1、冰蓄冷系统中卤水泵的合理配置和选型Proper selection of brine pumps for ice storage systems摘要 按板式换热器的数量对并联蓄冰系统、按泵的数量对串联蓄冰系统进行了分类，并对常见的蓄冰系统水泵设计方法进行了分析和评价。针对并联单板式换热器系统传统设计方法存在的问题，提出了泵的改进设计方法；对于串联系统，则提出采用制冷机旁通、多级泵和变频泵的方法使系统配置更加合理。关键词 冰蓄冷,卤水泵,系统设计Abstract Classifies ice storage systems according to the number of heat exch
2、angers to the parallel system and number of pumps to the series system. Analyses and evaluates the conventional design method of brine pumps for ice storage systems. Based on the problems resulted from the conventional design method in parallel systems, proposes an improved design method for brine p
3、umps. Proposes methods such as by-pass with chiller, multi-grade pumps and variable speed pumps to optimize series ice storage systems.Keywords ice storage, brine pump, system design0 引言中国大陆从 20 世纪 70 年代开始在体育馆建筑中采用水蓄冷空调技术，90 年代初开始建造冰蓄冷空调系统，到 1999 年为止，在建、建成或投入运行的蓄冰空调工程共达 70 多个1。已运行工程的总体运行情况较好，证明蓄冰空调在
4、我国是完全可行的，个有良好的前景。但由于蓄冰系统在我国发展的时间还不长，许多设计人员对蓄冰系统认识还不够深入，导致这些工程也存在各种各样的问题，使得蓄冰空调系统达不到设计要求，不能为用户带来运行费用的更大节省。这些问题涉及到蓄冰槽的性能、蓄冰系统的配置、运行控制等方面2。长期以来，蓄冰空调的设计人员受到两个误导。一是蓄冰空调系统非常复杂，存在多种模式转换，因而不如常规空调系统可靠；二是蓄冰空调系统很简单，只需按部就班进行设计，反正最后自控系统能够可靠、节能地运行。确实，在一天中存在多种模式转换是蓄冰空调与常规空调最重要的区别，也是蓄冰空调最重要的特点。正是由于蓄冰空调系统具有这一特点，蓄冰系统
5、必须进行精心设计，才能满足实际应用的要求。只有设计合理，配以良好的自控系统，蓄冰系统才能既满足用户要求，又为用户带来运行费用的节省。如果系统设计不合理，再好的自控系统也不能发挥作用。因此，系统配置是蓄冰空调一个不可忽视的重点。关于蓄冰空调系统的配置，已有大量的文章3，4进行了阐述。这些文章对蓄冰系统中的并联、串联形式进行了比较详细的介绍。也有介绍不同系统形式的工程实例的文章57，对各种不同的系统及其优缺点作了比较充分的定性分析，但这些分析主要集中在并联和串联系统的特点及其适用的场合上，而对卤水泵的选型论述较少。事实上，对蓄冰系统而言，卤水泵的选型论述较少。事实上，对蓄冰系统而言，卤水泵的选型是
