（环境工程专业论文）空调冷冻水系统输送节能的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 空调冷冻水系统输送节能是空调节能的重要方面，而冷冻水系统采用变流量系统，是 减少输送能耗的主要技术措施。本文针对变流量系统进行了水泵相似律应用条件的分析， 水泵转速不同控制方式的能耗比较，以及一次泵系统与二次泵系统的能耗和经济性比较。 主要工作与结论如下： 首先，分析了水泵相似律的应用条件以及相似律应用中当注意的问题。通过分析指出 直接利用水泵相似律的条件为：无背压系统；所有并联水泵同时变速( 包括单台泵系 统变速) ；管路特性曲线不改变。相似律所表达的轴功率关系并不能完全代表能耗关系， 还要考虑电机效率和变速装置的效率，因此它不能用来评价水泵的变速节能效益。此外， 所谓节能应当是实现同一流量目标时，水泵变速调节与其它流量调节方式的比较，而不应 当是与设计工况的比较。指出所谓广义水系统的相似律存在的问题，得出水系统相似律是 不存在的。 其次，分析了变流量系统中常用的三种水泵转速控制方式( 温差控制、干管压差控制、 末端压差控制) 对管路特性曲线以及水泵效率的影响。温差控制不改变管路特性曲线，另 外两种控制方式将改变管路特性曲线。温差控制条件下，水泵效率不变，始终运行在最高 效率点；干管压差控制下，水泵工况偏离最高效率点最严重，效率最低；末端压差控制介 于二者之间。分析了三种控制方式下的水泵能耗，三种控制方式下水泵能耗为干管压差控 制最大，温差控制最小，末端压差控制居中。 最后，通过工程实例，对一次泵变流量系统和二次泵变流量系统进行能耗和经济性比 较。结果表明：实例工程采用一次泵变流量系统比采用二次泵变流量系统可显著节省输 送能耗。 关键词：变流量相似律控制方式曲线拟合能耗 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g ys a v i n go fa i r - c o n d i t i o n i n gc h i l l e dw a t e rs y s t e mt oc a r 巧i sa ni m p o n a l l ta s p e c to f a i r - c o n d i t i o n i n ge n e 略y _ s a v i n g ，a n du s i n gv 抓a b l en o w w a t e rs y s t e mo ft h ec h i l l e dw a t e rs y s t e m ， i sm em a i nt e c h n i c a lm e a s u r e st or e d u c et h et r a l l s m i s s i o ne n e 唱yc o n s u m p t i o n i nn l i sp 印i t a n a l y s i s e dt h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fp u m ps i m i l 撕t ya g a i n s tt h ev 撕a b l en o wp u m ps y s t e m ， c o m p 卸e dt h ep u m pe n e 略yc o n s u m p t i o ni nd i a 研e n tf o m so fc o n t r 0 1 ，a 1 1 dd o e se n e r g y c o n s u m p t i o n 锄de c o n o m i cc o m p a r i s o nb e t w e e nt l l ef i s tp u m ps y s t e ma n dt h es e c o n d a r yp u m p s y s t e l l l m em a i n w o r ka n dc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，a n a l y z e dm ea p p l i c a l i o nc o n d i t i o n so ft h ep 啪ps i m i l 