暖通设计 | 冷冻、冷却水泵系统知识分享

冷却、冷冻控制系统概述：

在众多制冷设备中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是按照最大设计热负载 (即最高气温时)选定的，且留有10%左右的余量。在一年四季中，水泵系统长期在固定的最大水流量下工作。由于季节、昼夜的温度变化及用户负荷的变化，设备实际的热负载在绝大部分时间内远比设计负载低。由图1可见，与决定水泵流量和压力的最大设计负载(负载率为100%)相比，一年中负载率在50%以下的运行小时数约占全部运行时间的50%以上。一般冷冻水设计温差为6-8℃，冷却水的设计温差5-7℃最为理想，而事实上在全年绝大部分运行时间里，冷冻水、冷却水的温差仅为2-4℃、即水泵系统长期在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失、浪费了水泵运行的输送能量。

因此，采用节能控制系统，可使水泵的转速随室内温度的变化而自动调整转速 (或自动停止、启动水泵)水泵全年平均节能率保证达到40%以上。

对于水泵来说，流量 Q与转速N成正比，温差ΔT与转速N成反比，杨程H与转速N的二次方成正比，而轴功率P与转速N的三次方成正比，下表告诉我们上述几量的变化关系：

显然，变流量控制系统的节能效果是十分突出的，请见下面的比较曲线：

方案设计：

1.对于冷冻水泵组 (管道并联)，安装1套相应功率的节能控制系统，采用一拖N的办法在多台冷冻水泵之间切换(视具体使用现场而定)。并且有自动和手动进行切换。

2.对于冷却水泵组 (管道并联)，安装1套相应功率的节能控制系统，采用一拖N的办法在多台冷冻水泵之间切换(视具体使用现场而定)。并且有自动和手动进行切换。

3.对冷冻泵及冷却泵组采用微电脑恒压供水控制系统，使水泵根据外界温度的变化及用户使用空调的状况，在不影响冷气效果的前提下实现对工频运行水泵“自动停止、自动启动”控制，最大限度地提高节能效果有效地降低值班人员的工作强度。

控制方案：

A.对于冷冻水系统，低温冷冻水 (出水)的温度由制冷主机控制(7℃左右)，一般来说，我们只需控制高温冷冻水(回水)的温度，即可控制冷冻水的温差。但是，对于一些用冷量变化较大的系统，尽管制冷主机对低温冷冻水(出水)有调节作用，但其温度仍有较大的波动。为此，我们采用两个温度变送器、一个PID温差调节器和一台变频器组成温差闭环控制系统，对冷冻水的出水、回水的温度进行控制，使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。

B.对于冷却水系统，由于其高温冷却水 (出水)和低温冷却水(回水)的温度变化较大，为保证工艺需求，我们只能采用温差控制方式，即采用两个温度变送器、一个PID温差调节器和一台变频器组成闭环控制系统，对冷却水进行温差控制，使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。

系统主要特点：

1.变频器闭环控制电机，按工艺要求设定时、出水温差，电机输出功率随热负载的变化而变化，在满足使用要求的前提下达到最大限度的节能。

2.由于降速运行和软启动，减少了振动、噪声和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，并减少了对电网冲击。

3.先进的设置和监控及调节功能改善了系统运行特性使系统使用方便。

4.系统具有各种保护措施，使系统的运转率和安全可靠性大大提高。

5.系统具有故障报警及自动切换功能(即变频器故障时自动切换到原工频系统运行)保证了运行的可靠性。

关于冷冻水泵末端的压力问题：

冷冻水泵降低转速运行，人们担心会不会影响末端压力不足，导致缺水现象。实际上，由于转速虽然会使水泵供水压力降低，然而管道特性的压力损失也会随流量的减少而减少，即需要的压力也会减少，供水压力与转速的二次方成正比例降低，需要压力(管道损失)则与流量的二次方成正比减少，二者可以相互补偿。另外，由于冷冻水系统是一个闭环的水系统，瓷瓶流动提供动力，即水泵转速下降对冷冻水系统的正常工作没有影响，这与普通的供水系统有所区别。许多单位的实践也证明了这一点。

循环水泵控制系统的节能：

循环水泵在供暖、空调等系统中处于心脏位置，为系统运行提供动力，因此是极为重要的。然而，在众多运行着的循环水泵中，由于各种原因，这个"心脏"并不能发挥应有的作用，应当改善这些水泵，使之为业主节省电费、为国家节约能源。

循环水泵的当前现状：

1.小区、楼宇、厂房的供暖、空调负荷，会随着外界的气象条件而变化，如果采用流量调节的方法，就要求循环水泵的流量能容易调节和控制。尤其是现代化的热网和智能建筑与智能小区，对这一方面的要求是迫切的。