6、否合理既影响蓄冰系统的性能和控制效果，又影响系统的电耗和经济性。由于关于卤水泵选型的文献较少，人们通常是将普通空调系统中的经验直接应用到蓄冰空调系统中，这种经验看来是合理的，但往往没有考虑到蓄冰系统的两个特点：制冷机与冰槽的相互作用；一天之中不同模式的切换。由于这两个原因，按照普通空调系统设计经验所选择的卤水泵往往容易出现严重偏离高效工作点的情况，致使泵耗大大增加。而人们在进行蓄冰系统的经济比较时往往采用泵的额定功率进行计算，这样的计算结果掩盖了泵耗大大增加的事实，使更多的人忽视了卤水泵需进行精心计算和选型的重要性。这种做法的后果是所设计系统的功耗将远远高于计算值，用户的投资回收期将无法保证。
7、为了使技术人员了解蓄冰系统卤水泵设计方法和常规设计方法存在的不足，本文将在定性分析的基础上通过分析具体实例给出不同设计方法的效果比较，并提出更为合理的设计方法。在定量分析时，采用蓄冰空调动态仿真软件 TSTORS8作为工具。TSTORS 是清华大学空调教研组开发的蓄冰系统动态仿真软件，可以对不同的系统连接形式、不同的蓄冰设备（如冰球、冰盘管、蓄水池等）进行动态仿真，具有计算准确、收敛性好的特点，其体网络计算彩 MMKP 方法9。为突出泵的作用，在不同工况举例时主要列出系统流量的变化，以反映设计方法的好坏。1 蓄冰系统形式及分类虽然蓄冰装置的种类很多，但蓄冰系统的形式并不太多，如果不考虑蓄冰系统
8、与用户连接形式的差别（对蓄冰系统来说，直供和间接连接均存在一个负荷侧） ，仅按制冷主机与蓄冰装置间的连接关系进行分类，蓄冰系统通常分为并联系统和串联系统。并联系统最常见的形式有两种，如图 1 所示。在并联系统中，传统的分类方法比较注重泵的功能，因此将图 1b 所示的系统称为二次泵系统。本文采用按板式换热器的数量（具有相同功能的多个换热器当作同一个换热器看待）的方式进行分类，分别将图 1 所示的两种系统称为单板式换热器系统和双板式换热器系统。从后面的分析可以看出，这种分类方式更能反映这两种系统的特点，可更好地进行优化设计。 图 1 并联蓄冰系统串联系统最常见的形式有 3 种，如图 2 所示。为简
9、化起见，本文按照泵的数量（具有相同功能的多台泵当作同一个泵看待）进行分类。分别将图 2 所示的 3 种系统称为单泵系统、双泵系统和三泵系统。2 并联系统卤水泵的设计方法及改进21 并联双板式换热器系统211 并联双板式换热器系统卤水泵选型按照常规的设计方法，在双板式换热器系统中，制冷机泵 PI 的流量由制冷机的额定流量确定，其扬程由制冷机、板式换热器 1 所在的回路的阻力与制冷机、冰槽所在回路的阻力中的大者确定；融冰泵 P2 的流量由设计日尖峰负荷中冰槽所承担的负荷与系统设计供回水温差确定，其扬程由冰槽、板式换热器 2 所在回路的阻力确定。在单板式换热器系统中，制冷机泵 P1 的流量由制冷机的
10、额定流量确定，其扬程由制冷机、冰槽所在回路的阻力确定；负载泵 P2 的流量由设计日尖峰负荷与系统设计供回水温差确定，其扬程由板式换热器、冰槽所在回路的阻力确定。图 2 串联蓄冰系统212 并联双板式换热器系统定性分析从并联系统常规设计方法可以看出，在双板式换热器系统中，如果冰槽阻力与板式换热器 1 的阻力相当，则当蓄冰系统从制冷机供冷转达向蓄冰供冷模式时，制冷机泵 P1 的流量与额定流量基本相当，仍能工作在高效区；而如果冰槽阻力远小于板式换热器 1 的阻力，则转向蓄冰供冷模式时，制冷机泵 P1 的流量将远大于制冷机的额定流量，其工作点有可能进入低效率区，从而导致泵的功耗大增加。213 实例 1
