再谈一二次系统在中央空调系统中的应用.docx
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再谈一二次系统在中央空调系统中的应用
再谈一次/二次系统在中央空调系统中的应用
意大利卡莱菲公司北京办事处 舒雪松
在前几期“卡莱菲”专题里，我们已就一次/二次系统的由来、原理以及应用方式做了
介绍。
在本章节里面我们将进一步介绍中央空调系统中的一次/二次系统与缓冲罐、动态流
量平衡阀、并联机组之间的相互关联及调节方式。
一、缓冲罐作为水力分压器的方式
在空调循环系统中，缓冲罐能有助于提供有效的水容积，以满足任何季节下系统运行所
必需的水量。
缓冲罐在系统中有两种安装方式：
1、 作为水力分压器的方式：
用于形成一次/二次系统。
2、 直接安装在一次系统的供水或回水管路上。
前面我们已经讲到，要把一个系统分为一次/二次系统，必须有一个水力分压的装置。
图 1
是一个典型的缓冲罐作为一次/二次系统水力分压器的应用图示。
图 1 中缓冲罐作为水力均
压器使用时，为了保证在一次/二次流量变化的情况下可以正常地合流/分流，需要注意以下
几点：
（a）缓冲罐的高度为直径的 2.5 倍以上。
（b）一次/二次系统的接口应是水平而不是交叉连接，即：
一次系统的供水端对应二
次系统的供水端，二次系统的回水端对应一次系统的回水端。
（c）一次系统的水泵在一次系统的回水侧，二次系统的水泵在二次系统的供水侧。
（d）在夏季制冷运行状态下，供水端（一次及二次系统）都应在下面，因为冷水的
密度更大易于下沉到底部。
（e）在冬季采暖运行状态下，供水端则应该在水力分压器的上面，回水端在下面，
如图 2 所示。
（f）在冬/夏转换的热泵系统中，最好能设计一次/二次系统的接口转向。
如果接口
不易做转向，则应该取图 1 的夏季运行方式为优先。
因为在冬季采暖状况下，
由于分层水温的差值对于供暖造成的影响并不大。
而在夏季运行状态下，即便
是 1℃的温差也会起到负面的效果，影响到末端的制冷/除湿能力。
在没有条件安装竖式的缓冲罐时，可以采用图 3 的横式缓冲罐安装方式。
缓冲罐与集分
水器 C2 的连接管道流速不能高于 0.4 米/每秒。
这种系统适合于热泵系统，因为它相对于前面的系统，减少了换季后的分层水温差值问
题。
需要避免的是一次/二次
系统选用相同的水泵。
在这
种情况下，一次/二次流量相
等，水力分压器内部流量为
零，也就是没有水流在缓冲罐
内循环。
这样，缓冲罐内储存
的水量不能起到防止系统滞
后的作用。
二、缓冲罐安装在供水/
回水管道上的方式
缓冲罐可以安装在供水
或者回水管道上。
这时，系统还
需要一个水力分压器来实现
一次/二次系统。
如图 4、5 标
缓
示， 冲罐分别安装在一次/二
次系统的一次供水或回水端。
将缓冲罐安装在供水或
回水上无太大区别。
对于两
种方式均有不同的支持者。
支持缓冲罐放在供水侧
的有两个说法：
图 1
图 2
图 3
一，在二次系统负荷超过一次系统时，或者是在冷水机组停止运行时，缓冲罐能保证系
统正常的运行。
这种说法未免天真：
因为要起到以上功能，尤其是在冰水或冰蓄冷系统中
（制冷时），需要的储水箱远远大于起到缓冲作用的缓冲罐。
这种情况下通常用类似于消防
水箱的储水设备进行冰蓄冷，解决用电高峰时期的制冷问题。
而缓冲罐如果运用在这种方式
下，其能够起到的制冷作用也仅几分钟而已。
二，在空气型冷水热泵机组的除霜状态时，缓冲罐在供水侧的使用能优化系统。
在机组
进行除霜时，缓冲罐用其储存的水提供正确的供水温度。
如果这个说法成立的话，那不可避
免的是，缓冲罐里的水温也会逐渐改变，会被除霜的冷却温度降低。
它只是把降温的问题延
迟了一些而已。
支持将缓冲罐放在回水侧的说法同样是对于除霜状态，他们认为，缓冲罐更
高的水温回到冷水机组里更易于除霜这个复杂的环节，而且，在供暖刚开始时，经过未端的
回水还没有完全冷却下来。
