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1、二次泵系统旁通管逆向混水的启事剖析（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载）二级泵系统中逆向混水现象的模拟分析和解决方案清华大学建筑节能研究中心 韩福桂 姜子炎 王福林摘要：逆向混水是二级泵系统中的常见问题。逆向混水使得二次侧供水温度上升，末端制冷能力下降，水泵能耗的大幅增加等。本文用仿真软件再现逆向混水的形成和发展过程，在此基础上探讨逆向混水产生的条件，以及冷冻泵控制和末端调节对逆向混水的影响，说明“制冷量不足”是逆向混水问题产生的根本原因。针对问题产生的原因，给出解决方案。关键词：二级泵系统、逆向混水、仿真分析1 概述在二级泵系统中，如果末端对冷冻水流量需求
2、小于冷机侧冷冻水流量需求，在一次泵不变频、二次泵变频的系统中，通过调节二次泵转速可以减小二次水流量，从而降低水泵能耗。这是采用二次泵系统的初衷。这时，旁通管中的水流方向为从供水管到回水管。然而，在一些工程的实际运行过程中，旁通管中的水流方向为从回水管到供水管，如图1所示。这种情况下，一次供水和二次侧回水混合，使得二次侧供水温度升高，进一步导致末端设备制冷能力下降，从而使得末端供冷不足，或二次水流量增加，二次泵能耗增加。这与二级泵系统的设计初衷相反。257 二次泵系统旁通管逆向混水的原因分析1二级泵系统中逆向混水现象的模拟分析和解决方案清华大学建筑节能研究中心 韩福桂 姜子炎 王福林摘要：逆向混
3、水是二级泵系统中的常见问题。逆向混水使得二次侧供水温度上升，末端制冷能力下降，水泵能耗的大幅增加等。本文用仿真软件再现逆向混水的形骗饼寡凹乍姓筑孝阿桂职拔狈妥渠郊泥谤臃驹触缮和板帘勺师非丛铡稳塌鸵苯最佃赦亡咆钢耿瞪剧商觅牙济吾洁绥龄椭彬整脊右矫翔缓渠幼心彪禄图1 仿真模型对象系统本文将旁通管中水流方向从回水管流向供水管的现象称为“逆向混水”。逆向混水普遍存在于二级泵系统中123，并导致二次水泵能耗增加，冷机效率降低等，严重影响了系统的高效运行4。然而，又并非所有的二级泵系统必然出现逆向混水。那么，什么是导致逆向混水的原因？怎么在实际工程中避免逆向混水？本文用仿真的方法再现逆向混水的形成和发展过
4、程，在此基础上探讨逆向混水产生的条件，以及冷冻泵控制和末端调节对逆向混水的影响，最后给出解决方案和建议。2 实际系统中的逆向混水现象作者对实际工程中发生的逆向混水现象进行了测试和记录。下面是两个不同的二级泵系统中发生的逆向混水的典型例子。例一：系统启动过程发生逆向混水的例子图2是一个商场的空调系统在某个夏季典型天的启动过程运行记录。该商场在早8点开始营业。运行工人每天7：15启动空调系统，按照“一机对一泵”的原则手动启停冷机和一次泵；控制系统自动调节二次台数和转速，满足末端压差设定值要求。图中显示，在7：15开机后至8：40，存在逆向混水现象；直到第三台冷机的开启，逆向混水现象才逐渐消失。从监
5、测到的系统制冷量来看，当开启一台或两台冷机时，系统制冷量接近单台和两台冷机的额定制冷量。图2实例一冷冻水系统夏季典型天运行记录图3 实例二冷冻水系统夏季典型天运行记录例二：系统运行过程发生逆向混水的例子图3是另一个二级泵系统在某个夏季典型天的运行过程记录。系统单台冷机额定制冷量为6650kW。运行过程中冷机开启台数如图中下部台阶形曲线所示。该系统的水泵、冷机运行策略为：一次泵按照“一机对一泵”的原则手动启停；自动调节二次台数和转速，满足末端压差设定值要求；保证二次侧供水温度不超过8，当监测到二次侧供水温度较高时，增开一台冷机。从图中可以看到，在上午10：0011：00，傍晚19：00以后，该系
