再谈一二次系统在中央空调系统中的应用.doc

再谈一次/二次系统在中央空调系统中的应用意大利卡莱菲公司北京办事处 舒雪松在前几期“卡莱菲”专题里，我们已就一次/二次系统的由来、原理以及应用方式做了介绍。在本章节里面我们将进一步介绍中央空调系统中的一次/二次系统与缓冲罐、动态流量平衡阀、并联机组之间的相互关联及调节方式。一、 缓冲罐作为水力分压器的方式在空调循环系统中，缓冲罐能有助于提供有效的水容积，以满足任何季节下系统运行所必需的水量。缓冲罐在系统中有两种安装方式：1、 作为水力分压器的方式：用于形成一次/二次系统。2、 直接安装在一次系统的供水或回水管路上。前面我们已经讲到，要把一个系统分为一次/二次系统，必须有一个水力分压的装置。图1是一个典型的缓冲罐作为一次/二次系统水力分压器的应用图示。图1中缓冲罐作为水力均压器使用时，为了保证在一次/二次流量变化的情况下可以正常地合流/分流，需要注意以下几点：（a） 缓冲罐的高度为直径的2.5倍以上。（b） 一次/二次系统的接口应是水平而不是交叉连接，即：一次系统的供水端对应二次系统的供水端，二次系统的回水端对应一次系统的回水端。（c） 一次系统的水泵在一次系统的回水侧，二次系统的水泵在二次系统的供水侧。（d） 在夏季制冷运行状态下，供水端（一次及二次系统）都应在下面，因为冷水的密度更大易于下沉到底部。（e） 在冬季采暖运行状态下，供水端则应该在水力分压器的上面，回水端在下面，如图2所示。（f） 在冬/夏转换的热泵系统中，最好能设计一次/二次系统的接口转向。如果接口不易做转向，则应该取图1的夏季运行方式为优先。因为在冬季采暖状况下，由于分层水温的差值对于供暖造成的影响并不大。而在夏季运行状态下，即便是1的温差也会起到负面的效果，影响到末端的制冷/除湿能力。在没有条件安装竖式的缓冲罐时，可以采用图3的横式缓冲罐安装方式。缓冲罐与集分水器C2的连接管道流速不能高于0.4米/每秒。这种系统适合于热泵系统，因为它相对于前面的系统，减少了换季后的分层水温差值问题。图1需要避免的是一次/二次系统选用相同的水泵。在这种情况下，一次/二次流量相等，水力分压器内部流量为零，也就是没有水流在缓冲罐内循环。这样，缓冲罐内储存的水量不能起到防止系统滞后的作用。图2二、 缓冲罐安装在供水/回水管道上的方式图3缓冲罐可以安装在供水或者回水管道上。这时，系统还需要一个水力分压器来实现一次/二次系统。如图4、5标示，缓冲罐分别安装在一次/二次系统的一次供水或回水端。将缓冲罐安装在供水或回水上无太大区别。对于两种方式均有不同的支持者。支持缓冲罐放在供水侧的有两个说法：一，在二次系统负荷超过一次系统时，或者是在冷水机组停止运行时，缓冲罐能保证系统正常的运行。这种说法未免天真：因为要起到以上功能，尤其是在冰水或冰蓄冷系统中（制冷时），需要的储水箱远远大于起到缓冲作用的缓冲罐。这种情况下通常用类似于消防水箱的储水设备进行冰蓄冷，解决用电高峰时期的制冷问题。而缓冲罐如果运用在这种方式下，其能够起到的制冷作用也仅几分钟而已。二，在空气型冷水热泵机组的除霜状态时，缓冲罐在供水侧的使用能优化系统。在机组进行除霜时，缓冲罐用其储存的水提供正确的供水温度。如果这个说法成立的话，那不可避免的是，缓冲罐里的水温也会逐渐改变，会被除霜的冷却温度降低。它只是把降温的问题延迟了一些而已。支持将缓冲罐放在回水侧的说法同样是对于除霜状态，他们认为，缓冲罐更高的水温回到冷水机组里更易于除霜这个复杂的环节，而且，在供暖刚开始时，经过未端的回水还没有完全冷却下来。