两种方式都有其道理和值得借鉴的地方。
图 4图 5
三、冷水机组与末端在同一个循环系统里的探讨
把冷水机组与末端同时放在一个循环系统内，即：
同一个（或同一组）水泵既负责冷水
机组也负责末端的循环。
这种方式有很多潜在的问题，以下我们将来研究这些问题以及提供
一些为已经运行的此类系统的解决方案。
图 6 是一个典型的单循环系统，它可能是由一个水泵负责整个系统的循环，或者由 2
台泵分别安装在两个并联的冷水机组前面。
在本图这种情况中，两台水泵都必须始终运行。
一旦一个水泵停机，运行中的蒸发器会因为瞬时流量的变化受到损坏。
因此需要采取必要的
措施以防此类故障发生。
在末端设备开关时系统流
量会发生变化。
因此在使用三通
图 6
调节阀的旁通回路上需要安装
平衡阀用于补偿末端关闭时相
应的压力损失。
如果旁通回路流
量平衡不佳，冷水机组的流量则
会经常变化，因此会造成其工
作不正常。
保证冷水机组正常流量的
解决方案是在每台机组水泵的吸入端安装动态流量平衡阀。
这样，流经每台冷水机组的流量
都与设定流量相符。
在末端设备使用二通调节阀的变流量系统内，如图 7 所示，则需要在供回水主管之间
安装压差调节器，用于控制冷水机组供回水的压差始终稳定。
压差调节器（以下简称 VS）
图 7
控制 A—A1 点之间的压差，保证
冷水机组的流量恒定。
当末端
的两通阀关闭时，A 与 A1 点之间
的压差上升，VS 打开，将冷水
机组的供水旁通回到冷水机组。
如果没有压差调节器，经过冷
水机组的流量就会随末端的开
关而改变。
在这种图示里，同样需要避免的是一台冷水机组关闭及其相应的水泵停机。
它的问题
在于，水泵和压差调节器的开关速度不一致：
水泵停机是瞬时的，而压差调节器的开关时间
较长，通常从 30 秒到 2 分钟。
我们将从图 8 中更深入了解这一问题。
当两台水泵都开启时，压差调节器处于 x%的开启程度（取决于末端两通阀的状态），这
时系统的工作点为 A2 点（两台水泵运行的扬程曲线与机组水流特征曲线的交叉点）。
这是系
统的设计工作点。
单台机组与单台水泵的工作点为 A1。
当一台机组和水泵关闭后，系统特
征马上产生变化。
VS 的开度在这时仍为 x%，而系统的一部分流量，即关闭的机组和水泵那
部分没有了。
这时工作点会从 A2 转到 B1，这时，单台运行的机组流量达到 140%，VS 感应到
压差的变化，才开始逐渐关闭，开度由 x%转变到 y%，将流量向 A1 点恢复，但是这需要 30
秒到 2 分钟的时间；然而水泵停机的效应是即时的，因此从 A2 工作点到设计的单台机组工
作点 A1，需要经过流量过载的 B1 点。
图 8
扬
程
单机运行，VS 开度
y% 双机运行，VS
开度 y%
单机运行，VS 开度 x%
双机运行，VS 开度 x%
双台水
泵曲线
单台水泵曲
线
流量
更严重的问题是，但机组和水泵重新启动时，系统的特征又会发生变化。
当水泵启动
时，VS 开度仍然为 y%，它与两台水泵同时工作的扬程曲线交叉点为 C2。
由于 VS 开度仍为
y%，因此流量上升有限，所以在瞬时开启时，正在 A1 点工作的单台机组转入 C1 点工作，流
量由 100%下降到 55%。
这种流量的下降对于机组的正常运行非常有害，因为它会造成部分液体回流到压缩机。
VS 感应压差变化后，才逐渐从 y%的开度改变到 x%的开度，因此从 C2 点转移到 A2 点工
作，对于每台机组则是从 C1 回到 A1 工作点。
但是这个过程较为缓慢。
这种状况的往返出现会迅速地造成机组压缩机损坏，甚至在过流时造成蒸发器的损坏。
四、冷水机组循环与末端循环系统的水力分压方式
将冷水机组的循环与末端的循环相对独立起来，其最重要的部分就是一次/二次系统的
桥梁：
水力分压器。
图 9-11 分别表示了水力分压器在一次/二次流量变化时的均压工作状态。
图 9 一次=二次流量图 10 一次>二次流量图 11 一次<二次流量
它相对于传统的循环空调系统，即上面所讲到的系统，有以下的优点：
