空调冷冻水运行原理

摘要：随着中央空调逐步的大范围使用，冷冻水系统进入了人们的研究范围，本文简单的介绍了冷冻水系统的工作原理、控制特点以及它们的优缺点，包括冷冻水一次泵系统、冷冻水二次泵系统、热回收系统和冷回收系统。

关键词：冷冻水系统 冷冻机组 一次泵 二次泵

随着空调技术的迅速发展，冷冻水系统技术的发展成为重点。而技术水平的提高和科技的进步，使得各种高科技产品诞生，越来越多的高科技产品对生产环境也提出很高的要求，空调和洁净技术满足了许多产品对生产环境的温湿度和洁净度的要求。但是能源的逐渐减少，要求我们不断寻求节能、能量回收利用和替代的办法，同样空调系统的能量供给方式也逐渐朝这方面发展，为了达到节能、高效，设备操作运行简单、方便的目的，出现了各种各样能源回收利用的产品和系统。本文中作者把冷冻水系统分为几大类加以分析。

冷冻水系统主要有冷水机组、一次冷冻水泵、冷却水泵、二次冷冻水泵、DCC水泵、膨胀水箱等组成。按水泵与冷冻主机的连接方式可以分为水泵与冷冻主机一对一应的系统和水泵与冷冻主机通过分集水器连接的系统。按能量回收方式可分为热回收系统、冷回收系统和冷热同时回收的系统。按冷冻水泵的级数可以分为：一次冷冻水泵系统和一二次冷冻水泵系统。

冷回收是冬季利用冷却塔来供给末端冷量。主要是通过系统设计来实现，设备本身没有区别，这类系统目前使用比较少。

冷热回收系统已经逐渐发展成为一种主流系统，很多冷冻主机厂商开始生产热回收冷冻主机，有的技术比较成熟，有的不太成熟，冷冻主机的热回收主要是将需要冷却塔带走的热量转成可以供给末端空调设备的热水或者供给其他热水系统。采用热回收冷冻主机的前提是用户端同时需要用到冷冻水和热水，而且热水温度比较低（一般为40~45度）。末端最大热水用量大于热回收冷冻主机提供的热水量，需要另外设置锅炉或其他热源，如果末端最大热水用量小于或者等于热回收冷冻主机提供的热量，可以设热水锅炉或其他热源备用，也可以考虑不设置备用热水系统，主要根据末端使用情况确定。热回收系统设计中，很多厂商会建议使用热回收冷冻主机时加一个热水储水箱，这样可以保证末端热水流量和温度比较稳定，因大部分热回收冷冻主机只能在单一的工况下运行，即或者是制冷工况或者是热回收工况，如果热水流量达不到热回收盘管需求的水量或者热水温度高于设计工况下的热水温度，冷冻主机会自动切换到制冷工况，这样末端的热水温度就不太稳定。但是特灵公司声称他们的热回收冷冻主机在热回收工况下可以冷凝器和热回收盘管同时工作，即末端设备用不掉的热量可以通过冷却塔带走，在这种情况下可以不用再设热水储水箱。总的来说，热回收系统可以废热利用，但是系统复杂。值得注意的是，在热回收工况下冷冻主机的制冷量可能稍微低于制冷工况下的制冷量。一次冷冻水泵系统的冷冻水侧只有一次泵，水泵采用定频泵，水泵流量根据冷冻主机的水量选择，水泵扬程负担整个冷冻水系统中所有管路沿程和局部阻力损失以及冷冻主机和末端设备的阻力损失。对于一次泵系统而言 ,当冷水机组采用变流量方案时 ,不可能像定流量运行那样保持供水温度不变来调节制冷量 ,因为由于变流量运行 ,其供水温度也是不断变化的 。对应于某一个冷量 ,是改变供水温度还是改变流量以及在变流量过程中供水温度如何变化才能适应需求 ,是此节要讨论的问题 。在冷水机组变流量运行时 ,其供水温度传感器不再起控制调节作用 ,它的主要用途是监测水温并通过设定水温的上 、下限对冷水机组起联锁保护作用 。以离心式冷水机组为例 ,通常设置供水温度低限保护 :当设定供水温度为 7 ℃时 ,其低限水温通常为4 ℃;当供水温度设定为 5 ℃时 ,其低限水温通常为 2 ℃。一旦供水温度降至低限温度时 ,冷水机组将会自动停机以防止机组内水流速较缓的区域结冰 ,这也就是冷水机组不能在很低的供水温度下运行的原因 (蓄冰系统除外) 。当然 ,除了低限水温保护外 ,冷水机组也还有其他的自动保护的功能 ,如 :油压或油压差过低 、电机线圈温度过高 、电机过载 、轴承温度过高 、冷水或冷却水断流 、冷凝压力和蒸发压力之差过低 (有些机组) 或冷凝压力过高或蒸发压力过低 、油温过高等。而在一二次泵系统中，一级泵主要负担冷冻主机的压力损失和它们之间管路的局部和沿程阻力损失，流量为冷冻主机的水量，二级泵负担末端设备的阻力损失和它们之间管路的沿程和局部阻力损失，流量和数量可以根据末端负荷情况来确定，其流量可以大于、等于或者小于冷冻主机的水量。一次泵冷冻水类系统构架简单，设计、运行管理、施工等都比较简单，初投资也小，但是无论末端负荷如何变化，水泵的流量和扬程基本保持不变，这样运行费用相对比较大。此类系统适用于小型的、末端负荷变化不大的冷冻水系统。相较于一次冷冻水泵系统，二次泵系统有其所没有的优点。虽然泵的数量增多，初投资增加，但是管路阻力损失有两台泵共同负担，所以扬程小，水泵的电机功率小，运行费用低。二级泵采用变频泵，随着末端负荷变化，泵的流量发生变化，电机功率也随着发生变化，其运行费用降低。不过系统比一次泵系统复杂，给设计、施工和运行管理造成一定的难度，一般适用于大型的工业企业的制冷系统。常见的空调二次泵水系统 (其二次泵采用变速控制方式) 及一次泵水系统通常水系统中冷水机组按定流量方式运行 。随着空调负荷的减少 ,负荷侧的需水量也减少 ,当冷水机组的运行台数不变时 ,超过用户侧需求部分的水量 ,在一次泵系统中 ,通过旁通调节阀从供水管流至回水管 ; 在二次泵系统中 ,则是通过调节次级泵的转速来满足负荷侧的需求 ,同时 ,初级泵总水量多出次级泵总水量部分由平衡管流回 。理论上说 ,如果把次级泵取消 ,将一次泵系统直接改为水泵变流量运行 ,肯定比二次泵系统更为节能 ,同时系统也会变得较为简单 ,这样做是否可行 ? 引发了许多同行的思索。

