【HVAC】公共建筑空调系统运行调适方法研究（2）：二级泵多级板式换热器水系统

近年来,公共建筑体量逐渐增大，建筑功能日趋多样。为了满足其空调系统末端的需求，二级泵系统得到了普遍使用。同时，随着建筑高度的增加，考虑到水系统承压的需求，多级板式换热器水系统也大量出现在实际项目中。空调水系统形式越来越复杂给系统的设计、控制和运行提出了更大的挑战。

本文以我国夏热冬暖地区一栋超高层公共建筑为例，介绍了该项目制冷站二级泵系统及末端多级板式换热器水系统的运行调适工作。通过对实际案例进行测试与数据分析，总结出了二级泵系统及多级板式换热器水系统实际运行过程中应该避免的典型问题及节能调适方法，以期提升冷水系统运行性能，降低运行能耗。

该项目位于我国夏热冬暖地区，是一个集办公、商业、会议、观光等功能于一体的大型超高层商业综合项目。总占地面积为1.9万m2，总建筑面积为45.8万m2，其中地上建筑面积为37.7万m2，地下建筑面积为8.1万m2，商业建筑面积为5.3万m2，办公建筑面积为32.0万m2。整座建筑分为塔楼和裙楼，塔楼高达597m，共118层，裙楼高52m，共10层。按功能分区，地下为车库及设备用房，1~10层的裙楼部分为商业场所，塔楼部分为会议场所，11~112层为甲级办公室，113~118层为观光层。

该项目空调系统冷源为冰蓄冷系统，冷水系统为二级泵多级板式换热器水系统，系统形式较为复杂。

冰蓄冷系统位于地下3~地下5层，冷源主机放置于地下3层，包括4台基载制冷机和5台双工况制冷机，制冷机的额定参数如表1所示。

冰蓄冷系统示意图见图1，其中基载制冷机负责直接供冷，双工况制冷机用于制冰蓄冷或直接供冷。该系统的设计冷负荷为45404kW。制冷站主要输配系统布置在地下4层。蓄冰体布置在地下5层，包括8个蓄冰槽，设计为冰槽盘管内融冰系统，设计蓄冰量为140680kW·h。

冷水由冰蓄冷系统制备后统一供给3个区域,即裙楼、低区（1区）和高区（2~7区）。为了方便区分，本文将制冷站旁通管（盈亏管）前后分别称为一级侧、二级侧，将板式换热器前后分别称为一次侧、二次侧。其中，制冷站一级侧如图1所示，蓄冰、融冰乙二醇泵，冷却水泵及冷水一级泵均为定频运行。制冷站二级侧多级板式换热器水系统如图2所示。

多级板式换热器水系统中水泵均为变频运行，末端直连水泵根据支路最远端压差变频，其余板式换热器的间连水泵根据板式换热器一次侧压差变频。

该项目末端一、二、三次侧设计供水温度分别为5.7，7.0，8.2℃，设计供回水温差为7.0℃。多级板式换热器水系统运行的稳定性及保证末端实际供水温度达到设计要求是比较难以实现、难以把控的目标。

在夏季供冷高峰期，笔者对该项目多级板式换热器水系统的运行情况进行了详细的测试。图3显示了该项目水系统各个环节、各个区域的实际供回水温度。

图4显示了工作时间段（13:20—18:20）末端直连冷水系统供回水温差。其中，1区、2区在实测阶段已全部投入运行，其冷水供回水温差在工作时间段基本维持在设计值7.0℃左右，但其他区域冷水供回水温差远小于设计值。

塔楼3~7区的末端已部分投入使用，水系统处于自控运行状态，但这5个区域的供回水温差远低于设计值，表明自控运行在一定程度上偏离了预期效果。表2显示了各区水系统运行情况。

板式换热器的换热性能不仅决定了二次侧水系统运行情况，同时对一次侧水系统运行性能也有很大影响。换热器换热性能较差会造成二次侧供水温度偏高。避免板式换热器换热性能的衰减是保证多级板式换热器水系统稳定、高效运行的关键所在。

在理想情况下，也就是在设计工况下，如图5中虚线所示，板式换热器二次侧供回水温差达到设计值。图5中实线所示，如果板式换热器二次侧供回水温差小于设计值，由于换热面积有限，一次侧只能通过增大供水流量来保证二次侧供水温度达到设定值，此时，一次侧供回水温差必定小于设计值。