撕饥a sw e l la st h e p r o p l e mt h a tw es h o u l da t t e n dw h e nt h ep u m ps i m i l a 打t yi su s e d t i 们u 曲t h ea n a l y s i s ，m i sp a p e r p o i n t e do u tt h a tt h e c o n d i t i o n st o u s ep u m ps i m i l 撕t yd i r e c t l ya r ea sf o l l o w s ：n o b a c k - p r e s s u r es y s t e m ；a 1 lt h ep a r a l l e lp u m p sc h a n g es p e e da tt h es 锄et i m e ( i n c l u d i n ga s i n 百ep u m ps y s t e mc h a l l g e ss p e e d ) ；p i p e l i n ec h a r a c t 嘶s t i cc u r v ed o e sn o tc h a n g e t h e r e l a t i o n s h i po f t h es h a 缸p o w e re x p r e s s e db yt h es i m i l a r i t yc a nn o tb ec o m p l e t e l yr e p r e s e n t a t i v e o ft h er e l a t i o n s h i po fe n e r g yc o n s u m p t i o n w 6m u s ta l s oc o n s i d e rt l l ee 仃c i e n c yo fm o t o ra n d m ee 伍c i e n c yo fv a r i a b l e s p e e dd e v i c e s oi tc a nn o tb eu s e dt oe v a l u a t et h ee n e r g ye 伍c i e n c yo f v 撕a b l es p e e dp u m p s i na d d i t i o n ，t h es o c a l l e d e n e 唱ys a v i n gi s t h ec o m p 撕s o nb e 觚e e nt h e w a yo fp u m pc h a n 舀n gs p e e da n do t h e rc o n t r o l l i n gw a yt oa c h i e v et h es a m eo b j e c t i v e ，r a t h e r t h a nc o m p a r e dw i t ho ft h ed e s i g nc o n d i t i o n t h ep a p e ra l s op o i n t e do u tt h ep r o b l e mm a tt h e s o c a l l e ds i m i l a r i t yo fg e n e r a l i z e dw a t e rs y s t e me x i s t e d ，a n dd r a wo u tt h a tw a t e rs y s t e m s i m i l 撕t yd o e sn o te x i s t s e c o n d ，a n a l y z e dt h a tt h et h r e ec o n t r o l l i n gw a y s ( t e m p e r a n l r ec o n t r o l ，t r u n kp r e s s u r e c o n t r 0 1 ，p r e s s u r ec o n t r o la tt h ee n d ) c o m m o n l yu s e di nm ev 撕a b l en o ws y s t e me f f e c t e do n p i p e l i n