开利水冷机组说明书(冷水机组的布置)

冷水机组运行原理：

单台冷水机组布置：

最简单的形式就是只有一台冷水机给建筑物的盘管提供冷冻水。冷冻水的冷却方式可以是水冷或风冷。不考虑冷却介质，单台冷水机组有某些和多台冷水机组组合所具有的共同特征。

这些特征主要包括冷冻水的变流量调节，节能运行方式，控制方法以及典型的运行步骤。

首先，让我们了解如下一些基本原理：

让我们了解：

1.水流量变化；

2.能耗；

3.如何控制冷水机组；

4.一般的运行次序。

对于流量的变化：

冷水机组的设计运行水流速为3fps～12fps。在该流速范围内，管内水流处于紊流状态，性能良好，传热达到预期效果。管内流速低于3fps时，流动变成层流，换热器的运行将无法达到预期效果，并且性能不稳定。冷水机组的运行将不稳定。

注：英制1cmm=35.32cfm；1m=3.28ft×60=196.8fpm；fps。

（即每分钟一立方公尺，等于每分钟35.32立方英呎，每秒呎。）而1m3/Sec=1000L/Sec，1L/Sec=2.120cfm。

因此，管内流动必须处于层流区域以外以确保可靠良好的运行。

尽管换热器设计要求的流速最大值为12fps，但系统的设计必须考虑压降，因此设计者应当采取措施保证压降在20～30英寸水柱。一般说，这将使管内流速处于8～10fps之间。

因此，冷水机组可能出现层流的负荷百分比在30％到38％之间。在此取为40％。由此，最好保持冷水机组的运行负荷不低于40％，以确保冷水机组良好可靠地运行。

对于流量的变化：

冷水机组热交换器流速范围：（3<速度<12英尺/秒）；

一般是8~10fps，当低于3fps会导致层流而自动停机。

这意味着（3/10）×100=30%到（3/8）×100=38%流量。

一般必须使机组流量高于40%。

能耗：

下图包含了冷水机组部分负荷的运行范围。实际冷水机组的性能在型号与尺寸方面因制造商而不同。但是，最终的数据应接近所示的范围。该图具有代表性，从事实际工程的任何人都需要对提供部分负荷运行的特定冷水机组进行实际的能耗分析。通过所示信息，我们可以看到，冷水机组的最有效运行状态点为满负荷或略低于满负荷的工况点。

当机组负荷下降时，机组的能耗也降低，但这种降低不是线性变化的。冷水机组的kw/ton值在大于40％负荷时降低缓慢，在低于40％之后，显著上升。因此，机组运行负荷低于40％时效率低。

分析制造商技术参数可以发现另一个趋势，即小型机组的效率一般低于大型机组。这是由于市场压力造成对小型机组的初投资很重视。而投资昂贵设备的顾客可能更关心机组的节能。

不管机组是大型或小型的，冷水机组必须在建筑物的负荷状态下运行。下图显示了建筑物的典型负荷分配。冷水机组的容量是按照最大设计工况确定的，这样的负荷一年出现的概率为1％。冷水机组在大部分运行时间内的负荷为建筑物负荷的30％到80％，由此，可以得到一个简单的结论。

使用多台式冷水机组组合可以获得高效的运行，这是一种很好的方法。组合式冷水机组使设备能够在满负荷或接近满负荷的工况下运行，在多数时间效率达到最高。另外，也更容易使机组在40％以上负荷工况下运行，效率高。

大部分高效负荷是在满负荷时，下降到40%负荷KW/TON保持相同；部分荷载时低效；小于40%时效率更低；小型机的效率比大型机的要低。

按照峰值负荷配置，在一年中的大多数时间，在30%到80%负荷之间运行。

多台冷水机组—好。

1）更好的总体效率；

2）可保持在40%之上的负荷。

单台冷水机组的控制：

下图表示单台冷水组机的运行。一台冷冻水泵把水从冷水机组送到建筑物里面的盘管。冷水机组监控并保持冷冻水出水温度（LCHW）。一般还有少数空气处理盘管也包含在该系统中。

