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浅析冷水机组的冰水环路形式
王南 057186796150
杭州娃哈哈集团公司设备工程部 下沙经济技术开发区14#大街 310018
摘要：本文详细叙述目前各种冷水机组的冰水环路形式，并且对每一种形式进行评价，给设计师提供一些设计时的思维方式。
关键词：冷水机组 环路 布局
冷水机组的配置包含了水系统的设计，一个良好的水系统能够使系统发挥优越的性能，而一个糟糕的配置不但使得系统性能低下，而且影响冷水机组的使用性能。
一．单机组系统
基本的单机组系统见图1.这是提供给冷却盘管的单泵系统。
对于小系统, 这种配置造价最低。

图1 定流量、单机组形式

这种格局的基本缺点是:
对于单个压缩机系统的任意元件（压缩机、泵、或者冷凝器）出现故障都将导致无冷可用，这对于大多数设备来说都是无法接受的，而多机组系统即使一台机组坏了至少有一些冷源可以使用（50%或者更多） 在一些用冷要求严格的地区（计算机房、医院、实验室、医药厂、纺织厂等等）, 经常采用多机组系统，并且至少有一台备用机，在这种情况，甚至一台机组坏了，100%的设计负荷仍旧被满足。
一旦一台螺杆式的机组的负荷降低到该机组容量的30%，机组的效率开始衰减，多机组系统可以允许一个最佳的全局能量-负荷的比率来增进系统运行效率。
二、多机组系统

图2：串联机组形式
当希望采用多机组系统时候，可以采用两种基本配置：并联和串联。两台机组串联形式见图2, 每一台机组选择在全系统流量下用来产生一半的冷量， 这样总设计量的一半由每一台机组产生。负荷比率有可能不是50/50，但是50/50是最通用情况，因为在较小的温差时候控制会产生一些问题。
表1概括了图2这种配置在不同负荷条件下的温度：
表1.串联机组温度

温度 全负荷 75%负荷 50%负荷 25%负荷

TS 44 44 44 44

TR 56 53 50 47

T1 50 50 50 47

串联机组很少采用，因为这种配置一直需要恒定的冰水流量，水泵运行成本较高，但是如果需要相对较大的温差或有非常稳定的负荷，串联配置还是有优点的。
并联机组配置更加普遍。两台机组的配置情况，每一台机组通常选择运行在相同的范围，但是处理的水流量是系统流量的一半。这样导致了50/50 的负荷分割，但是由于运行的需要也可以选择其他的负荷比率。
三、单泵并联机组系统

图3 ：单泵并联冷水机组形式
单泵（或泵组）的并联冷水机组形式如图3所示。
这个系统的性能和温度条件总结在表2
表2:并联系统的流量和温度

1#冷水机组 2#冷水机组
%负荷 TR 流量（%） T1 流量（%） T2 TS

100 56 50 44 50 44 44
75 53 50 44 50 44 44
50 50/56 50 44 50 56a 50
25 50 50 44 50 50a 47

a 2#冷水机组关闭。

这个系统有一个固有的内在问题， 如果两台机组都运行在总负荷范围(15–100% 的尖峰能力)，一旦系统负荷下降到30% 每一台机组的效率就会相当低。这时大多数的设计者会采用某种控制手段去关掉一台机组。当系统总负荷下降到50%以下，用回水温度去判断系统的负荷。然而，这种管道安排，如果一台机组未运行，从运行的机组和不运行的机组的出水混合在一起，肯定提高了系统的供水温度，在多数情况下这不是问题。但是通常大建筑的内区或多或少需要制冷而周边区域一点也不需要冷却时候，抬高的冰水温度并不能满足内区的舒适度。为了避免单泵系统的供水问题，一些设计师采用图4所示的隔离阀。

图4：单泵带关断阀的并联冷水机组形式。
这种配置，当机组停机时，机组的阀门会关闭。这会导致通过运行机组的水流量的增加，但不会产生混流问题，见表3的描述。
表3：单泵带隔离阀的流量和温度关系

