0 引言

在全球節(jié)能減排的環(huán)境下，有效降低集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗將為全社會的節(jié)能減排做出一定的貢獻。然而，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)在滿足負荷要求的情況下進行，并在此基礎(chǔ)上努力實現(xiàn)系統(tǒng)管網(wǎng)的綜合水力平衡和設(shè)備的高效運行，以確保系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。為此，本文重點分析了水系統(tǒng)對系統(tǒng)性能的影響。

1 集中空調(diào)系統(tǒng)水力失衡的原因及解決方案

如果集中空調(diào)系統(tǒng)失去水力平衡，部分地區(qū)的冷或熱不能滿足設(shè)計要求，導(dǎo)致部分地區(qū)過冷或過熱，甚至導(dǎo)致制冷機、熱交換器等設(shè)備故障。對于某些地區(qū)的水流不能達到設(shè)計流量的問題，通常采用增加泵功率的解決方案，使最不利的環(huán)達到設(shè)計流量，但最有利的環(huán)流量遠遠超過設(shè)計流量，泵能耗大大增加，不利于集中空調(diào)系統(tǒng)的低能耗運行。為了實現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的水力平衡，常用的措施有：在供水和回水主管上設(shè)置旁路平衡管道；區(qū)域管道采用同一水力系統(tǒng)，增加主管直徑，減少支管直徑；采用靜態(tài)平衡閥等。這些解決方案沒有抓住水力失衡的關(guān)鍵，而是通過增加能耗來滿足終端的要求，掩蓋了水力失衡的存在。例如，終端流量不足不一定是泵流量和揚程不足，可能不合理匹配，不僅增加了主機輸出溫差，而且不僅增加了主機輸出溫差，而且增加了運行成本不僅增加了主機的初始投資，而且使主機在低效工作條件下工作，增加了主機的運行成本，而且導(dǎo)致夏季末端供氣溫度過低，供氣管道容易冷凝，如果沒有良好的氣流組織保證，很容易導(dǎo)致空調(diào)疾病等。同一管道和靜態(tài)平衡閥是適應(yīng)固定流量系統(tǒng)的相對簡單的平衡方法。隨著變流水系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，同一系統(tǒng)暴露出不穩(wěn)定的缺點，即突出的動態(tài)失衡，靜態(tài)平衡閥不僅不能消除變流系統(tǒng)壓力干擾和控制閥失衡，對于各電路阻力本身可調(diào)變流系統(tǒng)，還增加了局部阻力，會相應(yīng)增加泵的揚程，不利于降低系統(tǒng)能耗。

隨著水力平衡技術(shù)的不斷改進，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥的應(yīng)用逐漸增加，以實現(xiàn)系統(tǒng)的變流運行，保持系統(tǒng)的動態(tài)平衡。與傳統(tǒng)的平衡控制方法相比，由于變換系統(tǒng)復(fù)雜，控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性受到影響，執(zhí)行機構(gòu)一直處于調(diào)整狀態(tài)。電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥，采用單參數(shù)簡單函數(shù)控制邏輯，省略壓差測量環(huán)節(jié)和測試設(shè)備，只要根據(jù)流量指令選擇開度可以實現(xiàn)精確控制，因此控制系統(tǒng)非常簡單，響應(yīng)快，控制精度高，穩(wěn)定性好，控制原理如圖1所示：通過接收上位機反饋電信號值，調(diào)整設(shè)置流量，滿足終端用戶變載的要求。

圖1 電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥的流量-壓差-開度關(guān)系

2 電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥和終端電動調(diào)節(jié)定壓差閥對管網(wǎng)系統(tǒng)和水泵運行點的影響及流量變化前后的能耗分析

2.1 控制系統(tǒng)的電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥

電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥的控制原理如圖2所示Ⅰ，Ⅱ分別是支路阻力特性曲線，Ⅲ如管網(wǎng)總阻力特性曲線所示，Ⅳ是支路外管道的阻力特性曲線。當(dāng)系統(tǒng)最有利的環(huán)路達到設(shè)計流量時Q1時，最不利環(huán)路流量為Q2.系統(tǒng)總流量Q4＝Q1＋Q2.此時，最有利于環(huán)路的動態(tài)流量平衡閥剛剛達到其工作的起始壓差點，支路的阻抗值隨著系統(tǒng)總流量的增加而增加。然而，最不利于支路的動態(tài)流量平衡閥的流量面積是流量設(shè)計Q3對應(yīng)開度下的最大值，阻抗值S保持恒定，隨著流量的增加，壓差增加到最不利的支路流量達到設(shè)計流量Q3.此時，系統(tǒng)總設(shè)計流量Q5＝Q1＋Q3.理想的平衡狀態(tài)是最不利支路的動態(tài)流量平衡閥正好在其工作壓差的起點，而最有利支路的動態(tài)流量平衡閥正常工作。A，D之間的壓差ΔP是兩個支路的阻力差，動態(tài)流量平衡閥依靠閥體流量面積平衡的自動變化來維持管網(wǎng)系統(tǒng)的平衡。