系统中的控制阀对流量的改变可反映到冷水机组。如果使用了两通阀，水量的变化将非常显著，并可能下降到冷冻机额定水量的40％以下。为此，旁通管安装在两通阀的附近以保证冷水机组的最小流量。

如果使用了三通阀，那么冷水机组流量将保持恒定，但不可能有部分负荷时的节能。

因此，这种系统一般在远离冷水机组的盘管上使用两通阀和一个三通阀。三通阀在盘管不工作时旁通水。旁通量是冷冻机额定水量的30－40%左右。若盘管负荷一致，旁通量是总流量的33％。

如果盘管的数量非多—表示旁通量将小于30％，那么另一种旁通设计将被使用。我们将简要说明。

泵自身也需要一个最小流量。泵的轴承通常由通过它的水来冷却。没有水流时，泵会过热并损坏轴承。

在系统的冷凝器一侧要有冷却水泵，管路连接到冷却塔或其他一次直通系统的水源。

这个系统另一个需要考虑的问题是它没有备用能力。如果冷水机组需要检修或损坏，建筑将失去服务。

系统特性：

安装费用低；

允许最小负荷：

低于40％流量冷冻机效率差；

冷冻水流量一定要保持在40％以上；

泵要求最小流量。

没有后备能力。

温度探头设在冷冻水的出水管上，冷水机组调节容量以维持出水温度；

单台机组的冷冻水泵由冷水机组控制器启动；

盘管阀门改变冷水机组流量：

-旁通确保最小流量（40%）。

让我们来看看单台冷水机组的运行是如何控制的：

冷水机组控制器根据它自身内部时钟或一组外部触头来启动冷冻机。控制器通过预启动时间延迟程序来检查冷水机组的可靠性并提供正确的润滑油压。此外，预启动程序利用冷水机组启动过程中的延迟来启动冷冻水泵和冷却水泵。如果冷水机组配备了隔断阀，那阀门的位置（开/关）在冷却水泵启动前要检查。

建议每台冷水机组要有一个冷冻水泵和一个冷却水泵，泵的启动要遵循上面所说的方法以做到对冷冻机的最佳保护。

当预启动润滑循环完成，控制器激活“降温”循环，即增加必要压缩机容量来使冷冻水水温达到设定点。这个过程可以通过控制离心机的进口导向叶片、螺杆机的滑阀或往复机的级数来完成。控制器监测冷冻水水温下降的速率，在合理的时间内，调节合适的压缩机容量来使冷冻水降到设定温度。

一旦降温环结束，增加或减少需要的压缩机容量以控制冷冻水水温在设定点上。所有安全性一直被监控，如果有任何出错，冷水机组会停机。

当内部时钟或外部启/停触头开启，控制器会停止冷冻机并激活停机后时间延迟和关机程序。在这个循环中，回转设备（螺杆机和离心机）会在压缩机完全停止以前经过一个润滑循环确保到轴承的油压。往复机经过一个抽空（pump-down）循环。曲轴箱加热器同样被激活以将在停机过程中被油吸收的制冷剂减到最少。

启动受控于内部或外部的定时器；

预启动：

-安全检查

-关断曲柄加热器并且启动油泵

-启动冷冻水和冷却水泵

进入降温循环：

-缓慢增加冷水机组的制冷量

-使冷冻水达到设定温度

进入常规控制：

-增加或减少冷量以满足建筑负荷的要求

-安全监控

-当需要时切断

停机受控于内部或外部的定时器：

-润滑程序和使曲轴箱加热器运行

-激活再启动延时

单环路—两台冷水机组：

最流行的冷水机房布置包括两台冷水机组。大量的建筑采用这种布置。如下所示，是两台冷水机组并联。每台冷水机组都有自己的冷冻水泵。当冷水机组启动时，冷冻水泵也启动，止回阀防止冷冻水向停运的冷水机组倒流。