ec h a r a c t 甜s t i cc u e sa n dp u m pe 衢c i e n c y t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gw a yd o e sn o t c h a i l g et h ep i p e l i n ep r o p e n i e sc u r v e ，b u tt h eo t h e rt w oc o n t r 0 1 l i n gw a y sd o e s t h ep u m p e m c i e n c yd o e sn o tc h a j l g eu n d e rt h et e m p e ra _ 哳ec o n t r o l l i n gw a y ，a n da l w a y sr u n sa tm eh i 曲e s t p o i n t t h ep u m p w o r kp o i n td e v i a t e s 行o mt h eb e s te 伍c i e n c yp o i n tm o s ts e v e r e l yu n d e rt h et m i l l ( p r e s s u r ec o n t r o l l i n gw a y i t se 伍c i e n c yi st h el o w e s t t h ep r e s s u r ec o n t r o l l i n gw a y a tt h ee n di s b e t w e e nt h e 帆oa b o v e a n a l y s i s e dt h ep u m pe n e 唱yu n d e rt k e ek i n d so fc o n t r o l l i n gw a y t h e p u m pe n e 唱yi st h em o s tu n d e r t h et 1 1 j n kp r e s s u r ec o n t r o l l i n gw a y ，t h ep u m pe n e 唱yi sl o w s t u n d e rt h et e m p e r 咖r ec o m r o l l i n gw a y ，t h ep u m pe n e r g yi si nc e n t e r f i n a l l y ，t h r o u 曲t h ee x a m p l e so fr e a lp r 巧e c t ，t h ep 印e rc a 盯i e do u tt h ee n e 唱yc o n s u m p t i o n a n a l y s i sa n dt h ee c o n o m i c a la n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a lp r o j e c tc a ns a v et r a n s p o r t e n e r g yc o n s u n l p t i o ns i 印i 6 c a n t l yw h e ni ta d o 印t st h ef i s tp u m ps y s t e mt h a nt oa d o p tt h es e c o n d 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 p m l l ps y s t 锄 k e y w o r d s ：v a n a b l ef l o ws i m i l a r1 a w c o n t r 0 1 l i n gm e t l l o d f i t t i n gc u r v ee n e 曙yc o n s u m p t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：虱丝叠l 日期：主仁 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 虱竺垂 指导教师签名：二季叠歪二一 日 期：埠生： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题意义 我国目前正处在经济发展的高速阶段，城市化水平和人民生活水平日益提高，由此带 来建筑能耗高速度增长。