图5图4两种方式都有其道理和值得借鉴的地方。三、 冷水机组与末端在同一个循环系统里的探讨把冷水机组与末端同时放在一个循环系统内，即：同一个（或同一组）水泵既负责冷水机组也负责末端的循环。这种方式有很多潜在的问题，以下我们将来研究这些问题以及提供一些为已经运行的此类系统的解决方案。图6是一个典型的单循环系统，它可能是由一个水泵负责整个系统的循环，或者由2台泵分别安装在两个并联的冷水机组前面。在本图这种情况中，两台水泵都必须始终运行。一旦一个水泵停机，运行中的蒸发器会因为瞬时流量的变化受到损坏。因此需要采取必要的措施以防此类故障发生。图6在末端设备开关时系统流量会发生变化。因此在使用三通调节阀的旁通回路上需要安装平衡阀用于补偿末端关闭时相应的压力损失。如果旁通回路流量平衡不佳，冷水机组的流量则会经常变化，因此会造成其工作不正常。保证冷水机组正常流量的解决方案是在每台机组水泵的吸入端安装动态流量平衡阀。这样，流经每台冷水机组的流量都与设定流量相符。在末端设备使用二通调节阀的变流量系统内，如图7所示，则需要在供回水主管之间安装压差调节器，用于控制冷水机组供回水的压差始终稳定。图 7压差调节器（以下简称VS）控制AA1点之间的压差，保证冷水机组的流量恒定。当末端的两通阀关闭时，A与A1点之间的压差上升，VS打开，将冷水机组的供水旁通回到冷水机组。如果没有压差调节器，经过冷水机组的流量就会随末端的开关而改变。在这种图示里，同样需要避免的是一台冷水机组关闭及其相应的水泵停机。它的问题在于，水泵和压差调节器的开关速度不一致：水泵停机是瞬时的，而压差调节器的开关时间较长，通常从30秒到2分钟。我们将从图8中更深入了解这一问题。当两台水泵都开启时，压差调节器处于x%的开启程度（取决于末端两通阀的状态），这时系统的工作点为A2点（两台水泵运行的扬程曲线与机组水流特征曲线的交叉点）。这是系统的设计工作点。单台机组与单台水泵的工作点为A1。当一台机组和水泵关闭后，系统特征马上产生变化。VS的开度在这时仍为x%，而系统的一部分流量，即关闭的机组和水泵那部分没有了。这时工作点会从A2转到B1，这时，单台运行的机组流量达到140%，VS感应到压差的变化，才开始逐渐关闭，开度由x%转变到y%，将流量向A1点恢复，但是这需要30秒到2分钟的时间；然而水泵停机的效应是即时的，因此从A2工作点到设计的单台机组工作点A1，需要经过流量过载的B1点。图8单机运行，VS开度x%双机运行，VS开度y%单机运行，VS开度y%扬程双机运行，VS开度x%双台水泵曲线单台水泵曲线流量更严重的问题是，但机组和水泵重新启动时，系统的特征又会发生变化。当水泵启动时，VS开度仍然为y%，它与两台水泵同时工作的扬程曲线交叉点为C2。由于VS开度仍为y%，因此流量上升有限，所以在瞬时开启时，正在A1点工作的单台机组转入C1点工作，流量由100%下降到55%。这种流量的下降对于机组的正常运行非常有害，因为它会造成部分液体回流到压缩机。VS感应压差变化后，才逐渐从y%的开度改变到x%的开度，因此从C2点转移到A2点工作，对于每台机组则是从C1回到A1工作点。但是这个过程较为缓慢。这种状况的往返出现会迅速地造成机组压缩机损坏，甚至在过流时造成蒸发器的损坏。四、 冷水机组循环与末端循环系统的水力分压方式将冷水机组的循环与末端的循环相对独立起来，其最重要的部分就是一次/二次系统的桥梁：水力分压器。图9-11分别表示了水力分压器在一次/二次流量变化时的均压工作状态。