剩下的冷冻水系统设计就跟我们先前所学的单台机一样。

这类系统能够有效地实现冷水机组和泵的部分负荷节能。由于典型的负荷模式大小在30％到80％之间—峰值在50％，两台冷水机组更好地满足了建筑物的负荷。

因此，在使用两台冷冻机时所要面对的最主要的问题是，蒸发器的接管应该并联还是串联。

围绕这个问题已经进行了很多讨论和研究。哪一种更有效率？哪一种提供更好的使用性能和可维修性？

两台冷水机组容量相同（各占50%的负荷）

每台都有对应的水泵：

-冷水循环

-单向阀确保不倒流

部分负荷特性及水泵节能很好。

串-并联理论（并联冷凝器）

下图表显示两台冷水机组串联（左边）与两台冷水机组并联（右边）的比较。所有的冷凝器都假定并联－有同样的冷凝器压降和能耗。两台冷水机组都有两流程蒸发器和两流程冷凝器。

两台并联的机组在建筑物负荷下降时有一样的高低压差和并联卸载。每个蒸发器压降在20ft wg左右。

对串联机组，“A”机的高低压差将较小，因此比并联布置节能，前提是两台串联的冷水机组保持同样的流程和同样的水压降。

然而，将冷水机组转为串联布置的结果是，两流程的每台冷水机组现在要处理两倍的流量。管内速度会加倍，压降会以四倍递增。显然80ft wg的压降无法被接受。

为了使压降回到合理的水平，流程布置要下降到一流程。一流程蒸发器会有比两流程低的饱和蒸发温度（SET）。因此，B机的SET会比并联机组的低。

由于与并联机组的冷凝器性能相同，B机将比C或D机有较低的效率。

A机工作在比C或D机更高的冷冻水水温下，甚至用一流程蒸发器，A机的SET也比C或D机高。

综合A机和B机一起，总能耗和C和D机是一样的。

唯一节能的可能是A、B机为一流程、大温差，水泵能耗会略小一点。

比较是从能量的观点来考虑的。

可是争论并没有停止。如果冷凝器按串联逆流布置，串联布置不能提供一个更好的节能结果吗？

串联逆流冷凝器：

在图中，可能的最好的串联布置方案已形成。冷凝器对于蒸发器是逆流接管布置。

将冷却水串联流过冷凝器会引起在A和B机的蒸发器中遇到的同样的问题。标准压降20 ft wg会变成80 ft wg。因此，就像蒸发器一样，冷凝器必须变成一流程以保持冷凝器压降的合理性。这样，A机和B机的冷凝器的饱和冷凝温度要比并联时高。

另外，由于A机和B机蒸发器的一流程布置对应C机和D机的两流程布置。总的来说，两个系统消耗的能量大致相等。

串并联研究：

下页对冷水机组的串联与并联连接进行了对比研究。典型的并联连接与可能的最佳串联连接。研究是基于500冷吨的冷水机组，冷冻水水温为54F/42F，冷却水为85F/95F。