1，一次系统，即机组循环系统流量恒定，不受末端流量变化的影响。
2，由于二次系统有其各自环路的循环泵，因此一次循环系统的水泵只用提供水力分压
器之前的一次循环的扬程，这样，一个功率较小的水泵就可以，因此能节省很大的能耗。
同
样, 相对于二次系统的循环也是一个道理。
3， 传统的系统中，一味地依靠手动或者自动流量平衡阀进行流量的调节，不仅增大系
统的初投资，而且更加增大了水泵的能耗，因为平衡阀制造更大的压力损失用于平衡关闭的
环路。
4，多种制冷方式的选择：
随着地板制冷、结构制冷等新型制冷方式的使用，系统要求
的水温不再是单一的水温：
比如地板制冷系统的供水温度在 14-18℃左右，而不是传统的风
机盘管的 7℃；同样对于空气处理机组的供水温度要求也更高一些。
这些不同的供水温度需
要相应的温度混合系统，而每个混合系统都必须配备自身循环泵。
在传统的系统中则很难实
现多种并存的制冷方式。
图 12 是一个典型的多种制冷方式并存的一次/二次系统：
在每个水力分压器的回水端使
用了动态流量平衡阀用于平衡每个区域的流量；在每个区域内部有 2-3 种不同的水温以满足
不同的制冷需求。
图 12 多种制冷方式并存的一次/二次系统
五、并联机组在一次/二次系统中的调节方式
在一次/二次系统中，对于并联的冷水机组有以下两种调节方式：
1、 对称式调节（方式 1）：
两台并联的机组按相同负荷调节。
2、 饱和状态调节（方式 2）：
先调节一台机组的负荷直到其完全停机，然后再调节第二台
机组的负荷。
接下来我们就简称其为方式 1 和方式 2。
这两种方式的本质区别在于温度的变化情况。
其原理图都一样，一次系统的两台机组并
联安装，每台机组自带水泵，一次/二次系统通过水力分压器分开，二次系统具备自己的循
环泵。
首先我们来分析一次流量等于二次流量的情况，即二次系统水泵 P2 的流量等于一次系
统水泵 P1A 和 P1B 的流量总和。
这种情况下，水力分压器内部流量为零。
在系统 100%负荷运行时，二次系统温差为设计的 5℃，这与机组系统的温差相等。
这时
两种调节方式是一样的。
这两种方式的区别开始于系统负荷减小时，如图 13 中所示，当负荷减少到 75%时，由
于负荷减少，系统温差也相应减少 1/4（从 5℃减到 3.7℃），一次系统及二次系统的流量在
两种调节方式下均没有改变，水力分压器内部流量仍然为零。
因此机组的回水温度与系统回
水温度相等，均为 10.7℃。
调节方式 1 将两台机组的运行负荷降到 75%，根据每台机组的特征及出水温度相同的设
定（7℃），整个系统的效率与单个机组部份负荷运行的效率相等。
调节方式 2 中的一台机组按 100%的负荷运行，出水温度为 5.7℃（5℃的温差），另一台
机组则按 50%的负荷运行，出水温度为 8.2℃（2.5℃的温差）；两台机组的出水平均温度，
即二次系统供水温度仍然相当于设定的 7℃。
第一台机组提供 67%的冷量，第二台机组提供
33%的冷量，因此整个系统的效率大致等于每台机组 EER 的平均值（系统的 EER 等于第一台
机组的 EER 的 0.67 倍，加上第二台机组的 EER 的 0.33 倍）。
两种方式的区别在系统负荷减少到 50%时更为显著，如图 14 所示。
系统的温差也在这时相应地从 5℃减到了 2.5℃，系统回水温度变为 9.5℃。
调节方式 1 将两台运行中的机组负荷下降到 50%。
一次系统流量仍然等于二交系统流量，
水力分压器中流量为零，系统回水温度与机组回水温度相同，均为 9.5℃，出水温度 7℃。
系统整个的效率与单台机组的运行效率相等。
方式 1
方式 2
图 13
水力分压器流量为零
水力分压器流量为零
方式 1
方式 2
图 14
水力分压器流量为零
水力分压器内部二次
回与一次供合流
P
调节方式 2 则不一样，一台机组这时完全停机，1b 水泵也相应停机，第二台机组仍按 100%
的负荷运行。
