制冷机房冷冻水泵配置：并联运行与变频调节要点

上海蓝海泵业制造有限公司在公共建筑与工业厂房制冷机房的供泵与节能改造实践中，遇到较多的一类情况是：设计图纸按三台冷冻水泵两用一备配置，投运后却发现两台泵同时运行时单台出力明显低于单机运行，或者变频改造后节能效果远低于预期。这两类问题的根源都在并联运行与变频调速的机理上。冷冻水泵不是孤立设备，它的实际工况由泵特性曲线、管路阻力曲线与运行台数组合三者共同决定。本文按制冷机房的实际配置逻辑，梳理并联运行、变频调节与水力平衡三个层面的要点，并给出改造项目的核对清单。

一、制冷机房水系统的基本构成

理解冷冻水泵在系统中的位置，是分析并联与变频问题的前提。

1. 冷冻水侧与冷却水侧

中央空调冷源系统通常包含两个水循环：冷冻水侧把冷量从冷水机组输送到末端空调设备，冷却水侧把机组排出的热量带到冷却塔。

• 冷冻水侧常规供回水温度为 7 摄氏度供水、12 摄氏度回水，温差 5 摄氏度。
• 冷却水侧常规为 32 摄氏度进水、37 摄氏度出水，温差 5 摄氏度。
• 大温差系统把温差加大到 6 至 8 摄氏度，可在相同冷量下减少水流量，从而降低水泵输送能耗，是节能改造的常见方向之一。

2. 冷冻水泵的扬程构成

冷冻水泵需要克服的阻力包括：冷水机组蒸发器阻力、末端空调设备阻力、管路沿程与局部阻力、阀门与过滤器阻力。

• 闭式系统中，高程差不计入扬程，因为供回水管路在系统顶点连通，静水压力相互抵消。
• 开式系统或有高位膨胀水箱的系统需单独核算静扬程。
• 扬程应在计算值基础上留出合理余量，但余量过大会造成工况点偏移与能耗浪费。

3. 设计参数的确定依据

冷冻水系统的设计参数应依据 GB 50736《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》确定，该规范对空调冷水系统的供回水温度、水力计算与设备配置给出了系统规定。节能方面的要求则体现在 GB 50189《公共建筑节能设计标准》中，其中包括对空调冷热水系统输送能效比的控制要求。

二、一次泵系统与二次泵系统

冷冻水泵的系统形式主要有一次泵系统与二次泵系统两类，选择依据是系统规模、阻力分布与末端调节方式。

1. 一次泵系统

一次泵系统中，冷冻水泵同时承担冷源侧循环与末端输送，泵与冷水机组一一对应或分组对应。

• 定流量一次泵系统：泵流量基本恒定，末端通过三通阀调节，冷源侧流量稳定，但部分负荷时输送能耗不下降。
• 一次泵变流量系统：允许通过蒸发器的流量随负荷变化，配合机组自身的流量适应范围实现变流量运行，节能效果明显，但对机组的流量变化率与水力控制要求较高。

2. 二次泵系统

二次泵系统把水系统分为冷源侧一次环路与末端侧二次环路，两者之间通过旁通管（盈亏管）耦合。

• 一次泵：定流量运行，只克服冷源侧阻力，扬程较低，流量与对应机组匹配。
• 二次泵：变流量运行，克服末端侧阻力，按末端负荷需求调节台数与转速。
• 分界点：旁通管处，一次环路与二次环路流量差值通过旁通管平衡。

3. 两类系统的适用判断

• 系统规模较小、末端阻力占比不高、分区较少时，一次泵变流量系统结构简单、投资较低。
• 系统规模大、各分区阻力差异明显、末端运行时间不同步时，二次泵系统能避免用一台泵的压力去迁就全部环路，节能与调节效果更好。
• 改造项目中需注意，既有系统若原为定流量设计，改二次泵系统涉及管路改造与控制系统升级，投资与施工周期都应纳入评估。

三、并联运行的工况点漂移

这是制冷机房冷冻水泵现场问题中出现频次较高的一类，也是设计与实际偏差的主要来源。

1. 并联不是简单的流量叠加

两台同型号泵并联时，总流量等于同一扬程下两台泵流量之和。但由于管路阻力随流量上升而增大，两台泵并联后的总流量必然小于单台运行时流量的两倍，且每台泵的实际出力小于单台运行时的出力。