正如预料，并联与串联的压缩机的能耗相差较小（491/510）。并联的水泵能耗远小于串联（41.3扬程/68.6扬程）。

总体分析，两个系统的能耗是基本相同的。

在两者之间的选择必须考虑其他因素。让我们来看是哪些因素。首先我们分析串联系统的管路布置。

串并联能耗研究：

2台400Ton，冷水机组：

总的来说能耗基本相同。

两台冷水机组—串联：

当两台冷水机组串联接管，冷冻水出水温度传感器（LCHW）必须设置在后一台机组的下游。经验表示，在这种配置下，两台机组分担相同的负荷。

如果每台冷水机组把它自己的LCHW装在各自的出水管上，上游的冷水机组总是会满负荷，而下游的冷水机组可能处理不足量的负荷。这不是最有效率的运行做法。

第二个值得考虑的是为维修考虑，两台冷水机组都要求旁通。旁通管的大小必须根据50％系统流量和等于冷水机组的压降来定。

所以，这种布置比并联冷水机组要求更多的管道。

无论如何，最需要考虑的事情是如果你想扩大冷冻机房的容量，你该做什么。将三台冷水组机串联，从操作或配管观点来看都是不实用的。

显然，并联布置容易增设设备。

设备扩展：

显然，并联布置便于扩展设备容量，管路改造容易，相应的控制也简单。

冷水机组的并联设置优点：

-易于排管

-易于操作和控制

冷水机组的并联设置较普遍。

压差旁通：

保证冷水机组和泵最小流量的办法是在冷水机组和负荷之间提供一个压差旁通阀和旁通管。

这个方法给冷水机组流量更精确的控制。旁通管应该设置在尽可能远离下游负荷，以保持尽可能多的管道系统在恒压降下。这个恒压降确保了恒定的冷水机组流量和稳定的冷水机组运行。

在这种系统中，所有的盘管都由两通阀控制。

旁通阀以保持供回水总管的设定压降来控制。当两通阀控制负荷节流，系统压降会增加。供回水总管的压差会增加。旁通阀感觉压差的上升，就从供水管旁通水回到回水管。从而，冷水机组的流量保持恒定。

旁通使供回水总管压差恒定；

使旁通管和传感器尽可能离末端远：

-使绝大部分管路处于恒定压力下；

-使冷水机组水流量恒定。

并联泵：

一些工程师选择在并联管道中设置所有的冷冻水泵。这提供了额外备用泵的能力。

这布置有助于相同型号的泵匹配相同型号的冷水机组。每台冷水机组控制板能启动各自的专用泵－就好像泵不是一组配置的。

每台冷冻机都要求有自动隔断阀且要匹配对等的泵。这预防了水流到停运的冷水机组里去。

由于盘管由两通阀控制，最远的盘管必须准备一个三通阀和一个以冷水机组最小流量确定尺寸的旁通管来保护冷水机组和泵。

当组合不同型号的冷水机组时，这种泵系统不被推荐－特别是如果控制方法能引起泵和冷水机组容量不相匹配。将导致冷水机组的运行问题。

易于提供备用泵；

要求用于相同型号的冷水机组，每台冷水机组可以启停它自己的水泵；

冷水机组需要自动控制隔断阀；

需要三通旁通阀。

一次/二次泵：

另一种维持冷水机组流量恒定但可节能的方法是采用两级泵系统。

在这种系统中，一次回路中的每台设备可开始/停止。通过冷水机组的冷冻水循环维持恒定，并通过水力解耦管与末端平衡。

两通阀用于系统负荷端的盘管。二次泵站提供冷冻水给盘管。二次泵通常逐台开启，为了备用和平衡各泵运行时间。每台二次泵需要止回阀防止水反循环通过停转的二次泵。

当盘管的控制阀关闭时，很少量的水通过泵的二级循环，二级循环压力升高。这通常意味着一次泵将会很缺水。然而，并不需要通过二次泵使水流返回一次泵以确保恒定的一次回路水流。在二次回路末端设置旁通管或三通阀，旁通量是最小的泵的水流量，如果二次回路没有使用，它的尺寸更小。

