正常運行必定需要依靠預先編好的順序啟停軟件來執行。

4.2.1 冷水機組的啟動控制

在啟動另一臺冷水機組之前，應讓正在工作的冷水機組幾乎滿負荷運行。當所監測的蒸發器出水溫度超過了設定值的允許偏差上限，或其水流量超過了該機組所允許的最大流量時，才啟動下一臺冷水機組運行。通常做法是以壓縮機運行電流為依據：若機組運行電流占額定電流的百分比大于設定值（如90%），并且這種狀態持續10～15min，則開啟另一臺機組，這種控制方式的好處是供水溫度控制精度高，在系統供水溫度尚未偏離設定溫度時，已加機了。此時，為防止正在運行的冷水機組蒸發器流量的突然下降，需要采取以下兩項保護措施：

1、為緩解由于水流量突然下降，出現銅管內冷水凍結的危險，采取關小機組進口導葉閥或提高機組供水溫度設定值1至3 min的辦法來使正在運行冷水機組暫時卸載；

2、緩慢打開新啟動冷水機組蒸發器的電動隔斷閥，其打開速度要根據所啟動冷水機組所能容忍的最大許可流量變化率而定。最大許可流量變化率越大，其電動隔斷閥從全關到全開所需要的時間越短，例如：對于最大許可流量變化率每分鐘允許30％的機組，其電動隔斷閥從全關到全開，大約為2min；對于最大許可流量變化率每分鐘允許10％的機組，約需要經歷6min；而對于最大許可流量變化率每分鐘只允許5％的機組，則需要12min左右。

4.2.2 機組的關閉控制

根據機房內機組的臺數與部分負荷效率曲線，應設計“停機”策略，避免機組的低負荷運行。在空調冷水一次泵變流量系統中,通過測定機組運行時的電流RLA ( running load amps) 來控制機組的啟停間隔。RLA%(運行電流除以額定電流 )反應了冷水機組運行時實際負荷率的良好指標。在多臺相同機組的并聯運行時,關閉機組的策略是目前正在運行的各臺機組的RLA%之和除以運行機組臺數減1，若結果小于設定值（如80%）,就關閉一臺機組。即：

                ≤80%

例如，3臺機組運行電流為滿負荷電流的50%，可以關閉1臺機組。

                 =75%≤80%

另外，應根據冷水機組蒸發器結構，最小許可流量和防凍結溫度設定值，設計“防凍結延時停機”保護順序。因為，一般定流量冷水機組控制器當監測到蒸發器出水溫度到達凍結水溫度時就會立即執行保護性停機。但在空調冷水一次泵變流量系統中，如立即執行保護性停機，停機的機率會很高。這種“防凍結延時停機”保護順序能在監測到達凍結溫度時不會立即停機，而是累加凍結溫度以下的度-秒值，只有當此值總和上升到臨界值時才迫使其停機，以便使機組的制冷能力調節器達到穩定的出力控制。

對于空調冷水一次泵變流量系統，在設計中宜采用“集合母管并聯”后再與蒸發器串聯的方式進行配管。此種連接方式下，冷水泵與冷水機組在控制方面不呈一一對應關系，冷水機組的啟停數量由用戶端空調瞬時總負荷決定，而冷水泵啟停數量的控制則根據用戶端空調水流量實際需求值并同時結合水泵、馬達及變頻器效率分析決定水泵啟停臺數。此種方式通用性強，針對大小冷水機組組合的情況，避免了冷水泵變頻工作時相互干擾的問題，最大程度地節省了冷水泵運行能耗。

4.3.1 冷水泵的選擇

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，設計選泵時，水泵設計工作點盡可能在高效區偏右一點區域，以實現水泵在高效區變頻運行。實際設計中應選擇Q-H曲線陡峭的水泵。