• 管路阻力曲线越陡，并联增益越小。
• 并联台数越多，单台增益越小，边际效果递减。
• 扬程选得偏大、管路阻力偏小时，并联特性相对较好。

2. 单台运行时的过载风险

并联系统中，若全部泵同时运行时每台工作在工况点 A，那么当只有一台泵运行时，由于总流量减小、管路阻力下降，这台泵的工况点会沿特性曲线向大流量方向漂移。如果电机功率按并联工况点选型，单台运行时可能出现过载。

• 选型时应按单台运行的工况点核算电机功率，而不是按并联工况点。
• 现场可通过出口阀门或变频限制单台运行时的流量上限。
• 改造项目中更换泵时，若新泵特性曲线比原泵陡，单台运行过载风险会更高。

3. 特性曲线的形状要求

并联运行的泵宜选用流量扬程曲线平缓下降、且在大流量区不出现驼峰的型式。曲线越陡，并联时的流量分配越不均衡；出现驼峰则可能在并联时产生不稳定运行与流量振荡。选型时应向制造方索取完整的特性曲线，而不是只看额定点参数。

四、变频调节的策略与下限

变频调速是冷冻水泵节能改造的主流手段，但节能效果取决于控制策略，而不只是装了变频器。

1. 变频的节能原理

泵的轴功率与转速的三次方近似成正比，流量与转速近似成正比，扬程与转速的平方近似成正比。因此流量下降到额定值的 80% 时，理论轴功率可下降到额定值的约 51%。这是冷冻水泵变频节能的理论基础。

2. 变频下限的三个约束

• 冷源侧流量下限：通过蒸发器的流量过低会造成换热恶化、机组保护动作甚至冻结，因此一次泵变流量系统存在流量下限，需按机组要求设定。
• 扬程下限：转速过低时泵无法克服系统阻力的静扬程部分，流量会趋近于零，此时继续降速没有意义。
• 电机散热与轴承润滑：转速过低时电机自冷能力下降，长期低速运行需评估电机温升。

3. 控制参数的选取

变频控制通常以压差或温差为控制信号，两者的适用场景不同。

• 定压差控制：在不利环路末端或供回水干管上取压差信号，维持设定值。控制逻辑简单，但设定压差偏大时会浪费扬程。
• 温差控制：以供回水温差接近设计温差为目标调节流量，能更直接地反映负荷匹配程度，但对仪表精度与响应时间要求较高。
• 末端压差重设：根据各末端阀门开度反馈动态调整压差设定值，把开度偏大的环路作为控制对象，是节能效果较好的方案，但需要楼宇自控系统支撑。

4. 台数控制与频率的协调

多台泵并联变频时，合理策略是让运行中的泵尽量工作在高效区，而不是全部泵同频低速运行。

• 负荷下降时先降频，降到某一频率后减台，再对新运行台数重新升频。
• 同等流量下，减少运行台数通常比全部低频运行更节能，因为泵在较高负荷率时效率更高。
• 切换台数时应设置延时与缓冲，避免频繁加减机。

五、水力平衡与旁通

变频与并联的效果，很大程度上取决于水系统是否水力平衡。

1. 水力失调的表现

• 近端环路流量偏大、远端环路流量不足。
• 部分末端阀门长期处于小开度，靠阀门节流消耗多余压差，这部分能量被白白浪费。
• 调试阶段反复调阀仍无法让全部末端达标。

2. 平衡措施

• 各支路设置静态平衡阀或动态平衡阀，按设计流量调试锁定。
• 不利环路优先保证压差，其余环路通过平衡阀消耗剩余压差。
• 定期复测，改造或增容后需重新调试。

3. 旁通管的作用

一次泵与二次泵之间的旁通管用于平衡两个环路的流量差，其管径与流速需按可能出现的差值流量确定。旁通管上通常设置流量计，用于判断流向与流量，也为台数控制提供依据。一次泵变流量系统中，旁通管则用于在流量低于机组下限值时旁通回流。

六、改造项目的核对清单

既有制冷机房的水泵改造，建议按以下项目逐项核对。

1. 现状测试

• 实测各泵的流量、扬程、电流与运行台数组合，得到实际工况点。
• 实测供回水温度与温差，判断是否存在大流量小温差现象。
• 记录典型日负荷曲线，统计部分负荷运行时长占比。
• 测量不利环路压差与末端阀门开度分布。

2. 方案核对

• 现有泵的额定点与实际工况点的偏差：偏差大说明选型偏大，更换为合适规格往往比仅加变频更划算。
• 并联台数控制逻辑是否合理：是否存在长期多台低频运行。
• 水力平衡状态：未做平衡时先做平衡，再评估变频收益。
• 冷水机组的流量适应范围：决定能否采用一次泵变流量。