在开启条件下，盘管控制阀将全开，二次泵将抽取比设计的一次回路大的水流量。水力解耦管中的水流方向将相反，额外的水流不需要由一次回路提供，一次泵流量保持恒定。

水力解耦管的尺寸按最大的冷水机组要求的水流确定。

一个可选择的控制方法是使用变频二次泵以配合盘管负荷的要求。

二级泵系统：

一台水泵工作，另一个备用（切换）；

与盘管的负荷匹配；

盘管旁通，满足二次泵的最小流量。

水力解耦管确保一次水系统流量恒定：

冷却塔：

下图是冷却塔循环回路，冷却塔与并联机组相连，任何机组运行时冷却水都经过冷却塔的所有单元。

每一冷凝器对应各自的水泵，并由机组控制器启停，控制器同时监控冷却塔回水水流开关，该开关纳入机组的安全保护电路中。

冷却塔有独立的控制器控制风机的风量以维持回水温度，这是通过改变风机台数或转速来实现的。变速风机可以使系统在低环境温度下工作。

在较冷的季节，启动和保持机组正常运行变得困难。如果进入冷凝器的水温过低，机组会因制冷剂温度过低而跳闸。此时，需要冷却塔旁通。

常规的冷却塔，当任何冷水机组运行时，水流过塔的所有单元；

一台冷水机组对应一台冷却水泵；

冷水机组控制启动冷却泵，冷水机组控制监视水流开关。

冷却塔旁通：

运行方式如前所说，一种情况除外：

如果冷凝器的进水温度太低，冷却塔旁通可以调节使之高于设定点。如前面所说，控制阀必须能够保证回水温度降到可确保冷水机组安全运行的水平。55F/65F的范围是针对设计不同的机组而言。

降低冷却水温度可以降低冷水机组的高低压力茶和能耗。

阀门的控制有时是依靠冷水机组上的微处理器来进行的，它也可以单独控制。

允许冷却塔出水温度达到冷水机组限定值（减少能耗）

如果冷却塔出水温度太低，调节冷却塔的旁通阀：

1）一般需要单独控制旁通阀；

2）有时通过冷水机组来控制旁通阀。

三台冷水机组的运行：

采用三台冷水机组的运行方式是常用的，负荷率分别是40%、40%和20%。如前所说，大部分运行时间是在30%到80%的设计负荷下，这种方式提供了最佳的容量组合。

需要供冷时，最小的机组先启动，如果建筑负荷超过20%，启动40%的机组而20%的机组停运。如果负荷超过40%，两台40%的机组都运行且平摊负荷，直至负荷超过80%，20%的机组再次投入运行。

首先启动20％的冷水机组；

如果负荷大于20％，启动第一台40％的冷水机组；

当40％的冷水机组承担负荷的时候，20％的冷水机组停止运行；

当负荷大于40％时，启动第二台40％的冷水机组（平均承担负荷）；

当负荷大于80％时，再次启动20％的冷水机组。

冷水机组的控制：

以开利机组为例。

如果没有冷冻机房的控制系统本章是不完整的。随着直接数字控制技术的出现，微处理器使用于包括冷冻机房在内的HVAC控制系统中。

首先，每台冷水机组可以从厂里购买时配上微处理器控制器（PIC），即开利的产品集成控制。工厂配置了PIC控制器。

冷水机组可以由PIC单独控制。它监控自己的冷冻水出水温度，根据负荷来控制压缩机的容量，同时也控制冷却水泵和冷冻水泵的起停。

另一个微处理器装在机房墙上的NEMA1中。此模块称为冷冻设备控制系统（CSM）。由网络线把它与各台冷水机组的PIC联接起来。这样就可以用微处理器在网络上相互沟通。如果需要，根据内部的时钟和通过两个传感器（在本课件中各系统图中所示的CHWST和CHWRT）监测的室内负荷，由CSM启停冷水机组。

根据室内负荷，CSM可以提供每一台冷水机组的设置点，并且可以调节每一台设备，所以室内负荷被每一台设备平均的分担。

CSM还可以自动切换不能工作的设备。

第三个控制器“舒适性控制”（CC）也是装在墙上的NEMAT1中，并与同一网络线连结。CC可以编程来控制冷却塔的起停、开启风机、需要时调节旁通支路。从冷水机组获取信息，维持一个足够高的冷却水温度来防止冷水机组不稳定运行，并使冷水机组的能耗优化。

控制系统的最后一个组成部分是一台连接在同一网络上的个人计算机PC 。通过PC，操作人员可以监控机房温度、冷水机组内部数据、改变设定值、改变运行时间表、从微处理器接受警报、生成定期的关于机房情况的报告。

上述整个控制系统称为开利舒适网络。

产品的整体控制(PIC)：

控制任意一台冷水机组：

-控制冷水机组和水泵

制冷系统管理微处理机：

-控制冷水机组的启停

-平均运行中冷水机组的负荷

-控制冷水机组冷冻水出水温度

-提供冷水机组自动备运

舒适控制处理器：

-控制冷却塔

-控制塔的旁通阀

中央计算机：

-操作界面。

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