据建设部统计，我国建筑能耗也己迅速上升到社会总能耗的3 3 以上n 1 ；据美国能源部统计，其商业和住宅建筑的能耗约占全美总能耗的3 6 妇1 ，由此可 见我国的建筑能耗水平越来越接近发达国家的建筑能耗水平，建筑节能工作日益紧迫与重 要。 所谓建筑能耗，般指建筑使用能耗，即建筑物使用过程中用于采暖、通风、空调、 照明、家用电器、输送、动力、烹饪、给排水和热水供应等的能耗。其中以采暖和空调能 耗为主。在住宅生活能耗中，北方采暖地区采暖空调能耗大约占6 5 ，南方地区空调能耗 大约占4 0 5 5 。在集中空调能耗中，冷水机组能耗大约占5 0 6 0 ，冷冻水泵和冷却 水泵能耗大约占2 5 3 0 ，各种风机能耗大约占1 5 2 0 口1 。可见，空调水系统的输送 节能是空调节能的重要方面。 空调系统的冷负荷是随室外气象条件而变化的，而空调系统的设计和设备选型是按最 不利工况进行考虑的，但实际使用中空调系统在5 0 负荷以下运行的时间超过7 0 3 。因 此根据负荷变化对水系统进行流量调节，降低空调水系统的输送能耗，对于空调节能同样 具有十分重要的意义。 最近几年的夏季，我国许多城市都出现了电力紧张，2 0 0 3 年，全国2 3 的省份出现“拉 闸限电”，而2 0 0 4 年这种趋势进一步加剧。供电部门被迫实施强制性错峰用电的现象，影 响了居民的正常生活和企业的生产经营。解决电力紧缺问题，“开发新能源”是一个方面， 但开发新能源非一朝一夕之功，时下的关键还是在于“节约”，真正落实“节约优先，效 率为本”的能源战略。这是贯彻落实科学发展观的重大举措，也是建设资源节约型、环境 友好型社会的必然选择。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 冷冻水系统的形式 空调冷冻水系统形式繁多，目前常用的冷冻水系统形式有：定流量系统变流量一 级泵系统，变流量二级泵系统。通常所说的变流量系统指空调水系统末端使用二通阀控 制，与三通阀控制的定流量系统相对而言。变流量与定流量均指输送冷冻水或冷却水的水 系统流量，而不是通过术端装置的流量，经过术端装置的流量在以上两种方式下均是变化 的。系统形式不同，输送能耗各不相同。 特灵空调啼1 指出次泵变流量系统相对于传统的二次泵系统减少机房设备能耗 3 8 ，减少初投资4 8 ，减少系统运行费用3 5 。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 董宝春1 以上海通用汽车有限公司制冷站为例，比较了一次泵和二次泵变流量系统的 能耗，结果表明，一次泵系统的耗电量仅为二次泵系统的6 8 。 黄奕法口1 对比了次泵和二次泵变频的值，指出相同条件下一次泵变频的节能效果 总是优于二次泵变频。 1 2 2 冷冻水系统台数控制 文献 8 指出空调水系统采用多台水泵并联运行，当空调冷负荷发生变化时，可通过 压力、流量或温度等参数的控制，再改变运行水泵的台数，达到流量调节的目的。采用台 数调节的方法，不但节省能耗，且能大幅度减少每台水泵的运行时间，从而延长使用寿命。 但注意使水泵的启停能依次顺序进行，保证水泵的运转机会彼此相等。 文献 9 】分析了二次泵系统不同台数控制的控制原理。在空调二次泵系统中，二次泵与 一次泵可以有不同的控制方法。初级泵的主要控制方式有：流量控制法，温度控制法，热 量控制法；次级泵的主要控制方式有：压差控制法，流量控制法，温度控制法，热量控制 法。 文献 1 0 指出用户侧的流量换热量关系主要有3 种情况，如图1 1 所示。图中曲线 1 反映空气处理机组全部采用定风量方式运行的情况，曲线3 反映多种风系统并存且定风 量系统占较小比例的情况，曲线2 表示冷量与水流量呈线性关系的情况。冷量和水流量关 系为曲线l 时，冷水机组和水泵的台数控制采用冷量控制；冷量和水流量关系为曲线3 时， 冷水机组和水泵的台数控制采用流量控制；冷量和水流量关系为曲线2 时，冷水机组和水 泵的台数控制采用流量控制或冷量控制均可。 