图 9 一次=二次流量 图 10 一次二次流量 图 11 一次二次流量它相对于传统的循环空调系统，即上面所讲到的系统，有以下的优点：1，一次系统，即机组循环系统流量恒定，不受末端流量变化的影响。2，由于二次系统有其各自环路的循环泵，因此一次循环系统的水泵只用提供水力分压器之前的一次循环的扬程，这样，一个功率较小的水泵就可以，因此能节省很大的能耗。同样, 相对于二次系统的循环也是一个道理。3， 传统的系统中，一味地依靠手动或者自动流量平衡阀进行流量的调节，不仅增大系统的初投资，而且更加增大了水泵的能耗，因为平衡阀制造更大的压力损失用于平衡关闭的环路。4，多种制冷方式的选择：随着地板制冷、结构制冷等新型制冷方式的使用，系统要求的水温不再是单一的水温：比如地板制冷系统的供水温度在14-18左右，而不是传统的风机盘管的7；同样对于空气处理机组的供水温度要求也更高一些。这些不同的供水温度需要相应的温度混合系统，而每个混合系统都必须配备自身循环泵。在传统的系统中则很难实现多种并存的制冷方式。图12是一个典型的多种制冷方式并存的一次/二次系统：在每个水力分压器的回水端使用了动态流量平衡阀用于平衡每个区域的流量；在每个区域内部有2-3种不同的水温以满足不同的制冷需求。图12 多种制冷方式并存的一次/二次系统五、 并联机组在一次/二次系统中的调节方式 在一次/二次系统中，对于并联的冷水机组有以下两种调节方式：1、 对称式调节（方式1）：两台并联的机组按相同负荷调节。2、 饱和状态调节（方式2）：先调节一台机组的负荷直到其完全停机，然后再调节第二台机组的负荷。接下来我们就简称其为方式1和方式2。这两种方式的本质区别在于温度的变化情况。其原理图都一样，一次系统的两台机组并联安装，每台机组自带水泵，一次/二次系统通过水力分压器分开，二次系统具备自己的循环泵。首先我们来分析一次流量等于二次流量的情况，即二次系统水泵P2的流量等于一次系统水泵P1A和P1B的流量总和。这种情况下，水力分压器内部流量为零。在系统100%负荷运行时，二次系统温差为设计的5，这与机组系统的温差相等。这时两种调节方式是一样的。这两种方式的区别开始于系统负荷减小时，如图13中所示，当负荷减少到75%时，由于负荷减少，系统温差也相应减少1/4（从5减到3.7），一次系统及二次系统的流量在两种调节方式下均没有改变，水力分压器内部流量仍然为零。因此机组的回水温度与系统回水温度相等，均为10.7。调节方式1将两台机组的运行负荷降到75%，根据每台机组的特征及出水温度相同的设定（7），整个系统的效率与单个机组部份负荷运行的效率相等。调节方式2中的一台机组按100%的负荷运行，出水温度为5.7（5的温差），另一台机组则按50%的负荷运行，出水温度为8.2（2.5的温差）；两台机组的出水平均温度，即二次系统供水温度仍然相当于设定的7。第一台机组提供67%的冷量，第二台机组提供33%的冷量，因此整个系统的效率大致等于每台机组EER的平均值（系统的EER等于第一台机组的EER的0.67倍，加上第二台机组的EER的0.33倍）。两种方式的区别在系统负荷减少到50%时更为显著，如图14所示。系统的温差也在这时相应地从5减到了2.5，系统回水温度变为9.5。调节方式1将两台运行中的机组负荷下降到50%。一次系统流量仍然等于二交系统流量，水力分压器中流量为零，系统回水温度与机组回水温度相同，均为9.5，出水温度7。系统整个的效率与单台机组的运行效率相等。水力分压器流量为零水力分压器流量为零水力分压器流量为零方式1方式2方式1图13水力分压器内部二次回与一次供合流方式2图14调节方式2则不一样，一台机组这时完全停机，P1b水泵也相应停机，第二台机组仍按100%的负荷运行。