3. 设备侧的匹配

• 冷水机组能效可参照 GB 19577《冷水机组能效限定值及能效等级》评价，机组与水泵的节能改造应协同考虑，只改泵不改机组，收益有限。
• 电机与变频器的匹配：变频运行时需评估电机的绝缘与散热。
• 仪表配置：流量计、压力表、温度传感器的精度直接影响控制效果，改造时应一并校核。

七、常见误区

1. 认为装了变频器就一定节能

变频节能的前提是系统存在可削减的多余扬程与流量。如果系统本身阻力小、泵选型合适、负荷长期接近满负荷，变频收益就很有限。反之，如果选型偏大或末端靠阀门节流，变频才能释放这部分浪费。

2. 只改造泵不调试平衡

水力失调的系统中，变频降低总流量后，远端环路可能更缺水，出现局部不冷。改造应先解决平衡问题。

3. 一味加大温差

加大供回水温差可以减少流量，但会提高末端换热器的平均水温差要求，可能导致末端除湿能力下降、表冷器选型需要重新核算。温差调整应与末端能力一并评估。

4. 忽略冷源侧流量下限

一次泵变流量改造时若不考虑机组允许的流量变化范围，可能出现机组频繁保护停机。改造前必须向机组厂商索取允许的流量变化率与下限值。

八、运行维护要点

1. 定期记录的参数

• 各泵的运行频率、电流、进出口压力。
• 系统供回水温度与温差，与设定值比对。
• 不利环路压差与末端代表性房间的温度。
• 冷源侧流量与旁通管流量，判断是否有不必要的旁通回流。

2. 季节性工作

• 换季切换时复核阀门状态与台数控制逻辑。
• 清洗过滤器与除污器，堵塞会造成阻力上升与能耗增加。
• 校验压力与温度传感器，漂移会造成控制偏差。

3. 长期优化

冷冻水泵的节能是持续优化过程，建议按季度分析运行数据，比较不同负荷率下的能耗水平，逐步调整台数控制与压差设定。上海蓝海泵业制造有限公司在制冷机房水泵配置与节能改造中提供工况诊断与选型复核支持，需要时可联系技术部门，电话 021-39889996 / 39889995，地址上海市青浦区赵巷新城经济开发区二区30号。

九、常见问题

问：两台泵并联运行的总流量为什么小于单台的两倍？

因为管路阻力随流量增大而上升。并联后总流量增加，管路阻力随之增大，工作扬程抬高，每台泵沿自身特性曲线向小流量方向移动，所以单台出力低于独立运行时。管路阻力越大，并联增益越小。

问：并联系统单台运行时为什么会过载？

因为只剩一台泵时总流量下降，管路阻力随之减小，工作扬程下降，这台泵的工况点沿曲线向大流量方向漂移，轴功率上升。选型时应按单台运行的工况点核算电机功率，并考虑设置流量限制。

问：一次泵和二次泵系统怎么选？

主要看系统规模与阻力分布。规模小、分区少、末端同步性好的系统，一次泵变流量结构简单、投资低；规模大、各分区阻力差异大、末端运行时间不同步的系统，二次泵能避免用统一压力迁就全部环路，调节与节能效果更好。

问：变频泵可以一直降到很低的转速吗？

不能。存在三个下限约束：冷源侧流量下限，防止蒸发器换热恶化；扬程下限，转速过低无法克服系统静扬程；电机散热与轴承润滑条件。实际下限值需按机组要求与系统特性确定。

问：大流量小温差现象说明什么？

说明系统实际流量大于负荷所需流量，多余流量在供回水之间短路或未被有效利用，常见于旁通管有回流水、末端阀门失调或水泵选型偏大。这是冷冻水系统能效偏低的典型信号，应优先排查。

问：变频改造前为什么要先做水力平衡？

因为水力失调的系统中，远端环路本来就缺水，变频降低总流量会让远端更缺水，出现局部不冷。先做平衡改造，才能保证变频在降低总流量的同时满足全部末端需求。

问：加大供回水温差一定能节能吗？

不一定。加大温差可以减少水流量从而降低输送能耗，但会改变末端表冷器的换热条件，可能影响除湿能力与供冷能力。是否可行需按末端设备能力重新核算，不能只按水泵侧收益判断。

问：冷冻水泵的扬程怎么确定？

等于冷水机组蒸发器阻力、末端设备阻力、管路沿程与局部阻力、阀门与过滤器阻力之和，闭式系统不计高程差。在计算值基础上留合理余量，余量过大会造成工况点偏移与长期能耗浪费。