索 磊 宓 诹教西分比腭 图1 1 文献 1 1 通过分析指出二次泵变流量系统的最优控制方案为：初级泵的控制采用冷量 控制法，次级泵的控制采用流量控制法。 1 2 3 冷冻水系统的变频控制 文献 1 2 】利用大型系统仿真软件t r n s y s 建立了二次泵冷冻水系统的仿真模型，通过 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 该模型对二次泵系统控制方式( 主要指压差控制和温差控制) 的稳定性，响应特性和节能 效果进行了研究，指出通过良好的调试，被控压差、温差信号均能达到较好的稳定效果。 压差控制系统中，各区室内温度在负荷变化的情况下也能保持稳定；而在温差控制的系统 中，表面式换热器稳态传热的特性决定了其不可能使室内温度稳定。冷冻水系统的响应特 性受干扰大小和延迟程度的共同影响。对于温差控制变频系统，其控制信号受能量传递的 延迟较大，调整时间长，不利于被控温差的稳定：对于压差控制变频系统，其调整时间还 受阀门开度较小时不易达到稳定的影响；应设法保持各电动阀在5 0 开度以上动作。同时 还指出增加水泵设置台数，并采用同步变频方式控制各并联水泵可以获得更合理、安全的 运行结果；并且并联台数控制切换点宜根据实际最大流量和水泵台数进行调整。 何湘勇n 3 1 分析了变频调速水泵在三种控制( 压差控制、温差控制、末端压差控制) 方 式下的运行过程、运行效果和节能效果，指出采用末端压差控制最节能，但总流量达不到 设计流量，房间将过热；采用温差控制的节能率其次，其总流量等于设计流量，但可能出 现部分房间过热而部分房问过冷的情况；采用压差控制的节能率最小，调节后系统总流量 超过系统所需的流量，房间将过冷。以上分析是基于各房间空调器管路上设置的一般通断 阀得出的。 李彬n 们定性比较了阀门开度控制与定木端压差控制的节能效果。定末端压差控制是根 据空调水系统中最不利环路中的压差控制冷热循环泵的转速，使这个压差始终稳定在设定 值附近。阀门开度控制是根据空调冷热水循环系统中各支路调节阀的开度，控制冷热循环 泵的转速，使这些调节阀中至少有一个处于全开状态。图1 2 给出了单一调节阀空调系统 定末端压差控制、阀门开度控制节能效果的比较。当水量从q 减小到q i 时，定术端压差控 制工作点从1 移到2 ，而阀门开度控制的工作点从1 移到3 。在上述控制方案罩，对于流 量q ，阀门开度控制的循环泵转速最小，因此节能效果最显著。 qi q o 图1 2 末端定压差控制与阀门开度控制的比较 杨伟n 剐对末端采用电动阀通断控制的变水量系统在压差控制和术端压差控制方式下 的管网变化特性进行了分析。指出压差控制方式下系统部分负荷时用户一般处于过流状态 运行，并且系统的木端用户最有可能发生过流，未端用户过流量相对较大；被关闭用户上 游用户成不等比例失调，下游用户成等比例失调。末端压差方式下系统最前端用户最有可 能发生欠流，同一负荷下，上游用户的欠流量相对较大；被关闭用户上游呈现不等比例失 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 调，下游用户不受影响，仍然在设计工况下运行。 黄奕法【7 】通过引入控制压差比( 表示压差控制值与水泵进出口压差的比值，取值范 围是肚1 ) 的概念，导出了空调冷水泵变频扬程比和轴功率的简化计算公式。由于推导中没 有涉及末端的调节方式，因此该公式也适用于风机盘管与空调箱合用的空调水系统。经计 算分析得出了不同值下水泵压差变频的特性，指出了是影响水泵变频节能的关键因 素。 伍小亭 1 6 结合工程实例，采用典型工况时间段方法简化了水泵运行总能耗计算。对不 同并联台数及不同控制方式下循环水泵变频调速运行的节能特性进行了分析研究。分析结 果表明：恒定系统供回水母管问压差的控制方式较循环水泵按工频运行节能效果甚微；恒 定系统最不利环路压差的控制方式较循环水泵按工频运行的节能率达4 3 9 ；恒定系统供 回水温差的控制方式是最节能的，较循环水泵按工频运行节能率达5 6 7 。 文献 1 7 比较了三种常见控制方式( 压差控制、温差控制、流量控制) 以及在以上控 制方式基础上的两种综合控制方式( 变设定压差控制、按管段流量分配的分段控制) 的特 点和适用场合。