这时，二次系统流量大于一次系统流量（准确说是2倍）。这时水力分压器内部出现合流，即一部份系统回水与机组供水混合供应到系统。当二次流量大于一次流量时，系统的回水温度等于机组回水温度9.5，因为机组全负荷运行，所以供水温度为4.5，温差为5，由于二次回水与机组供水在水力分压器内部混合，所以系统供水温度仍然可以维持在设定温度7。系统的整个效率与运行中机组的效率相等。这儿需要强调的是，在机组2停机时，即使打开水泵P1b也无任何区别。因为系统供水的温度在水力分压器内部得到了混合。因此开启水泵P1b只是无谓的耗能。在系统负荷下降到25%的情况下，温差由设计的5下降到1.2，回水温度变为8.2。调节方式1下，两台机组的负荷下降到25%，一次流量仍然等于二次流量，系统回水温度等于8.2，出水温度7。整个系统的效率与每台机组部份负荷运行效率相等。调节方式2下，一台机组停机，另一台以50%的负荷工作。这时，二次流量大于一次流量（双倍），机组回水温度与二次系统回水温度相等，为8.2，出水温度为5.7（温差为5的50%即2.5）。在水力分压器内部，一次供水与二次回水相混合分为设定的7，系统整个的效率与单台运行的效率相等。综上所述，调节方式1和之间的本质区别在于：1、 方式2注重机组全负荷运行，方式1注重部份负荷运行。2、 方式2更节省水泵电耗，因为它将停运机组的水泵关闭。3、 但是方式2由于将负荷降低，出水温度低于方式1，所以效率更低。方式1和方式2有各自的特点，它主要视其后面一次/二次系统而定，所以对于哪种方式更为合理并无明确的界定。六、一次/二次系统中并联机组的监控系统重要性这儿我们将重点强调一下调节方式1和2的监控系统。调节方式1对于监控系统无特殊的要求。因为每台机组的出水温度均为设定值，所以只需对出水温度进行检测，其它的微处理器做相应调节就可以。唯一需要指出的是，鉴于不同的温度传感器读值偏差，因此建议在水力分压器进水端设置一个温度传感器进行控制。调节方式2对于监控系统则有更严格的要求：因为每台机组的出水温度根据其运行机组的数量变化而改变。为了更好说明这个问题，我们参考图16。当一台机组关闭时，另一台需要出水温度4.5，这种情况下，则需要进行调节，要不运行的机组仍按设定的7出水机组负荷则会降低，会造成提供系统冷量不够。这种调节必需有一套监控系统，而不能使用通常的外部温控器来开停机组，因为它们会带来致命的错误。常犯的错误就是将温控器安装在回水管道上，当回水温度低于一个设定值，比如9.5时，就停止一台机组，因为其逻辑是，温差为设定值5的一半，因此相当于负荷减到50%。致命的错误：运行中的机组将出水温度维持在7，而在9.5回水时它有可能已经部份负荷运行。系统要求50%负荷，而这时机组却只能提供25%的负荷，因为一台机组关机，另外一台按50%负荷运行。由于二次流量大于一次流量，部份回水与供水相混合，因此系统供水温度提高，会造成系统的制冷，除湿能力不能达到设计要求。因此对于调节方式2必须有完整的监控系统。七、总结一次/二次系统在供暖和制冷系统上的运用在欧美国家已经较为普及。在中国，随着独立分户式采暖/空调更多的运用，用户对于舒适、节能和人性化更高的要求，传统的设计方式不再能够满足用户的需求，系统水力特征的创新设计是势在必行的了。参考资料：Michele Vio: Gruppi frigoriferi in parallelo, Michele Vio: Circuiti Idraulici primary e secondari