11、假设制冷机额定流量下的阻力为 0.1MPa，板式换热器 1 的额定阻力为 0.1MPa，冰槽额定阻力为 0.08MPa，制冷机单独供冷时的流量为100%，则蓄冰时的流量为 106%；如果冰槽额定阻力为 0.03 MPa，则蓄冰时的流为 130%。从上面的例子可以看出，当冰槽阻力与板式换热器 1 阻力接近时，各卤水泵按常规方法选型即可，这样的设计可以使供冷模式转换时泵仍工作在高效率点上。而当冰槽阻力与板式换热器 1 的阻力相差较大时，则不同模式下流量变化很大，从而导致泵的功耗大大增加。因此，双板式换热器系统适于板式换热器和冰槽阻力相当的系统。22 并联单板式换热器系统221 并联单板式换热器系统
12、卤水泵常规选型方法及评价2211 并联单板式换热器系统卤水泵选型按照常的设计方法，在并联单板式换热器系统中，P1 泵流量根据制冷机容量确定，扬程根据制冷机、冰槽回路的阻力确定；P2 泵流量根据尖峰负荷和供回水设计温差（一般与制冷机供回水温差相同）确定，扬程根据冰槽、板式换热器回路阻力确定。由于没有单独的泵用于融冰，因此，单板式换热器系统适于冰槽阻力较小的蓄冰设备，如冰球等。2212 常规选型方法的定性分析在单板式换热器系统中，由于制冷机泵 P1 和负载泵 P2 的扬程包含了冰槽的阻力，因此当制冷机单独供冷（简称单供模式）时，P1 和 P2 的流量将大于制冷机的额定流量，泵的工作点会偏离高效区，
13、从而导致泵的功耗增大；当制冷机与冰槽联合供冷（简称联供模式）时，由于制冷机泵 P1 的扬程包含了冰槽的阻力，使得 P1 泵和制冷机构成的支路的有效阻力远小于冰槽支路的阻力，从而导致制冷机的流量远大于其额定流量，而冰槽的流量远小于其设计流量，一方面影响了冰槽的取冷，另一方面使得制冷机泵 P1 的工作点偏离高效区，功耗增大。需要说明的是，制冷机流量的增大，对提高制冷机冰水器的换热效率并无多大帮助，因此，流量的增大只会增加泵的功耗，而不会提高制冷机的制冷量。 2213 实例 2假设制冷机额定阻力为 0.1 MPa，冰槽额定阻力为 0.03 MPa，板式换热器额定阻力为 0.1 MPa，蓄冰模式时的流
14、量为 100%，则制冷机单供时的流量为 144%，制冷机和冰槽联供时的流量；制冷机为 123%，冰槽为85%；如冰槽额定阻力为 0.02 MPa，则联供时的流量：制冷机为 116%，冰槽为 87%；如冰槽额定阻力为 0.04 MPa，则联供时的流量：制冷机为129%，冰槽为 82%。从上面的示例可以看出，按照常规的设计方法进行卤水泵的选型会带来下列问题：制冷机单供时流量增大，可增大近 50%，从而导致泵耗增大。联供时制冷机流量偏大，增大 10%30%，泵耗增大；冰槽流量偏小，约为设计值的 80%90%，如泵的选型不合理，可达设计值的 50%左右，从而严重影响蓄冰槽的取冷。冰槽阻力越小，偏差越小
15、；阻力越大，偏差越大；如冰槽阻力大小 0.04 MPa,则联供时制冷机的流量：制冷机流量增大 30%，冰槽流量约为设计值的 80%。因此，单板式换热器系统适于冰槽阻力较小的情况。然而，即使冰槽的阻力较小，如 0.03 MPa,仍可能性出现制冷机和冰槽联供时冰槽的流量达不到设计要求的情况。这是单板式换热器系统形式必然带来的问题，因此应从系统设计角度进行改进。222 并联单板式换热器系统卤水泵选型方法的改进2221 方法 1从上面的分析可以看出，导致制冷机单供时流量增大的原因有两个：一是制冷机单供时，系统阻力减小，负荷泵显得大了；二是制冷机泵是按蓄冰模式选择的，而制冷机单供时该泵所负责管路的阻力减