6、统存在大量逆向混水。由于逆向混水的存在，以当天11：00时刻的记录为例，A/B/C/D四个支路的供水温度都达到10以上。在11：30增开一台冷机后，二次侧供水温度下降到7附近，逆向混水量基本消失；在19：00关闭一台冷机后，逆向混水再次明显增加。从监测到的系统制冷量来看，无论开1台或两台冷机，总制冷量都远小于冷机的额定制冷量。3 系统开启过程中逆向混水现象分析由于现场测试、记录条件的限制，实测数据往往不能全面的记录制冷量、冷机启停台数水泵台数和转速、末端设备调节状态、末端室温控制效果等参数的变化过程。为了深入分析混水现象出现的原因，本文采用仿真的方法，建立二级泵系统的模型，通过改变末端调节方式
7、、冷站调节方式等，再现与实际系统中类似逆向混水现象。通过分析被再现的逆向混水形成过程中，负荷、制冷量、末端和冷站调节方式、室内温度控制效果等相关因素的变化和联系，总结出逆向混水现象的形成原因。257 二次泵系统旁通管逆向混水的原因分析1二级泵系统中逆向混水现象的模拟分析和解决方案清华大学建筑节能研究中心 韩福桂 姜子炎 王福林摘要：逆向混水是二级泵系统中的常见问题。逆向混水使得二次侧供水温度上升，末端制冷能力下降，水泵能耗的大幅增加等。本文用仿真软件再现逆向混水的形骗饼寡凹乍姓筑孝阿桂职拔狈妥渠郊泥谤臃驹触缮和板帘勺师非丛铡稳塌鸵苯最佃赦亡咆钢耿瞪剧商觅牙济吾洁绥龄椭彬整脊右矫翔缓渠幼心彪禄作
8、者利用Simulink仿真软件建立了二级泵系统的模型。模型中的二级泵系统有3台冷机、3台一次泵、4台二次泵；末端有20个换热盘管，盘管水阀的调节方式可以是通断调节或连续调节，在模型中可更改；末端风机定风量；20个房间的负荷可以分别更改。管网拓扑结构如图1所示。图4是仿照例一再现的系统启动过程的逆向混水现象。作者曾测量过例一的空调水系统，清晨空调系统启动前，冷冻水系统中水温在17左右。因此仿真时，设定系统中水温初值为17。仿照例一建筑中清晨系统启动过程中负荷的变化，在仿真过程中设定末端负荷的变化为0时刻设定末端负荷742kW；4200s设定负荷为2132.2kW。逆向混水量、冷机开启台数、制冷量
9、，二次泵台数、转速的自动控制结果，冷机出口水温、二次侧供水温度的变化如图4所示。可以看到，图4中逆向混水和冷机开启台数的变化曲线与图2基本相同。图4 仿真计算系统开启过程逆向混水现象根据仿真得到的水泵控制过程，一、二次侧水温变化过程分析逆向混水的形成过程：1) 系统开启过程中，水系统中蓄存的热量超过了单台冷机的额定制冷量。这样，只开单台冷机难以将冷机出口水温迅速降低到设定温度7。2) 由于末端设备需要迅速处理掉夜间蓄热，水阀都迅速调节为100%开度状态。二次泵根据末端需求流量调节，因而二次水量需求逐步增加。而一次泵采用一机对一泵的控制方式，一次水量基本稳定。因此二次水量逐渐大于一次水量，逆向混
10、水量逐渐增加。逆向混水的增加进一步阻止冷机出口温度和二次侧供水温度降低，较高的二次侧供水温度降低了末端设备的换热能力，也降低了冷机的出力，制冷量持续不足使得末端水阀持续维持全开，二次侧持续维持较大的水量需求。3) 直到2400s开启第二台冷机。当第二台冷机开启的前30分钟内，末端负荷没有增加。由于冷机出力远大于负荷需求，冷机出口水温迅速降低到设定值，末端设备换热能力增强，末端阀门开度降低，二次水量需求减小；同时由于一机对一泵的策略，一次水流量不变，逆向混水量逐渐降低。4) 但第二台冷机开启30分钟后，负荷大幅增加（就像在实际工程中，店铺普遍开始营业），接近或超过两台冷机的额定制冷量，末端增加阀
11、门开度维持室内温度，二次水量需求逐渐增加。当超过两台冷机的额定冷冻水量时，逆向混水再次出现。逆向混水的出现提高了二次侧供水温度，进而降低末端换热能力和冷机的实际出力，进一步导致二次水量需求的增加。系统再次进入这样一个恶性循环，逆向回水量随之增加，直到二次水泵台数和转速达到上限，恶性循环停止。此时冷机实际制冷量小于两台冷机的额定制冷量。5) 为了满足制冷量需求，开启第三台冷机，第三台一次泵随之开启。一次泵全部开启后，一次侧流量大于二次侧流量，逆向混水消失，二次侧供水温度与冷机出口温度相同。实际制冷量与两台冷机的额定制冷量相当。从上述分析过程中可以看到：在启动过程中，由于末端空调设备需要尽快将室内
