中央空调一、二级泵控制应用研究及实践

方徐根，杨 敏，梁利霞

（浙江建科节能环保科技有限公司，浙江 杭州310012）

随着社会的不断进步，建筑规模和综合化随之也不断扩大，采用一、二级冷冻水循环泵的中央空调系统越来越广泛被采用。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB 50736—2012）》第8.5.4条对二级泵系统的选用条件作出了规定：“系统作用半径较大、设计水流阻力较高的大型工程，宜采用变流量二级泵系统。当各环路的设计水温一致且设计水流阻力接近时，二级泵宜集中设置；当各环路的设计水流阻力相差较大或各系统水温或温差要求不同时，宜按区域或系统分别设置二级泵。”［1］传统的一、二级泵控制模式为：一级泵采用定流量控制，确保冷水机组的额定流量；二级泵根据负荷侧的需求采用变频控制。究其原因：其一是一级泵变频控制的可靠性存在很大的疑问，易引起冷水机组的保护停机；其二是如何选用被控参数，实现负荷侧、二级泵的水量平衡以及一次环路与二次环路的水量平衡。针对以上存在的问题，笔者提出采用压差控制方式来进行一、二级泵变流量控制，在确保系统稳定的前提下，挖掘中央空调系统运行的最大节能潜力。

1 控制原理

一、二级泵空调系统的主要特点是将空调系统中常规的冷冻水循环泵分为两级。一级泵负责克服冷水机组的阻力，一级泵与冷水机组一一对应；二级泵用来克服负荷侧的阻力。一级泵、冷水机组、旁通管、供回水管路等构成一次环路。二级泵、负荷侧设备、旁通管、供回水管路等构成二次环路。典型的一、二级泵空调系统原理见图1。

图1 一、二级泵空调系统原理

该系统通过旁通管将冷水系统分为冷冻水制备和冷冻水输送两个部分，形成一次环路和二次环路。旁通管将一次环路与二次环路连接在一起，使一次环路与二次环路既相互独立，又相互联系。由于负荷侧的需求时刻在变化，很难实现一次环路流量与二次环路流量完全相匹配。当系统负荷降低，二级泵的流量减小，一级泵流量应相应减小，否则一次环路的压力大于二次环路的压力，造成一次环路的水流通过旁通管直接流向冷水机组，使得回水温度降低，增加了空调系统的输送能耗，降低了冷水机组的效率。当系统负荷增加，二级泵的流量增大，一级泵流量应相应增大，否则一次环路的压力小于二次环路的压力，造成二次环路的水流通过旁通管直接流向用户端，使得用户侧供水温度升高，降低了空调末端的效率，影响了空调的使用效果。通过分析，在保证负荷侧、二级泵的水量平衡以及一次环路与二次环路的水量平衡的前提下实现节能，控制旁通管两端压力平衡成为了最终的控制目标。

由于水泵的流量与转速的一次方成正比，而水泵的功率则与转速的三次方成正比。如通过变频调速使水泵的流量由额定值Q降至80%Q时，转速将由额定值n降至80%n，此时泵的轴功率由额定值P降至51.2%P，理论上降低了48.8%P的能耗，节能效果显著。

2 控制方案

由于空调系统的回水温度有一定的滞后性，压差控制具有反应灵敏，控制稳定性高的特点，因此压差控制得到了广泛的应用和研究。一、二级泵空调系统压差控制原理图见图2：二级泵压差控制的测量点选择P2、P3的压力差跟踪设定的压力差进行二级泵的变频控制。一级泵压差控制的测量点选择P1、P2的压力差跟踪设定的压力差进行一级泵的变频控制。

智能控制器根据监测的压差信号和实际控制要求，执行PID智能控制算法［2］，计算出控制量后，将控制信号输出给变频器，变频器实现一、二级水泵的调速，改变一、二次环路的水流压力和流量，动态调节负荷侧、二级泵的水量平衡以及一次环路与二次环路的水量平衡，并最终实现一、二次环路水流的自动调节控制。PID智能控制原理见图2。

图2 PID智能控制原理

PID智能算法：

式中：Kp为比例增益；

TI为积分时间常数；

TD为微分时间常数；

u（t）为控制量（控制器输出）；

e（t）为被控量与给定量的偏差。

3 具体案例及控制效果

义乌市某医院中央空调工程改造是中央公共建筑节能改造示范项目的主要组成部分，改造前一级冷冻泵与冷水机组一一对应，采用定流量运行，二级泵采用供回水温差变频控制。项目于2018年9月实行节能改造，实现一、二级泵压差变频控制。项目改造前后的空调系统配置见表1。

表1 改造前后的空调系统配置

控制系统的下位机采用西门子S7-200系列的PLC，控制器采用CPU226，扩展模块采用EM223、EM232、EM235、CP243-1，上位机操作软件采用西门子的WINCC软件进行二次开发，系统采用工业以太网的通讯方式。控制系统通过EM235模块采集冷冻水系统的压力信号进行A/D转换后送入CPU226，与设定的控制值进行PID运算，通过EM232模块输出4～20 mA的模拟信号至变频器，控制水泵的运行频率，调节循环水的流量。截止目前，项目正常运行已超过1年，通过能耗数据的监测分析，改造后空调系统的一级泵能耗较改造前降低了约16.3%，运行与节能效果良好。

监测控制主要功能为：

1）监测系统供回水的温度、压力，水泵频率，能耗监测，旁通管的水流方向和流量等。

2）统计每台主机和水泵的运行时间，根据系统负荷需求自动选择主机、水泵的运行顺序和台数。

3）当水泵或变频器故障时，控制系统自动将备用泵或备用变频器投入并将故障水泵锁定，同时向控制系统发出故障信息。

4）压差、PID等参数的设定。

5）设置变频调节的最低运行频率（一般为30 Hz）。

6）自动判定系统的最不利环路，选择最不利环路的压力进行压差控制。

4 结 语

1）采用压差闭环自动控制方式，通过自动调节一、二级泵水流量的方法达到控制一、二次环路之间冷冻水流量与负荷变化之间的平衡，并通过工程实践得以验证。

2）在保证冷却水、一级泵适当流量的情况下，不会造成制冷主机的损坏。

3）该控制方案简单、造价低、控制精度良好，可广泛应用于一、二级冷冻水循环泵的中央空调系统。

4）应满足供水最不利环路的阻力需求，变频水泵应设最低频率限制。

5）一、二级泵压差变频控制，压差的设定值应根据空调系统的实际情况合理设定，先调试二级泵的压差变频控制，后调试一级泵的压差变频控制。

笔者认为，这是一种简单而行之有效的参数设定方法，特此提出与读者共同探讨。