16、小，制冷机泵也显得大了。另一方面，制冷机与冰槽联合供冷时，制冷机流量增大而冰槽流量不足主要是因为此种情况下制冷机泵的扬程太大。综合这两方面的因素，合理减小制冷机泵的扬程就可改善制冷机单供和制冷机冰槽联供时的流量分配。鉴于此，卤水泵的改进选型方法 1 如下：P1 泵扬程根据制冷机的阻力确定，不考虑所在管路的阻力；P2 泵扬程确定同前述。按此方法选型后，仍用前面的例子，即制冷机、板式换热器阻力同前，则当冰槽阻力为 0.03 MPa 时,单供时流量为 136%，联供时流量制冷机为 112%，冰槽为 92%，蓄冰时流量为 88%；当冰槽阻力为 0.02 MPa 时，联供时制冷机流量为 108%，冰槽为
17、 93%，蓄冰时流量为 91%；当冰槽阻力为 0.04 MPa 时，联供时制冷机流量为 115%，冰槽为 91%，蓄冰时流量为85%。对照改进前的结果可以看出，P1 泵扬程减小后，一方面可以减小泵的型号，减少初投资；另一方面，单供时通过制冷机的流量明显减小；联供时通过制冷机的流量（108%115%）减小，通过冰槽的流量（91%93%）增大，从而使得各种模式下的流量更加合理，减少了运行费用。这种方法的不足是蓄冰时通过制冷机的流量（85%91%）小于额定流量，但由于制冷机载冷剂一般为乙二醇溶液，不会引起蒸发器冻结，同时由于流量减少不大，管内流体流动时的表面传热系数基本不变，所以对制冷机性能基本无影
18、响，因此它是一种行之有效的方法。2222 方法 2改进方法 1 中制冷机与冰槽联合供冷时，通过冰槽的最大流量仍小于额定流量。为使联供时制冷机和冰槽的流量均为额定流量，可进一步减小制冷机泵的扬程，这就是卤水泵的选取型方法 2。按照这个设想，当P1 泵扬程根据制冷机阻力减去冰槽的阻力确定、P2 泵扬程确定同前述就可实现。仍用前面的例子来分析，制冷机、板式换热器阻力同前，按选型方法 2 进行卤水泵的选型，于是当冰槽阻力为 0.03 MPa 时，单供时流量为126%，联供时制冷机和冰槽流量均为 100%，蓄冰时流量为 73%，当冰槽阻力为 0.02MPa 时,蓄冰时流量为 82%；当冰槽阻力为 0.0
19、4 MPa 时,蓄冰流量为 65%。对照改进前和改进选型方法 1 的结果可以看出，P1 泵扬程进一步减小后，可以选用更小型号的泵，进一步减少初投资；另一方面，制冷机单供时通过制冷机的流量进一步减小；联供时通过制冷机和冰槽的流量均为设计流量，从而使用权得各种模式下的流量更加合理，减少了运行费用。与改进设计方法 1 相比，在蓄冰模式下通过制冷机的流量进一步减小，为额定流量的 65%82%。一般来说，此时制冷机中载冷剂的表面传热系统只是略有减小，对制冷机的换热影响不大。不过实际使用时，可以征求制冷机供应商的意见。另需指出，在蓄冰槽的工作我方面，当流量在一定范围内增加或减少时，其蓄冰、融冰速率变化不大
20、。当然如果流量降低的幅度过大，使流动从紊流状态进行层流状态，可能引起蓄冰、融冰特性的急剧恶化，因此有必要控制流量不要过低。3 串联系统卤水泵的设计方法及改进31 串联单泵系统311 常规选型办法及评价对串联系统而言，联合供冷时的流量由设计日尖峰负荷和供回水温差确定，扬程由制冷机、冰槽、板式换热器回路的总阻力确定。一般来说，串联系统的供回水温差为 813。由于总流量并不是根据制冷机的额定冷量和额定进出水温差确定的，因此串联系统的流量一般不等于制冷机的额定流量。下面举例分析卤水泵的流量与制冷机额定流量的关系。假设制冷机容量占设计尖峰负荷的比例为 X（最大负荷为 100%） ，系统供回水温差为 t1,制冷机设计温差为 t2，由卤水泵的流量为1/（cpt1）,制冷机额定流量为 X/（cpt2） 。一般 t2=5，如t1=8，则 X=0.4 时例为 1.56；X=0.5 时二者比例为 1.25；X=0.6 时