冷冻水泵和冷冻主机有两种不同的连接方式，一种是水泵与主机一对一的连接方式（“先串后并”），另一种是冷冻主机和水泵通过分集水器连接的方式（“先并后串”）。这两种方式在设计、施工、初投资、运行管理等方面基本一样，但是“先并后串”的连接方式有其独特的优缺点。其优点是：第一、水泵可以互为备用，不用另外设置备用水泵和连接管，系统相对简化；第二、由于有集水器和类似集水器的主管存在，冷冻主机入口的流速比较稳定。其缺点是，第一、此类系统的控制相当复杂，冷冻主机入口建议装控制阀，增加了系统的复杂程度和易损坏件的数量；第二、为了保证冷冻主机的水量平衡，主机出水端最好装平衡阀，初投资增加；第三、由于有集水器和类似集水器的主管存在，机房内的大尺寸管路增多，增加了机房管路布置和施工的难度。

在现实使用中，自动控制已经得到广泛的应运，如果热回收侧设置热水储水箱，整个系统的控制基本上设备厂商就可以解决，不需要加很多的控制阀和很复杂的控制系统。但是如果热回收水直接接到末端设备，控制就比较复杂。

参考文献：

1.朱明杰.空调冷冻水系统的运行控制策略[D]. 同济大学,2007

2.陈迎. 暖通设计与实践中若干问题探讨[J]. 福建建设科技, 1998, (01)

3.赵荣义，钱以明，范存养等《简明空调设计手册》中国建筑工业出版社2005年3月版.

4.马最良、姚杨编，《民用建筑空调设计》，化学工业出版，2003

5.电子工业部第十设计研究院主编，《空气调节设计手册（第二版）》，中国建筑工业出版社，1995年。