见下表： 控制稳定维护 传感器成本要求适用场合 方式性要求 压差设定值能保证所以空调一般舒适性窄调都适用；h 压差 压著传感 好低一般用户的正常工作；用户管路i ：时并联运行的台数较少；泵 控制器 有两通调节阀；限制最小流量性能i l l l 线坚陡的系统更加。 系统中有旁通或旁通阀或温供回水温度随负衍变化较 温差 温度传感 度能自动随负荷变化；控制1 ：大、管路特性皋奉矸i 变的系 一般低一般 控制器 要j 冷水机组等协调；限制最统；对空调相对湿度或除湿 小扬程能力要求较高的系统 流量流量传感 管路简单、管路特性皋奉小 羞 一般一般 对最小扬程进行控制 控制器变的系统 分段压差与流用户要提高具体的控制方法控制精度较高、流量变化池 较好高高 控制餐传感器和高性能控制器 | 爿较人、管路较复杂的系统 变设控制精度较高、流量变 压筹与流配置高性能、多功能的控 定压好高高 化范围较人、各用户端 量传感器制器 差压差不同的复杂系统 1 2 4 冷冻水系统末端的调节控制 根据室内空调负荷变动而调节空调末端设备( 考察风机盘管) 的冷冻水流量的方法主要 有on of f 双位电磁阀，比例调节电动阀。on of f 双位电磁阀虽然造价低，但无法满 足根据负荷变化的连续调节功能。比例调节电动阀是一般常用的流量控制阀，但实际工程 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 中对小流量设备的控制性及与室温的联动控制方面尚不尽人意。尤其对于写字楼、宾馆建 筑形式，其空调末端系统主要采用是风机盘管形式，人们对于风机盘管的流量不进行调节， 认为风机盘管是小流量设备，没有必要进行流量调节控制。从而导致整个空调冷冻水系统 处于大流量，小温差的运行工况，输送系统能耗损失严重。 国外对术端装置控制应用最普遍是控制器。文献 1 8 】指出控制器可分为两种类型：非 连续型和连续型控制器。开关型控制器是非连续型控制器的一种，其缺点是不管控制阀门 是开启还是关闭，提供给房间的热量总是会太多或太少，受控值无法达到稳定的状态，它 不断地在某个最大值和最小值之间振荡。连续型控制器主要有比例控制器、比例积分控制 器、时间比例控制器等等，其优点是它得到的室温精度比采用普通开关型控制器好得多。 文献 1 9 】介绍了冷热盘管的调节。当房间的空调负荷为部分负荷时，需要改变盘管里 冷水参数。通过控制水流来满足空调负荷变化最简便的方法便是调节盘管的水流量，主要 有两种方式：( a ) 通过二通阀的节流来保证离开盘管的水温相对不变；( b ) 通过三通换向 阀使一部分冷水不经过盘管而旁通后再与经过盘管的冷水混合。二通阀使水流量发生变化 而水温差固定不变；三通阀则使水的总流量不变而水温差发生变化。由于系统流量是变化 的，一般优先采用二通阀的控制方法，而过去大多数系统流量是不变的，三通阀的控制方 法很受欢迎。 空调系统设计通常是按照最大负荷进行设计，而实际上系统绝大部分时间都处于部分 负荷下运行。由于末端用户侧的运行条件和运行模式的差异，能耗状况差别较大。文献 2 0 分析水泵采取变频手段时，空调木端设备中最常用的风机盘管不同运行模式( 定流量，定 温差，通断控制，独立连续控制) 时水侧输送系统的能耗。指出不同运行模式下输送系统能 耗大小顺序依次为：通断控制 定流量控制= 定温差控制( 5 ) 独立连续控制。一 1 3 本文的主要研究内容 1 ) 分析水泵相似律在变频技术中的应用条件以及水泵相似律应用中当注意的问题，对“广 义水系统相似律 提出质疑。 2 ) 对于空调冷冻水系统，探讨在不同控制方式( 温差控制、干管压差控制、木端压差控 制) 下管路特性曲线的变化及其求解方法，分析不同控制方式对水泵效率的影响，并 根据不同控制方式下管路特性曲线和水泵效率的变化程度分析其节能效益。 3 ) 以一个大型商业空调中的二次泵变流量系统为对象，进行对一次泵变流量系统与二次 泵变流量系统的能耗对比研究。 4 ) 对一次泵变流量系统与二次泵变流量系统进行经济性分析。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章相似律在水泵变频调速技术中的应用 变频调速是目前最普遍采用的一种改变水泵转速的方式，其原理是通过变频器改变电 机的频率，以改变水泵的转速，达到改变流量的目的。