圖2　電動可調(diào)式動態(tài)流量平衡閥控制原理

2.2 對兩個系統(tǒng)流量變化后能耗大小的比較分析

電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中的末端支路壓差Δp1.終端用戶恒壓差控制系統(tǒng)Δp2(當(dāng)流量發(fā)生變化時，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中的末端支路壓差變?yōu)棣在終端用戶恒壓差控制系統(tǒng)中，終端控制壓差恒定Δp2)系統(tǒng)在運行過程中最不利環(huán)路阻力的變化與系統(tǒng)能耗密切相關(guān)。

1）當(dāng)Δp1＜Δp2時，無論流量如何變化，當(dāng)兩個系統(tǒng)各端用戶負荷變化相同時，Δp1始終小于Δp2.系統(tǒng)運行點如圖3所示，L1，L2，L3，L4是不同頻率下水泵的特性曲線，R1，R三是電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2是終端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)管網(wǎng)阻力小，能耗低。

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圖3

控制壓差小于終端恒壓差系統(tǒng)時的系統(tǒng)運行點

2）當(dāng)Δp1＝Δp2時，當(dāng)兩個系統(tǒng)的終端用戶負荷變化相同時，流量變化后各系統(tǒng)的能耗為：

①電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中最不利支路的壓差Δp當(dāng)系統(tǒng)運行工況點保持不變時，如圖4a所示，L1，L3，L5，L6分別為不同頻率下水泵的特性曲線，R4，R5是電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2是終端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出，兩個控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力壓差和流量相同，因此兩個系統(tǒng)的能耗相同。

②電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中最不利支路的壓差Δp如圖4所示，1變小時b所示，L1，L三是水泵在不同頻率下的特性曲線，R6，R7是電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2是終端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力壓差較小，因此電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)的能耗較低。

圖4　電動可調(diào)式動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)末端支路壓差

當(dāng)終端恒壓差系統(tǒng)控制壓差時，系統(tǒng)運行點等于

3）當(dāng)Δp1＞Δp2時，當(dāng)兩個系統(tǒng)的用戶負荷變化相同時，流量變化后各系統(tǒng)的能耗為：

①流量變化后，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中最不利支路的壓差Δp保持不變，或者Δp但還是比較Δp2大時，系統(tǒng)運行點如圖5所示a所示，L1，L3，L7，L8是不同頻率下水泵的特性曲線，R8，R9是電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2是終端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出，終端恒壓差控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力較小，因此終端恒壓差控制系統(tǒng)的能耗相對較低。

圖5

控制壓差大于終端恒壓差系統(tǒng)時的系統(tǒng)運行點

②流量變化后，當(dāng)Δp'1＝Δp2時，系統(tǒng)運行點如圖5b所示，L1，L3，L9是不同頻率下水泵的特性曲線，R10，R11是電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2是終端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出，兩個系統(tǒng)能耗相同。

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③流量變化后，當(dāng)Δp1＜Δp2時，系統(tǒng)運行點如圖5c所示，L1，L3，L10，L11是不同頻率下水泵的特性曲線，R12，R13是電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2是終端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)阻力小，能耗低。

2.控制壓差大小和調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)對控制性能的影響

通過對上述情況的比較分析，終端恒壓差控制系統(tǒng)的終端支路阻力是恒定的，其控制原理如圖6所示，避免了終端支路之間負荷變化的干擾，雖然理論上采用小壓差控制是可行的，但由于流量一定，控制壓差小，控制信號弱，控制精度和控制能力降低，影響控制效果，相反，控制壓差越大，控制精度、調(diào)節(jié)性能越好，但能耗增加。

圖6

事實上，一些終端控制閥的控制壓差約為滿負荷運行時終端用戶阻力壓差的2倍，隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加而逐漸增加。當(dāng)系統(tǒng)達到一定規(guī)模時，終端恒壓差控制系統(tǒng)的控制壓差遠大于電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥的前壓差。

由于電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)的末端壓差隨著最不利環(huán)負荷的減小而減小，管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力必須小于或等于全負荷運行的阻力，因此隨著最不利支路負荷的減小，系統(tǒng)的能量損失不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的綜合水力平衡，而且達到了系統(tǒng)的節(jié)能效果。

