空调冷冻水系统一级泵系统设计

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郑州轻工业学院课程设计任务书

题目空调冷冻水一级泵控制系统设计（8）

专业建电08-1学号48姓名翟红军主要内容

1.阅读相关科技文献，查找相关图纸资料2.学习CAD或Visio软件的使用3.学会整理和总结设计文档报告。

4.学习如何查找设备手册及相关参数并进行系统设计。

已知参数和设计要求：

某办公楼标准层空调水平片图和系统图见图纸资料。

设计要求：该系数采用一级泵冷水系统，绘制该空调水系统的控制流程图，监控点设置和控制策略的设计。

（1）要求对监控的传感器,控制器，执行器进行初步选型，统计监控信号（I/O）点数，绘制监控原理图，选择一种控制方案，确定其控制策略。

（2）统计DDC监控点表（3）编写课程设计说明书。主要参考资料

1.李玉云，建筑设备自动化，机械工业出版社，2023年6月2.曲云霞，暖通空调施工图解读，中国建筑工业出版社，2023年4月3.蒋自懿，给水管道设计计算与安装，化学工业出版社，2023年6月4.智能建筑设计标准GB/T50314-2023.中国计划出版社，2023

5.建筑设备监控系统设计与安装，03X201-2.中国建筑标准设计研究所。

完成期限：2023年12月22日指导教师签章：

专业负责人签章：

空调冷冻水一级泵系统设计建筑电气08-1翟红军

空调冷冻水系统一级泵控制系统设计

摘要

某办公楼空调水冷冻水一级级泵控制系统设计，对空调冷水一次泵变流量系统的原理及组成、优点及适用性进行了详细的介绍，并从冷水机组的选择、冷水机组的启停控制、冷水泵的选择及控制、旁通管及旁通控制阀的配置、压差及流量传感器的选择等五个方面，对其设计要点进行了阐述。空调冷冻水一级泵系统设计建筑电气08-1翟红军

2控制方案选择

本设计选用一次泵变流量系统。空调冷水一次泵变流量系统与传统的空调冷水一次泵系统及二次泵系统相比较，具有以下优点：

1、由于取消了二次泵系统中的二级泵与相应零配件、减振器、启动器、电线、控制器等，因而减少了空调冷水系统的机房面积及初投资。

2、与一、二次泵系统相比，降低了系统中循环水泵的电耗。原因之一是由于一、二次泵系统中的一级泵寻常是大流量低扬程，其固有的效率较低；而一次泵变流量系统中的一级泵均是大流量高扬程的水泵，其固有的效率要高于同等流量低扬程的水泵；原因之二是由于取消了二次泵系统中二级泵消耗在附加零配件与装置（阀门、除污器、变径管、集水器等）上的阻力损失。

3、一、二次泵系统中的一级泵是定流量泵，必需像冷水机组一样分级投入运行，而且其电耗是恒定不变的；而一次泵变流量系统中只配备变流量泵，能根据末端负荷的变化，通过改变水泵的转速调理负荷侧和冷水机组蒸发器侧的流量，最大限度地降低变频调速水泵的电耗。

4、能够消除一次泵和二次泵系统的“低温差综合症〞，使冷水机组高效运行。

5、能够充分利用冷水机组的超额冷量，减少并联的冷水机组和冷却水泵的全年运行时间和能耗。

目前，常用的空调冷水一次泵和二次泵及一次泵变流量三种系统适用于不同类别、规模及使用特点等的工程。寻常，冷源侧定流量、负荷侧变流量的一次泵系统（见图2）,适用于水温要求一致，且各区域管路压力损失相差不大的中小型工程；冷源侧和负荷侧分别设置一级泵和二级泵（变频泵）的二次泵变流量系统

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（见图3）适用于负荷侧系统较大、阻力较高的工程，且当各区域管路阻力相差悬殊（超过50KPa）或水温要求不同时，宜按区域分别设置二级泵；而对于冷源侧和负荷侧均变流量的一次泵（变频）变流量水系统（见图1），则适用于以下空调系统：