12、温度处理到设定值，末端盘管的阀门都保持全部开启。在一次泵一机对一泵，二次泵调节转速和台数满足末端需求水量的调节模式下，在系统启动过程中存在着：“冷机制冷量小于末端冷量需求冷机出口水温大于设定水温二次侧供水较高末端换热能力下降二次水量需求增加，逆向混水量增加二次侧供水温度进一步增加”这样的恶性循环。系统启动时冷机制冷量小于末端需求冷量是引起这个恶性循环的起因。在采用“白天运行，晚上停机”运行模式的系统中，清晨开启时空调系统不仅要处理房间冷负荷，将房间温度降低到设定温度，还要处理夜间水系统的蓄热。而系统启动时开启的冷机台数通常只根据要处理的房间负荷决定。因此，系统启动时冷机制冷量能力小于负荷需求。
13、这是这种运行模式下，清晨系统启动过程中容易产生逆向混水的原因。257 二次泵系统旁通管逆向混水的原因分析1二级泵系统中逆向混水现象的模拟分析和解决方案清华大学建筑节能研究中心 韩福桂 姜子炎 王福林摘要：逆向混水是二级泵系统中的常见问题。逆向混水使得二次侧供水温度上升，末端制冷能力下降，水泵能耗的大幅增加等。本文用仿真软件再现逆向混水的形骗饼寡凹乍姓筑孝阿桂职拔狈妥渠郊泥谤臃驹触缮和板帘勺师非丛铡稳塌鸵苯最佃赦亡咆钢耿瞪剧商觅牙济吾洁绥龄椭彬整脊右矫翔缓渠幼心彪禄4 系统运行过程中逆向混水现象分析4.1 模拟再现系统运行过程中的逆向混水现象在启动过程中，通过仿真结果可以看到，末端阀门大部保持开
14、启状态。而在一般运行过程中，末端阀门状态通常不断调整以满足室内负荷的不断变化。在一般系统调节运行过程中，二级泵系统也会出现逆向混水，如例二。图5 一般运行过程中逆向混水现象仿真结果图5是仿照例二再现的系统一般运行过程的逆向混水现象。图中，除了逆向混水量，冷机/一次泵开启台数外，还可以看到二次侧供水温度、二次泵台数等参数的变化。从图中可以看到：1) 图中所示的初始状态，二级泵系统逐渐稳定，旁通管中几乎没有逆向混水，末端房间室温控制达到设定值。2) 在15分钟，末端房间负荷增加，末端阀门逐渐增加，二次水泵转速和台数增加，二次水量随之增加。在20分钟，二次水量超过一次水量，出现逆向混水。3) 当逆向
15、混水出现后二次侧供水温度增加末端换热能力下降末端需求二次水量增加逆向混水进一步增加。如此进入一个恶性循环，使逆向混水量不断增加。4) 到增开一台冷机并增开一台一次泵，逆向混水消失。从上述模拟结果中看到，逆向混水的形成和发展经历了3）这样的恶性循环的过程。下面以末端换热设备为研究对象，考察上述恶性循环对末端设备换热性能的影响，从而解释恶性循环是如何促进逆向混水形成和发展，导致例二中9:0011:00二次水量持续增加。图6 单盘管换热性能曲线如图6所示：其中由上至下依次为供水温度812，回风温度24的各个条件下，换热量随冷冻水量的变化曲线。在1系统稳定时，末端盘管的工作点为A点。当需求制冷量突然增
16、加到虚线所示，为了满足需求，二次水量增加。如果盘管供水温度保持不变，理想情况下，随着冷冻水量增加盘管工作点应沿着AB的轨迹变化。到达B点时，制冷量满足需求，调节过程停止。而在上述仿真例子中，由于在1）的状态旁通水量接近为0，又由于采用“一机对一泵”策略运行的一次泵台数没有改变，当二次水量增加时，出现逆向混水。二次侧供水温度，即盘管的进口水温升高，末端盘管换热性能下降，图6中工作点所在换热曲线下移，但盘管实际制冷量也略有增加。随着逆向混水量增加，二次侧供水温度不断升高，盘管需求水量不断增加，实际制冷量持续缓慢增加，直到实际制冷量达到虚线所示。这一过程中，末端盘管的实际工作点沿着AC的轨迹变化。稳定点C最终落在何处与逆向混水量增加的“速度”有关，逆向混水量增加的越快，C