在一般供热、空调系统中，用户侧采用二通阀调节流量，当总管上流量减小时，压差控制阀就会旁通掉多余的流量，多余的压头消耗在阀门节流上。但是，泵的流量没有发生变化，能量没有节约。

2.旧有的系统，由于选型不合理，或系统实际供热、供冷面积发生变化，造成水泵运行压力和流量远离额定工况，产生诸如水泵电机超电流，“大马拉小车”等情况。

当水泵实际工作点由于选择不当或热网阻力减小时，水泵工作点向右移动，如下图水泵与热网特性曲线分析图2所示：

由图可见，当循环水泵与管路特性曲线不相匹配时，如果仍采用原水泵并不加节流时，工作点将会超过水泵最大流量，长期运行会烧毁电机。为了不烧毁电机，就必须采用阀门节流，水泵工作点将从C点移到A点，这样大量电能消耗在阀门节流上。由于阀门开得过小，会有大量管网资用压头浪费在阀门上，阀后压头减少，远端用户水量不足，造成严重的水力失调。

当选择水泵流量、扬程过大造成“大马拉小车”时，在这种情况下，如果不采用节流，就会使系统流量过大，造成大流量、小温差的运行方式，这显然是不经济的。如果采用节流，使流量达到实际所需要的，浪费在阀门上的能量一定会很大，而且阀门老是工作在节流状态下，对阀门不利（因为一般水泵出口阀门是起关断作用的，不适合节流）。对水泵而言，一般这种情况下，水泵会偏离最佳效率点，容易损坏。

3.分期建设的热网或房地产项目中，供热、空调面积加大后，流量也要加大，此时如果按照一期完成的负荷选择循环水泵，二期完成后，就得重新换泵；如果按照二期完成后的负荷选择循环水泵，一期到二期这段时间内就会浪费很多能量，而且系统运行状况不佳。

循环水泵的各种技术对策比较：

针对以上三种情况，人们有各种各样的解决方案，下面只对水泵超电流这种情况比较以下各种方案的优劣。

各种解决方案技术比较表：

注：

1，阀门节流指上文提到的使电动机不烧毁而关小水泵出口阀门方案；
2，并联运行指设置两台一用一备的水泵，现在一同运行，不设备用；
3，系统安全性是指水泵、阀门是否易于损坏，系统备用是否得当；
4，对电力负荷的影响是指水泵启动安全性，是否需要增容。

变频技术节能分析：

对循环水泵进行变频控制有两种策略，一种为“定压变流量”，另一种为“变压变流量”；“定压变流量”的控制方式就是通过变频器恒定循环水泵的进出口压差或最不利热用户的资用压差，来实现循环水泵的变流量运行。由下图可以看到，如果不采用阀门节流的措施，是无法按照系统实际需要进行调整的。如果采用“变压变流量”，根本无须调节阀门，是最方便和最节能的方式。

下图为采用变频后的节能比较效果图，A为采用阀门节流后的水泵工作状态点，B为采用定压变流量控制方式水泵工作状态点，C为采用变压变流量控制方式水泵工作状态点，O为零点。由图可见，采用变压变流量，由于功率和流量是三次方的关系，当流量下降为额定流量的80%时，功率下降为原功率的51.2%，当流量下降为原来的50%时，功率只有原来的12.5%。节能效果不仅大大超过了阀门节流的方法，也远胜于“定压变流量”。大量统计结果表明，采用变频后，每年节约电量可达30～60%，两年内即可回收全部投资于变频装置的成本。

下图是按月份计算的节能比较效果图。很明显：循环水泵采用"变压变流量"的控制方式是最节能的。

循环水泵设置的两种形式：

对于换热器来说，在运行期间，换热器对循环流量大小并无严格限制。因此，循环水泵的设置一般如图所示，换热站循环泵与热用户循环泵合二为一。这种情况也适用于采用吸收式冷热水机组，吸收式冷水机组的负荷调节可以在10～100%内无极调节；冷水流量可在50～100%内无极调节，如果采用两台机组即可在25～100%内进行调节。

对于锅炉来说，锅炉循环流量一般不应小于额定流量的70%，当循环流量过小时，会引起锅炉浸水管水量分配不均，出现热偏差，导致锅炉爆管等事故；同时由于回水温度过低，造成锅炉尾部腐蚀。因此常采用双级泵系统。

对于压缩式冷水机组，流经蒸发器的流量低于其额定流量时，冷水温度会很低，甚至结冰，造成喘振，可能引起机器停车，造成冷量波动。所以，压缩式冷水机组也得采用双级泵系统。冷热源侧循环泵一般采用定流量运行，负荷侧泵采用变流量运行，以适应负荷的变化。