1、全年空调冷负荷变化较大的空调系统；2、空调冷水供水温度可以允许微弱变化；3、工程初投资及回收期可接受；

4、工程设计者对技术应用的把握到位，控制方案和运行管理可靠，用户（操）了解并能熟练把握等。

3制冷机组的监控

单台机组的控制任务一般由安装在主机上的单元控制器完成，有些单元控制器同时还完成一部分辅助系统的监控，还有些制冷机的供应商同时提供冷冻站的集中控制器，对几台制冷机及其辅助系统实行统一的检测控制盒能量调理。制冷装置控制系统是制冷装置的组成部分，它更好地完成冷媒循环的制冷工艺系统服务

主要监控内容为：

1）对制冷工艺参数进行自动检测。参数检测是实现控制的依据。2）自动控制某些工艺参数，使之恒定或者按一定规律变化。对一台自动控制的制冷装置，首先期望的是维持被冷却对象在指定的恒温状态。由此而来，还涉及到其他一系列相关系数的调理。3）根据编制的工艺流程和规定的操作程序，对机器，设备执行一定的顺序控制或程序控制。

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4）实现自动保护，保证制冷设备的安全运行。在装置工作异常，参数达到警戒值时，使装置故障性停机或执行保护性操作，并发出报警信号，以确保人机安全。

4冷冻站系统的检测与控制

4.1压差控制

当空调机组，风机盘管都采用电动两通阀的空调水系统时，用户侧属变流量系统，冷源侧需要定流量运行。因此，在供，回水管之间需要加一旁通阀。当符合流量发生变化时，供，回谁干管间压差将发生变化。通过压差信号调理旁通阀开度，改变旁通水量，一方面恒定压差，是压力工况稳定，同时也保证了冷源侧的定水量运行。图为一级泵压差控制原理图。控制元件有压差传感器，压差控制器Pda和旁通阀V组成。在系统处于设计状况下，所有的设备满负荷运行，压差旁通阀开度为零，压差传感器两端接口处的压差为控制器的设定值DP0；当穆端符合变小时后，末端的两通阀关小，供，回谁压差Dp将会提高而超过设定值，在压差控制器的作用下，旁通阀降自动开启，它的开度加大将使总供，回水压差减小直至达到Dp0时，才中止继续开大。若冷媒水的旁通量超过了单台冷水循环泵流量时，则自动关闭一台冷水循环泵。对应的制冷机组，冷却泵及冷却塔也中止运行。压差传感器的两端接纳应尽可能的靠近旁通阀两端并应设于水系统中压力较稳定的地点以减少水流量的波动，提高控制的确切性。

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4.2制冷机的台数选择

对于多台机组，其控制方法主要有操作指导控制，压差控制，恒定供回水压差的流量旁通控制法，回水温度控制与冷量控制。1）操作指导控制。这种控制方式根据实测冷负荷，一方面显示，记录实际冷负荷；另一方面有由操作人员对数据进行分析，判断，实施制冷机运行台数控制及相应联动设备的控制。这是一种开环控制结构，其优点是结构简单，控制灵活，特别适合对于冷负荷变化规律尚不太明白和对大型制冷机的起，停要求严格的场合。其缺点是人工操作，控制过程慢，实时性差，节能效果受到限制。

2）压差旁通阀位置控制。一级泵压差旁通流量控制如下图旁通阀的流量为一台制冷机的流量，其限位开关用于指示10%~90%的开度。低负荷是启动一台制冷机的流量，其相应的水泵同时运行，旁通阀咋某一调理位置。负荷增加时，调理旁通阀趋向关的位置，当达到一定负荷时，限位开关闭合，自动起动其次胎水泵和相应的制冷机组；负荷继续增加，则进一步起动第三台制冷泵。当负荷减少时，一相反的方向进行。

3）恒定供回水压差的流量旁通控制法。恒定供回水压差的流量旁通阀控制法是在旁通管上再增设流量计，以旁通流量控制制冷机组和水泵的启停。例如某冷冻站安装有三台机组，当有满负荷降至66.6%负荷时，停掉一组制冷机组和水泵；当有满负荷降至33.3%，停掉两组制冷机组和水泵负荷。一级泵旁通流量控制如图。图中Df为流量传感器，C为控制器。

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4）算

回水温度控制。制冷机组的制冷量可以由以下公式计

Q?qmc（t2?t1）

qm——回水流量，其值为（Kg/s）;

C——水的比热容，其值为4.1686KJ/Kg

t1,t2——冷媒水供，回水温度（℃）

寻常制冷机组的出水温度设为7℃，在定流量系统中，不同的回水温度实际上反映了空调系统中不同的需冷量。一级泵温度控制如下图。它的控制原理是将回水温度传感器信号，送至温度控制器，控制器根据回水温度信号控制制冷机组及冷媒水泵的启停。