如图6所示，由于6区末端直连（三次侧）冷水系统供回水温差仅为2.1℃，平均水温为9.6℃，板式换热器二次侧只能通过增大供水流量来降低二次侧平均水温到8.0℃，从而保证三次侧供水温度达到设定值，进而使得二次侧供回水温差也只有2.4℃，远低于设计值。

如图7所示，2区板式换热器二次侧直连末端供回水温差达到了7.6℃，高于设计值。但由于等效换热系数不大，实际换热对数平均温差为2.2℃，导致一次侧流量偏大，供回水温差仅为4.6℃，远小于设计值。但另一方面，二次侧供水温度设定值为7.0℃，实际为6.6℃，低于设定值，进一步说明板式换热器一次侧水系统调控不当，导致供水量偏大。

导致系统大流量、小温差的另一个原因为各区之间水力不平衡。如图8所示，2区、3区一次侧与4~7区板式换热器一次侧并联运行，工作时间段，2区、3区、4~7区板式换热器一次侧供回水温差的中位数分别为4.8，3.8，2.6℃。由此可见，实际运行过程中并联分区之间存在的水力失调进一步加剧了一次侧的大流量、小温差情况。

对于末端直连冷水系统的运行调适，主要目的是避免部分负荷时，由于压差设定值等自控参数不合理，导致水泵运行频率过高。因此，笔者选取室外天气较为凉爽时对末端直连冷水系统进行运行调适。调适当日室外气温为14~20 ℃。笔者对1~7区共计170个末端的水阀开度进行了统计，结果如图9所示。

为此，笔者选取2区和5区，对末端直连冷水系统压差设定值进行了调适。以5区为例，调节过程和结果如图10所示。

采用同样的办法，笔者对2区末端直连冷水系统进行了调适，在降低压差设定值的基础上，尝试提高供水温度。如图11所示。

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如图12所示，实测工况下，旁通管逆向混水量达到339m3/h，占二级侧总流量的20.5%，导致二级侧供水温度较一级侧供水温度升高0.7 ℃。尤其对于1区，如图13所示，一方面由于供水管紧邻旁通管（图中盈亏管）且两管位于同一侧，另一方面由于图中供水管紧接水泵，使得管道内部压力较低。

二级泵系统调适效果如图14所示，调适后，旁通管混水量从之前的339m3/h降低至35m3/h，基本杜绝了逆向混水情况，此时，在制冷站一级侧供水温度从5.6℃上升至6.4℃的前提下，1区供水温度从8.7℃降低到6.9℃，1区供水温度偏高的问题也得以解决。与此同时，二级侧分区泵的总功率从68.6kW 降低到47.6kW，节能30.6%。

本文通过对我国夏热冬暖地区一栋超高层建筑二级泵多级板式换热器水系统的运行调适，总结出了多级板式换热器水系统和二级泵系统在实际运行过程中需要注意的关键环节和行之有效的调适方法。

对于超高层建筑，基于承压考虑，往往需要设置多级板式换热器水系统，与此同时，为了降低输送能耗，往往将各级水系统设计为大温差运行。但在实际运行过程中，特别是在部分负荷下，从末端到各级板式换热器，一旦某一环节运行温差偏小，其他环节也难以实现大温差。针对上述问题，本文提出了三步走的调适方法。首先，调节末端直连冷水系统压差设定值，避免水泵频率过高导致系统流量偏大。其次，提升板式换热器换热性能，在保证二次侧供水温度达到设定值的同时，降低一次侧供水流量。最后，对于各并联分区之间，尽量调节水力平衡，避免水力失调导致系统整体流量偏大。

对于现在普遍采用的二级泵系统，末端功能越复杂，越容易出现逆向混水导致末端供水温度偏高的问题，部分负荷时逆向混水问题会更加严重。针对上述问题，本文结合实际案例，通过降低制冷站二级侧供水量的方式杜绝旁通管的逆向混水情况，实现二级侧供水温度接近一级侧实际供水温度，不仅使二级侧供冷效果得到保障或者优化，对避免二级侧供水量偏大，降低二级泵运行能耗也有积极作用。

二级泵多级板式换热器水系统运行调控较为复杂，任何一个环节出现问题都会导致系统运行能耗偏高，因此在实际运行过程中，一定要从末端实际供冷需求出发，合理设定自控参数，精准匹配末端水温、水量需求，避免过量供冷的同时，降低冷水系统输送能耗，实现空调系统的节能运行。