控制策略：

对于流量-扬程曲线比较平缓循环水泵，采用压差控制比较困难，可以采用流量控制，就是时时采集泵出口流量的数值，将其与当时外温条件下为保证室温所需要的流量比较，进而通过变频控制水泵流量，实现系统的变流量运行。

不论供热/空调系统是采用质调节、量调节，还是质量并调的调节方式，系统供回水温度在室内温度要求恒定、室外温度已知的情况下，都是系统循环流量的单值函数，这样，时时采集系统回水温度或分集水器的压差，并反馈至变频器中，与系统在当时外温条件下计算出的回水温度或压差进行比较，指导变频器控制循环水泵的运行频率。

对于不同的供热/空调系统，是采用压差控制、流量控制还是温度控制，应当综合考虑水泵流量特性、系统调节方式，各种系统参数变送器的取得难易与否来确定。

套控制策略实现于变频控制柜中非常容易，并可以通过一定的通讯方式与上位机联系，实现集散式控制。

空调冷冻水泵变频控制方式分析与比较：

变频冷冻水泵闭环控制方式主要有压力或压差控制、温度或温差控制、流量控制及在以上控制方式的基础上形成的综合控制等。

1.压力或压差控制

这是一种最常见的控制方式，其闭环控制方框图如图1所示。主要由压力或压差传感器、变频控制器(有的是由PLC或DDC等控制器来控制变频器)、冷冻水泵及其管路等组成，它要求空调系统中空气处理末端装置的冷冻水管路上必须设置能随负荷变化而调节流量的二通阀，如电动阀、电磁阀等，空调冷冻水系统示意图见图2。

在这种控制方式中，采用冷冻水系统中某处(通常是离泵最远的空调用户端或冷冻水供、回水总管处)的压差△P作为变频控制器的采样输入信号。当空调负荷改变时，由于相应管路上阀门开度的自动变化而引起管路上压差的改变，控制器检测到这一变化后(通过与其设定值比较)，按照预先设定的控制算法计算出偏差，并产生输出信号控制冷冻水泵电机的运转频率或转速，从而通过改变冷冻水泵的流量和扬程等来适应空调负荷的变化。由于采用的是冷冻水环路中的压力(压差)信号，受环境温湿度干扰的影响较小。反应较快、较灵敏，一旦系统中某处压力产生变化时，系统能及时感知并采取控制动作。系统中任何地方的负荷变化都能在压力或压差检测点得到反映(由于静压传递的关系)，由于该压力或压差与冷冻水系统的流程、流动阻力等有密切关系，可以比较准确地反映系统内部冷冻水流动的变化，甚至是空调用户数量与位置的变化。但对于除湿要求较高的空调系统，如果不注意对空调末端热交换器的温度进行合理设置，这种控制方式可能存在影响除湿效果的问题。

此外，当各支路正常运行所要求的压差各不相同，而靠唯一的定压差值控制时，则要求该定压差值能确保所有空调用户都能正常运行，否则，有可能出现部分用户空调效果差或失效的现象。

2.温度或温差控制

这种控制方式的闭环方框图如图3所示，主要由供水或回水温度传感器(或供、回水温差传感器)、变频控制器、冷冻水泵及其管路等组成。

它采用冷冻水供水或回水总管中的供水或回水温度，或供回水的温差作为控制器的采样输入信号，控制器将该输入信号与内部的设定值进行比较，得出需要的输出信号来控制冷冻水泵的转速，使冷冻水的流量满足空调负荷变化的要求。

这种控制方式的特点是，温度采样点离负荷变化点有一定的距离，冷冻水流动中易受环境温度等的干扰。同时，只有当冷冻水经过一个循环后，其温度变化才能反映出来，故控制的及时性较差。该方法虽能在一定程度上稳定系统总的供水或回水温度，但不能根据负荷变化准确地分配各用户所需要的冷冻水量并提供适当的水压。

当同样的负荷变化发生在不同楼层的用户端时(如分别在最高层或最低层)，仅从冷冻水的温度上是反映不出其中的差别的，但在系统最高层与最低层变负荷时对冷冻水泵的扬程的要求是不同的，因此采用这种控制方式有可能造成部分用户的供水不足或是达不到理想的节能效果。该控制系统中，由于冷冻水的流量与温度间不存在准确的对应关系，且缺少对管路系统实际所需压头(扬程)的检测，在控制的稳定性和可靠性方面不如压力控制方式。