尽管从理论上来说回水温度可反映空调需冷量，但由于目前较好的水温传感器的精度大约在0.4，而冷媒水设计的回水温度大多为12摄氏度，因此，回水温度控制的方式在控制精度上受到了温度传感器的约束，不可能提高。特别是只利用了回水温度，而没有考虑回水流量，故该方法没有跟踪实际空调负荷，但造价低，为了防止制冷机组启停过于频繁，采用此方式时，一般不能用自动启停机组而应采用自动监测与人工手动启停的方式。

5）冷量控制。冷量控制的原理是通过检测用户的侧回水温度

Q?qmc（t2?t1）及冷媒水流量，依照计算实际所需冷量，由此决定制冷机组的运行台数。采用这种控制方式，各传感器的设置位置很重要。设置位置应保证回水流量Qm传感器测量的是用户来

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的总回水流量，不包括旁通流量；回水温度传感器T2应当是测量用户侧来的总回水温度，不应是回水与旁通水的混合温度。这是工程上的常用方法。

当空调系统用户侧水系统为变流量系统，而冷源侧是定流量系统时，常见的冷冻站,回干管的连接方式及测量组件系统如图（冷量系统组件方案）所示，本设计采用方案2

在集水器安装两根回水管，故需要采用两个回水流量变送器和两个回水温度传感器，冷负荷Q计算公式如下

Q?qmc（t2?t1）Qm总回水流量。T1回水当量温度。

5冷水机组的选择

对于空调冷水一次泵变流量系统采用的可变流量的冷水机组，机组蒸发器的许可流量变化范围和许可流量变化率是衡量冷水机组性能的重要指标。机组蒸发器的许可流量变化范围越大，越有利于冷水机组的加、减机控制，节能效果越明显；机组蒸发器的许可流量变化率越大，冷水机组变流量时出水温度波动越小。在实际的机组设计选型中：选择蒸发器流量许可变化范围大，最小流量尽可能低的冷水机组，如离心机30%～130%，螺杆机45%～120%，最小流量宜小于额定流量的50%；选择蒸发器许可流量变化率大的冷水机组，每分钟许可流量变化率宜大于30%。

对于空调冷水一次泵变流量系统，冷水机组尽可能选择同一

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规格型号，如规格型号无法保持一致的话，建议各冷水机组蒸发器额定水阻力尽可能保持在相等的水平，此时，当外网空调负荷导致空调冷水流量发生变化时，流经各冷水机组蒸发器的水流量可基本实现同步等比例变化。

对于空调冷水一次泵变流量系统来说，其运行难点是如何解决并联冷水机组的顺序启停的控制问题，而其冷水机组的最大流量、最小流量、温度设定值又是这些顺序启停控制的关键切换点。因此，空调冷水一次泵变流量系统的正常运行必定需要依靠预先编好的顺序启停软件来执行。

5.1冷水机组的启停控制

在启动另一台冷水机组之前，应让正在工作的冷水机组几乎满负荷运行。当所监测的蒸发器出水温度超过了设定值的允许偏差上限，或其水流量超过了该机组所允许的最大流量时，才启动下一台冷水机组运行。寻常做法是以压缩机运行电流为依据：若机组运行电流占额定电流的百分比大于设定值（如90%），并且这种状态持续10～15min，则开启另一台机组，这种控制方式的好处是供水温度控制精度高，在系统供水温度尚未偏离设定温度时，已加机了。此时，为防止正在运行的冷水机组蒸发器流量的突然下降，需要采取以下两项保护措施：

1、为缓解由于水流量突然下降，出现铜管内冷水冻结的危险，采取关小机组进口导叶阀或提高机组供水温度设定值1至3min的方法来使正在运行冷水机组暂时卸载；

2、缓慢开启新启动冷水机组蒸发器的电动隔断阀，其开启速

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度要根据所启动冷水机组所能容忍的最大许可流量变化率而定。最大许可流量变化率越大，其电动隔断阀从全关到全开所需要的时间越短，例如：对于最大许可流量变化率每分钟允许30％的机组，其电动隔断阀从全关到全开，大约为2min；对于最大许可流量变化率每分钟允许10％的机组，约需要经历6min；而对于最大许可流量变化率每分钟只允许5％的机组，则需要12min左右。