4.3.2 冷水泵的變頻控制

空調冷水一次泵變流量系統冷水泵的變頻控制原理為：供回水總管末端最不利的末端空調設備根據負荷變化調節電動兩通調節閥（風機盤管、空調機組等）的開度，使得系統流量變化，從而引起壓差變化，水泵變頻器控制器根據此壓差調節冷水泵的轉速，實現了系統變流量的節能運行。

在設計中，冷水泵為防止低流量造成的負面效果需設定最小流量，根據有關資料，建議最小流量為水泵最佳效率點流量的25%；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%。

另外，冷水泵要求每臺均配置變頻器，同時變頻調速，避免一變多定。

空調冷水一次泵變流量系統的旁通管上設置旁通控制閥，當負荷側冷水量小于單臺冷水機組的最小流量時，旁通管打開，使冷水機組的最小流量為負荷側冷水量與旁通管流量之和。

4.4.1 旁通管規格及其設置原則

旁通管的設計流量為系統中制冷量最大冷水機組許可的最小流量。旁通管應盡量安裝在冷水機組和冷水泵的附近，這樣可減少水路的壓降，降低水泵的能耗。

4.4.2 旁通控制閥的選擇及控制

空調冷水一次泵變流量系統旁通管上設置旁通控制閥，當負荷側冷水量小于系統中制冷量最大冷水機組的最小流量時，旁通管打開，使冷水機組的最小流量為負荷側冷水量與旁通管流量之和，以確保冷水機組冷水流量不低于其最小流量。

旁通控制閥的設計流量必須滿足系統中制冷量最大冷水機組的最小流量，并且應具有線性控制特性，即流量與閥門的開度呈線性關系。旁通控制閥的設計選型不能根據旁通管管徑確定，而是根據所選閥門的流量系數Kv值計算當旁通控制閥處于最小開度和最大開度情況下其可調比是否滿足要求，根據計算出的可調比求出最大流量和最小流量與旁通控制閥在最小開度及最大開度下的流量進行比較，反復驗算，直至合格為止。

旁通控制閥可由冷水機組變頻控制裝置來控制，其控制原則是根據冷水機組蒸發器進出口壓差或流量的實測值調節旁通控制閥開度，確保每臺冷水機組蒸發器水流量不低于其最小值。

在空調冷水一次泵變流量系統中，旁通閥控制的信號源由冷水機組蒸發器瞬間流量值或壓差的測定值提供，因此壓差、流量傳感器的安裝位置及精準與否對空調冷水一次泵變流量系統相當重要。

在空調冷水一次泵變流量系統的設計中必須選用準確度高和重現性好的壓差、流量傳感器。一般有兩種方案可供選擇。

1、在冷水泵組進口集水母管前的回水干管的直管段上，設置準確度不低于±0.5％的電磁流量計，該直管段的長度至少應為15倍管徑。流量計應按生產廠商說明書要求安裝并且定期標定校正。

2、另外，因電磁流量傳感器價格較高，通常也可采用在每的臺機組蒸發器兩端設置壓差傳感器，根據機組的壓降與流量的關系，計算蒸發器實際流量。該壓差傳感器的靈敏度不應低于±0.1％，準確度不應低于±0.2％，壓差傳感器與其變送器應按生廠商說明書要求定期標定校正。此時，需要冷水機組生產廠家提供其蒸發器流量與水壓降的關系曲線，并對水系統采取嚴格的水質控制與過濾措施。

隨著國家大力提倡建設節約型社會和低碳經濟，節能降耗將作為衡量一項工程的重要指標。空調冷水一次泵變流量系統既節省機房面積和降低初投資，同時又減少了水泵的電力需求與全年運行能耗，具有較大的節能潛力，發展前景十分看好。但是，由于其在設備選用上的更高要求和控制技術上的復雜性，使得在設計中采用空調冷水一次泵變流量系統時應根據工程特性進行分析，選用合理的設計形式，合適的設備和控制策略，才能圓滿地完成設計工作，使其達到真正節能的目的。