另外，在末端恒壓差控制系統(tǒng)（如圖7所示）中，通過測量空調(diào)器的回風(fēng)溫度來調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，壓差控制器控制A，B兩點之間的壓差值是恒定的。此時，由于與電動調(diào)節(jié)閥串聯(lián)的管道阻抗，電動調(diào)節(jié)閥的閥門強度較小，導(dǎo)致電動調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線發(fā)生變化。在實際空調(diào)系統(tǒng)中，常用的調(diào)節(jié)閥特性曲線一般為直線（圖8中的曲線1），但安裝在管道上，流量特性曲線變成圖8中的曲線2，接近快速開啟，流量特性差，導(dǎo)致管網(wǎng)控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性降低，不能滿足用戶熱舒適的要求。

圖7

圖8

由于獨特的閥體結(jié)構(gòu)，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥在實際使用中基本接近1。其實際流量特性曲線與理想的流量特性曲線一致，無偏差，具有良好的電動調(diào)節(jié)功能，可提高系統(tǒng)的控制精度和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3 設(shè)備效率對系統(tǒng)性能的影響

在實現(xiàn)綜合水力平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)提高設(shè)備效率，發(fā)揮系統(tǒng)的最大作用。如果設(shè)備不能在高效范圍內(nèi)運行，部分能量將轉(zhuǎn)化為摩擦熱等無用工作，或降低換熱設(shè)備的換熱性能。

3.1 水泵效率對系統(tǒng)性能的影響

隨著變頻技術(shù)的推廣應(yīng)用，泵的整體運行效率η隨著轉(zhuǎn)速（頻率）的降低，減速逐漸增加，說明設(shè)備效率隨工況的變化而變化，其中水泵總效率為

η＝η1η2η3 （1）

式中　η1.變頻調(diào)速器在部分負載下運行時的效率；η2.交流電機在部分負荷下運行時的效率；η三是水泵在部分負荷下運行時的效率。

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經(jīng)驗公式：

η1＝0.5067＋1.283X－1.42X²＋0.5842X³    （2）

η2＝0.94187（1-e^-9.04X） （3）

式（2），（3）中?。貫殡妱訖C的相對轉(zhuǎn)速百分?jǐn)?shù)。

   （4）

式中　n調(diào)速后的電機實際轉(zhuǎn)速，n以電機的名義轉(zhuǎn)速。

(2)，(3)η1，η2在部分負載下隨轉(zhuǎn)速變化，具體變化如圖9所示。

圖9　電動機和變頻器調(diào)速效率曲線

   假設(shè)η3為恒定值0.79，則水泵的總效率

η＝（0.5067＋1.283X－1.42X²＋0.5842X³）×0.94187（1-ｅ^-9.04X）×0.79

從表1可以看出，當(dāng)水泵的相對轉(zhuǎn)速百分比小于45%時，其綜合效率η因此，在變頻控制中，應(yīng)考慮水泵的綜合效率，探索更合理的控制方法。

表1　變頻調(diào)速水泵部分負荷狀態(tài)下的綜合效率％

3.2 并聯(lián)制冷機組效率對系統(tǒng)性能的影響

多臺制冷機通常并聯(lián)連接，可以根據(jù)冷負荷的變化調(diào)整制冷機的數(shù)量，以達到節(jié)能的目的。但當(dāng)一臺機組不能滿足負荷要求，而兩臺機組效率較低時，系統(tǒng)運行仍然不經(jīng)濟。此時，在制冷機前安裝電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥，不僅可以確保每臺機組的水流達到設(shè)計流量，而且可以避免過多或不足的水流。過多的水流不僅會造成能量損失，而且會對制冷機組產(chǎn)生影響，影響其使用壽命。流量過小容易導(dǎo)致出口水溫大幅下降、結(jié)冰或流量保護。同樣，在制冷機冷凝器后面安裝動態(tài)流量平衡閥，可以確保每個冷凝器的冷卻水流量不太大或太小，確保散熱效果，避免冷卻塔水流量過大，造成過載。

4 結(jié)語

綜上所述，變頻調(diào)節(jié)可使水泵處于高效狀態(tài)，盡可能實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的低消耗和高效運行。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模相對較大時，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥可以自動實現(xiàn)管網(wǎng)的動態(tài)平衡，簡化控制模式，提高控制精度和穩(wěn)定性。也就是說，電動可調(diào)動態(tài)流量平衡閥安裝在主干管中，電動調(diào)節(jié)閥設(shè)置在用戶端，不僅提高了調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)，而且實現(xiàn)了系統(tǒng)的動態(tài)平衡。同時，在制冷機組冷水入口處安裝動態(tài)流量平衡閥，以確保機組運行的高效率。這些控制模式的結(jié)合為水系統(tǒng)的節(jié)能提供了巨大的潛力，為實現(xiàn)新的建筑控制模式提供了可能性。