根据机房内机组的台数与部分负荷效率曲线，应设计“停机〞策略，避免机组的低负荷运行。在空调冷水一次泵变流量系统中,通过测定机组运行时的电流RLA(runningloadamps)来控制机组的启停间隔。RLA%(运行电流除以额定电流)反应了冷水机组运行时实际负荷率的良好指标。在多台一致机组的并联运行时,关闭机组的策略是目前正在运行的各台机组的RLA%之和除以运行机组台数减1，若结果小于设定值（如80%）,就关闭一台机组。即：

?%RLA（运行机组）≤80%运行机组台数?1另外，应根据冷水机组蒸发器结构，最小许可流量和防冻结温度设定值，设计“防冻结延时停机〞保护顺序。由于，一般定流量冷水机组控制器当监测到蒸发器出水温度到达冻结水温度时就会马上执行保护性停机。但在空调冷水一次泵变流量系统中，如马上执行保护性停机，停机的机率会很高。这种“防冻结延时停机〞保护顺序能在监测到达冻结温度时不会马上停机，而是累加冻结温度以下的度-秒值，只有当此值总和上升到临界值时才迫使其停机，以便使机组的制冷能力调理器达到稳定的出力控制。

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6冷水泵的选择

对于空调冷水一次泵变流量系统，在设计中宜采用“集合母管并联〞后再与蒸发器串联的方式进行配管。此种连接方式下，冷水泵与冷水机组在控制方面不呈一一对应关系，冷水机组的启停数量由用户端空调瞬时总负荷决定，而冷水泵启停数量的控制则根据用户端空调水流量实际需求值并同时结合水泵、马达及变频器效率分析决定水泵启停台数。此种方式通用性强，针对大小冷水机组组合的状况，避免了冷水泵变频工作时相互干扰的问题，最大程度地节省了冷水泵运行能耗。

选用比转数ns在130~150的离心式清水泵水泵的流量应为冷

水机组额定流量的1.1~1.2倍。

Hmax=△P1+△P2+0.05（1+k）

△P1为冷水机组蒸发器的水压降。

△P2为该环中并联的各占空调末端装置的水压损失最大的一台的水压降。

L为最不利环路的管长。

K为最不利环路中局部阻力当量长度总和和与直管总长的比值，当最不利环路较长时K值去0.2~0.3。最不利环路较短时K取0.4~0.6.

空调冷水一次泵变流量系统冷水泵的变频控制原理为：供回水总管末端最不利的末端空调设备根据负荷变化调理电动两通调理阀（风机盘管、空调机组等）的开度，使得系统流量变化，从而引起压差变化，水泵变频器控制器根据此压差调理冷水泵的转速，实现了系统变流量的节能运行。

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在设计中，冷水泵为防止低流量造成的负面效果需设定最小流量，根据有关资料，建议最小流量为水泵最正确效率点流量的25%；为确保水泵马达的正常散热，水泵转速不应低于正常标准值的30%。

另外，冷水泵要求每台均配置变频器，同时变频调速，避免一变多定。

7旁通管及旁通控制阀的选择

空调冷水一次泵变流量系统的旁通管上设置旁通控制阀，当负荷侧冷水量小于单台冷水机组的最小流量时，旁通管开启，使冷水机组的最小流量为负荷侧冷水量与旁通管流量之和

旁通管的设计流量为系统中制冷量最大冷水机组许可的最小流量。旁通管应尽量安装在冷水机组和冷水泵的附近，这样可减少水路的压降，降低水泵的能耗。

空调冷水一次泵变流量系统旁通管上设置旁通控制阀，当负荷侧冷水量小于系统中制冷量最大冷水机组的最小流量时，旁通管开启，使冷水机组的最小流量为负荷侧冷水量与旁通管流量之和，以确保冷水机组冷水流量不低于其最小流量。

旁通控制阀的设计流量必需满足系统中制冷量最大冷水机组的最小流量，并且应具有线性控制特性，即流量与阀门的开度呈线性关系。旁通控制阀的设计选型不能根据旁通管管径确定，而是根据所选阀门的流量系数Kv值计算当旁通控制阀处于最小开度和最大开度状况下其可调比是否满足要求，根据计算出的可调比求出最大流量和最小流量与旁通控制阀在最小开度及最大开度下

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