近年来，水泵变速技术在供暖空调 以及许多行业中有了广泛的应用，水泵的相似律也随之被广泛应用，但是在应用中还存在 着一些不正确的认识，本文针对这一问题进行一些分析和探讨。 2 1 水泵相似律的提出 水泵相似律心13 是在相似理论的研究基础上得出的，要求模型机与实际机同时满足几何 相似、运动相似、动力相似。几何相似的判断比较直观容易，动力相似由于水泵流道的流 体处在自模区而自动成立，那么判断水泵内流动相似的唯一条件是运动相似。 运动相似通过工况相似来体现，因此水泵是根据工况相似来提出相似关系的。在相似 工况下，原型与模型的流量、扬程及功率存在以下关系即水泵的相似律： 蚤= 等鲁c 每3 仁， 级7 7 。n 。、d 2 。7 、 每= 等c 秘势2 亿2 ， h mq h n 、n m d 2 m 1 、 争：旦盟( 鱼) ，( 鲁) s ( 2 3 ) n mp mq n 、n m l 、d 2 m 。 式中下标m ，n 分别表示模型机与原型机的各参数；仉、仇、矽分别表示水泵容积损失 效率、水力损失效率、机械损失效率；嘎作为定性线尺寸( 通常选取叶轮外径) ；p 为流 体密度。 实际情况下，要确定水泵的各种效率是非常困难的，又模型机与实际机的大小尺寸、 转速相差不大，通常认为在相似工况下，模型机与实际机各效率相等，从而上述公式可以 进行如下简化： 蚤= 嚣c 老，3 4 ， 绒、砬，7 每= c 静务2 眨5 ， h m 、m d 2 m 。 惫= 象c 裂惫，5 汜6 ， n mp m 、n m d 2 m 。 根据以e 公式可知：7 k 泵的流量、扬程、功率不仅和转速有关，还与定性线尺寸、流 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 体密度有关，这决定了相似律在实际中有多方面的应用。主要应用如下： 一、由于厂家提供的泵与风机的性能曲线是在表中条件下经试验得出，而泵与风机的实际 工作条件可能是在非标情况下，要想获得实际情况下水泵的性能参数，可以利用相似 律解决。此时，可将模型机和实际机视为同一机器，尺寸转速均不变，工作状态仅影 响流体密度，可利用公式( 2 6 ) 获得非标状态下输送流体密度改变时水泵功率。 二、泵与风机的性能参数都是针对某一特定转速，当实际转速发生改变时，泵与风机的性 能参数可利用相似律解决。这也是相似律应用最普遍的方面，下节提到的相似律均指 在该方面的应用。 三、泵叶轮切削，利用相似律获得泵仅叶轮直径改变后性能参数。 四、利用相似律获得泵的叶轮直径和转速同时改变后性能参数。 2 2 相似律适用范围的探讨与分析 变频节能技术j 下是利用相似律在第二方面的应用，将模型机和实际机视为同一机器， 输入的流体密度和大小尺寸不改变，则公式( 2 4 ) ( 2 6 ) 可进行如下简化： 盟：翌 ( 2 7 ) q，z 。 每2c 2 晓趵 惫2c 晓9 ， 以上就是我们比较熟悉的水泵相似律的形式，此时下标m 、n 分别表示额定状态和参 考状态的性能参数。 从水泵相似律的推导过程来看，并没有对水系统的形式、水泵台数以及管路特性提出 约束条件，但在实际的应用过程中，我们经常会给它加上一些约束条件，常见的如：管路 特性曲线不改变，水系统形式为闭式循环水系统。有些学者对相似律的适用条件提出过不 同的看法。例如：文献 1 6 】提出“三次幂律”的适用条件是单台水泵运行在相似工况点。 文献 2 2 付旨出相似律只有在管路特性曲线不发生变化，水泵台数相同的条件下才成立。甚 至一些学者批判了传统水泵相似律，认为传统水泵相似律是把水泵从水系统中孤立出来分 析得出的，是一种“片面思考的理念，进而提出了系统相似律。文献【2 3 通过在所谓广 义的( 衅一风) 厶坐标系里推导出适用于广义水系统的相似律，即对于开式、闭式水 系统的相似分析均适用。它还指出水系统全相似不仅对水泵有要求，对水系统也有要求， 这就是在( 鹋一风) 厶坐标系罩如果水系统要在最节能的完全相似的工况工作，充分 必要条件是使水系统的综合阻力系数s 在变工况保持恒定不变，这是水系统完全相似条件 对水系统的约束要求。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 综合以上各观点，笔者认为有必要对以下几个问题进行分析。1 ：水泵相似律在单台 泵系统与多台泵并联系统中的应用。