这时，二次系统流量大于一次系统流量（准确说是 2 倍）。
这时水力分压器内
部出现合流，即一部份系统回水与机组供水混合供应到系统。
当二次流量大于一次流量时，系统的回水温度等于机组回水温度 9.5℃，因为机组全负
荷运行，所以供水温度为 4.5℃，温差为 5℃，由于二次回水与机组供水在水力分压器内部
混合，所以系统供水温度仍然可以维持在设定温度 7℃。
系统的整个效率与运行中机组的效
率相等。
这儿需要强调的是，在机组 2 停机时，即使打开水泵 P1b 也无任何区别。
因为系统供水
的温度在水力分压器内部得到了混合。
因此开启水泵 P1b 只是无谓的耗能。
在系统负荷下降到 25%的情况下，温差由设计的 5℃下降到 1.2℃，回水温度变为 8.2
℃。
调节方式 1 下，两台机组的负荷下降到 25%，一次流量仍然等于二次流量，系统回水温
度等于 8.2℃，出水温度 7℃。
整个系统的效率与每台机组部份负荷运行效率相等。
调节方式 2 下，一台机组停机，另一台以 50%的负荷工作。
这时，二次流量大于一次流
量（双倍），机组回水温度与二次系统回水温度相等，为 8.2℃，出水温度为 5.7℃（温差为
5℃的 50%即 2.5℃）。
在水力分压器内部，一次供水与二次回水相混合分为设定的 7℃，系
统整个的效率与单台运行的效率相等。
综上所述，调节方式 1 和之间的本质区别在于：
1、 方式 2 注重机组全负荷运行，方式 1 注重部份负荷运行。
2、 方式 2 更节省水泵电耗，因为它将停运机组的水泵关闭。
3、 但是方式 2 由于将负荷降低，出水温度低于方式 1，所以效率更低。
方式 1 和方式 2 有各自的特点，它主要视其后面一次/二次系统而定，所以对于哪种方
式更为合理并无明确的界定。
六、一次/二次系统中并联机组的监控系统重要性
这儿我们将重点强调一下调节方式 1 和 2 的监控系统。
调节方式 1 对于监控系统无特殊的要求。
因为每台机组的出水温度均为设定值，所以只
需对出水温度进行检测，其它的微处理器做相应调节就可以。
唯一需要指出的是，鉴于不同
的温度传感器读值偏差，因此建议在水力分压器进水端设置一个温度传感器进行控制。
调节方式 2 对于监控系统则有更严格的要求：
因为每台机组的出水温度根据其运行机组
的数量变化而改变。
为了更好说明这个问题，我们参考图 16。
当一台机组关闭时，另一台
需要出水温度 4.5℃，这种情况下，则需要进行调节，要不运行的机组仍按设定的 7℃出水
机组负荷则会降低，会造成提供系统冷量不够。
这种调节必需有一套监控系统，而不能使用通常的外部温控器来开停机组，因为它们会
带来致命的错误。
常犯的错误就是将温控器安装在回水管道上，当回水温度低于一个设定值，
比如 9.5℃时，就停止一台机组，因为其逻辑是，温差为设定值 5℃的一半，因此相当于负
荷减到 50%。
致命的错误：
运行中的机组将出水温度维持在 7℃，而在 9.5℃回水时它有可能已经部
份负荷运行。
系统要求 50%负荷，而这时机组却只能提供 25%的负荷，因为一台机组关机，
另外一台按 50%负荷运行。
由于二次流量大于一次流量，部份回水与供水相混合，因此系统
供水温度提高，会造成系统的制冷，除湿能力不能达到设计要求。
因此对于调节方式 2 必须有完整的监控系统。
七、总结
一次/二次系统在供暖和制冷系统上的运用在欧美国家已经较为普及。
在中国，随着独
立分户式采暖/空调更多的运用，用户对于舒适、节能和人性化更高的要求，传统的设计方
式不再能够满足用户的需求，系统水力特征的创新设计是势在必行的了。
参考资料：
Michele Vio:
Gruppi frigoriferi in parallelo,
Michele Vio:
Circuiti Idraulici primary e secondari
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