1#冷水机组 2#冷水机组
%负荷 TR 流量（%） T1 流量（%） T2 TS

100 56 50 44 50 44 44
75 53 50 44 50 44 44
50 50/53 50/67 47 50/0 N/Aa 47
25 47 67 44 0 N/Aa 44

a 2#冷水机组关闭。
四、多泵并联机组系统
为确保不发生混流现象，如图5的多泵并联系统被采用。

图5：多泵并联冷水机组形式。
这个系统，每一台机组都有对应的单独水泵。当机组不运行，泵关闭，通过不运行机组的流量是0，没有混流问题。
表4总结了在各种负荷条件下这种配置的性能和温度条件
表4：多泵并联冷水机组的流量和温度

1#冷水机组 2#冷水机组
%负荷 TR 流量（%） T1 流量（%） T2 TS

100 56 50 44 50 44 44
75 53 50 44 50 44 44
50 50 50 44 50/0 N/Aa 44
25 47 50 44 0 N/Aa 44

a 2#冷水机组关闭。
五、一二次并联机组系统
前面讨论的所有形式本质上都是定流量系统，适用于冷却盘管配置三通阀的情况。定流量系统无论系统负荷多大，循环流量总是恒定的，这样水泵能耗会比较高。
为降低能耗，普遍采用图6描述的一二次泵变流量系统。

图6：一二次泵变流量并联冷水机组形式
在这里，两台机组的产冷环路和分配环路通过过桥管道进行水力隔断。过桥是很短的一部分管道，两个环路共同分享，并且压降很小，或几乎没有压降。这样任何环路的流量都不相互影响。在一次环路或产冷环路侧，系统可以用多台泵并联机组的安装形式，如图描述的那样。当机组逐台开启或关闭，对应的泵也启动或停止，在这个环路上流量分级变化。
在二次系统（分配系统）冷盘管使用两通控制阀，泵按照加入的冷负荷量进行变频调节。这个环路是变流量的，而不是常流量。在任何的负荷情况下， 只要一次环路的流量等于或者超过二次环路的流量值，供水温度就是机组的出水温度。
表5 总结了这种配置在不同的负荷条件下的运行性能和温度条件
表5：一二次泵系统的流量和温度关系

1#冷水机组 2#冷水机组
%负荷 TR %Schw %Pchw TR 流量（%） T1 流量（%） T2 TS

100 56 100 100 56 50 44 50 44 44
75 56 75 100 53 50 44 50 44 44
50 56 50 50 56 50 44 50/0 N/Aa 44
25 56 25 50 53 50 44 0 N/Aa 44

a 2#冷水机组关闭。
%Schw 代表二次冰水流量百分比，%Pchw 代表通过冷水机组总水量百分比。
六、一次泵变流量的并联机组系统
早在1990年, 螺杆冷水机组广泛采用了数字控制技术，这代表了在控制上的显著的进步，而使得如图7所示的一次泵变流量系统得以应用。

图7：一次泵变流量并联冷水机组形式
由于通过机组的流量随着负荷的变化而变化，因此会节约更多的水泵能耗（大约15–20%)。在当通过冷水机组的流量下降到额定流量的30%时候，打开旁通阀维持机组最小流量。这个系统有特定的运行限制，因为迅速变化的流量和负荷将导致机组供水温度的波动。对水温要求不高的场合，可以选择这种方式。
该系统有一些基本的准则：
1.流过每台机组的管内流速必须维持在3–11 fps，因此每一台机组需要配置高质量的流量计并定期校验。
2. 如果通过机组的流量变化太快，机组的控制将无法保持，因此负荷的变化必须限制不超过每分钟30%。
关于一次泵变流量系统的一种误解是机组在这种系统中运行的效率。
蒸发器变流量而维持LMTD恒定，由于流量降低，传热的对流效率下降，整体热传递的效率降低了。
定流量通过蒸发器，LMTD由于进入水温下降而下降，但是对流换热系数由于恒定流量而保持。
因此变流量系统和常流量系统压缩机的功耗在本质上是同样的。
另外一种误解是这个系统的成本。常有文献指出一次泵变流量系统比一二次泵系统更省钱，因为一套泵被省掉了。然而，高质量流量计的成本（为了确保合理的安装和精确的读数所附加的管道），旁通流量控制阀，更加复杂的控制系统通常补偿了泵节约的成本。
对于大流量和分配管道较长的大系统，这种系统在泵的节能很明显，但是系统更加复杂，运行有更多的限制。
因此对于大多数系统，简单的一二次泵系统仍旧是多台机组的推荐选择。而对于大流量系统，需要对一次泵变流量系统进行精细的评估后来决定是否采用。

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