从温度或温差控制的特点来看，这种方式比较适合于用户端不设调节阀或带有旁通管的冷冻水系统。对于采用二通阀尤其是采用温度调节阀而不设旁通管的系统，负荷减小时，由于空调末端的冷冻水进出水温差能基本上不变或变化很小(主要通过阀门开度来调节冷冻水流量，从而控制换热盘管的换热量，温差基本不变)，用其作为被控变量将很难获得好的控制效果。而对有旁通管的系统，当系统负荷变化时，在供回水总管压差控制下，旁通管上的旁通阀开度随之变化，旁通的温度较低的冷冻水与温度较高的用户端回水相混合，引起总的回水温度或供回水温差的变化，控制器根据这种变化发出指令调节泵的转速，以减小旁通流量来达到节能的目的。因此，采用温度或温差控制的空调冷冻水泵变频系统，要求所检测到的冷冻水温度或温差随负荷有较明显的变化。

3.流量控制

这种方式中，通过检测系统用户端实际冷冻水流量的大小来调节冷冻水泵提供的流量使之达到供需平衡。单从流量的角度而言，这种方法是可行的，但空调系统不但对冷冻水的流量有要求，而且对提供的水压即冷冻水泵的扬程有较为严格的要求，对于用户支路较多较复杂的系统，仅控制流量仍难以保证不同支路的压差的要求。因此，除了用于二级泵系统中恒速二次泵的台数控制外，这种方式用于变频泵控制的成功例子还鲜见报道。来自暖通南社为您编辑制作。

4.其它控制方式

这些控制方式主要有变设定压差值控制、根据管段流量分配的分段控制、检测水阀阀位或开度的控制等，前二者实际上分别是压差控制、压差与流量控制相结合的产物。

1）变设定压差值控制，它是在多个空调用户支路上设置压力或压差传感器等，通过DDC控制器不断检测冷冻水管路中的相关压力或压差，同时检测各支路上二通阀的开度或流量以判断负荷的分布，以此来控制变频泵的运行。目前这一方式在国内实际工程应用中还很少见到报道。其特点是传感器设置较多，控制过程较为复杂，维护保养工作任务较重，比较适合于各空调支路上压差各不相同(如有的要求为30kPa，有的要求为50kPa等)且需要精确控制的场合，否则就显得有些大材小用。实际工程中有无必要，应从可能的节能量、系统运行的稳定性、初投资及日后维护管理费用、管理人员的技术水平等方面与采用单一定压差控制方式相比较后，进行正确的决策。

2）按管段流量分配的分段控制，它是根据各管段的压力、流量分配特点，将最高、平均、最低流量时管网中最不利点工况用三个流量段的控制方程分别表示，在每个流量段内，利用PLC或DDC等控制器获取管路中的流量、压力信号，根据对应的控制方程对泵的变频调速进行控制。这一控制方式主要是针对水厂供水控制提出的，在目前的空调供水控制中还未见采用，但其控制策略在分区供水较复杂、负荷变化具有明显规律的空调系统中值得借鉴，可以提高控制的精细程度，比较有利于节能。但与其配套的控制系统部件增多，且要实测一些参数才能获得比较准确的控制方程，这对于一般的空调系统来说并无太大的必要。

3）检测水阀阀位或开度的控制，它是根据各支路上阀门的开度大小(或阀位)来达到调节冷冻水泵转速的目的。该系统同样需要配置PLC或DDC控制器，不断对阀门的开度或阀位进行采样，并需要对不同位置的阀门进行识别以满足不同的水压需要，控制规律较难确定、控制过程也相当复杂，其实际应用的例子也未见报道。

对于空调末端采用二通调节阀的冷冻水系统，采用压力或压差控制既可保证系统的稳定运行，又能获得一定的节能效果，且控制系统结构简单，操作管理都很方便，是一般空调冷冻水泵变频系统较为合适的控制方式；对于无调节阀的系统，采用温度或流量控制较为合适；如果对控制精度要求很高，可以考虑多种控制结合的方式，如流量分段控制、变设定压差值控制等。

值得注意的是，目前很多空调系统冷冻水泵变频采用的是一台变频器控制多台冷冻水泵(切换控制)，当一台定速泵与一台同型号变速泵并联工作时，相当于一大一小的两泵并联，变速泵可能难以充分发挥其应有的作用。因为这时定速泵与变速泵的流量分配量不同，即定速泵的流量总是大于变速泵的流量，且总流量越小，二者间的流量差别越大。有文献表明，当变速泵的转速降到其额定转速的30％～40％左右时，变频的节能效果已经体现不出来了。因此，在进行定速泵与变速泵的运行组合控制时，应对这一问题引起注意。

来源：网络

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