2 ：所谓广义水系统相似律是否存在。 2 2 1 相似律在单台泵系统中的应用 h + s l q 2 图2 1 如图2 1 所示，若系统的特性曲线为h = s q2 ( 即无背压系统) ，与转速为的水泵 性能曲线的交点a 为设计工况点，水泵转速为时，系统的特性曲线与水泵性能曲线的交 点为b ，点a 与点b 是相似工况。因为在这种情况下，系统的特性曲线与过a 点的相似 抛物线是重合的，二者都是抛物线，且都过a 点和o 点。那么a 点和b 点之间可以直接 应用相似律进行参数换算，功率与转速的三次幂成f 比的关系是成立的。 若为有背压系统，系统特性曲线为图2 1 中的h = 日。+ s ，q2 ，与转速为n 。的水泵性 能曲线的交点a 为设计工况，则水泵转速改变为时，系统特性曲线与水泵性能曲线的交 点为c ，点a 与点c 不是相似工况。( 作过c 点的相似抛物线，与转速为的水泵性能曲 线交于d 点，点c 与点d 为相似工况。) 因此，对于这种系统，不能直接应用相似律进行 转速改变前后工况参数的换算，功率正比于转速三次幂的关系也是不成立的。 q 图2 2 但对于这种系统，水泵变速的参数计算中，仍可能借助相似律。如图2 2 所示，设计 工况为a ，对应的流量为g ，扬程为日月，转速为刀。如果需要了解水泵转速改变为刀：后 水泵的工况，则如前所述，需要运行相似律，依据，z 。对应性能曲线，转换出，z ：对应的性能 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 曲线，与系统特性曲线的交点b 即水泵在转速为刀，下的工况。这个过程无论采用图解或者 数值解都很容易实现。 又如，若将系统的流量由g 改变为幺，如何确定所需要的转速呢? 由q 可以找到新 工况b ( q = 珐与日= 日o + s q2 的交点) ，作过b 点的相似抛物线，与啊对应的性能曲 线相交与c ，点b 与点c 是相似工况，则由相似律： 他2 争 i ，一 2 2 2 相似律关系式对多台泵并联系统的适用性分析 水泵的工况相似即机内流场的运动相似，而机内流场是针对一台泵而言的，因此对于 多泵并联系统中的联合运行工况点之间不存在相似。虽然多泵并联系统中的联合运行工况 点为非相似工况，但并不表示多泵并联系统中的联合工况点的参数之间不能满足相似律的 关系式。下面以两台泵并联系统为例进行讨论，结论可以推广到多台。 h q 图2 3 两泵并联调速运行计算 如图2 3 所示，曲线1 为单台水泵特性曲线，曲线2 为两泵并联运行特性曲线，曲线 3 为管路特性曲线；点a 为设计工况点，点b 为系统调节工况点，点c 为曲线1 、3 的交 点；过点b 作h 轴垂线，交h 轴于点e ，交曲线l 于点d ，点f 为线段b e 的中点。要实 现流量由q 到珐的调节，根据以上作图过程可知，可提出如下两种调节方案。 方案一全部变速即两台泵同时变速 见图2 3 ，点b 为调速工况点，e f 段流量和f b 段流量分别由两变速泵同时承担。 方案二部分变速即一台变速，一台定速 见图2 3 ，点b 为调速工况点，点d 为定速泵运行工况点，e d 段流量由定速泵承担； b d 段流量由变速泵承担。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 2 1 两种方案的分析 两种方案的设计工况和调节工况完全相同，管路特性曲线亦不变，水泵台数相同，那 么两种方案中的a 、b 点参数是否满足相似律关系式呢? ( 1 ) 方案一的分析 通过下图定性分析方案一中的点a 和点b 参数是否满足相似律关系式。 h 图2 4 全部变速调节不意图 如图2 4 ，曲线3 为管路特性曲线，曲线4 为任一环路特性曲线。两变速泵分别位于两 并联环路a 、b ，系统的总流量等于两并联环路流量之和即q 口+ q = q ；根据并联原理知： 日= 跑2 = e 包2 = 最q 2 ，又q = q ，q + q = q ，故芝= 咒= 4 s ； 故曲线3 的表达式为： = 。蹭2 ，曲线4 的表达式为：日= 4 跑2 。点a 为两泵并联运行工况点即设计工况点，点 g 为设计工况下单泵运行工况点；点b 为调节工况点，点f 为调节工况下单泵运行工况点。 点g 为单泵运行额定工况点，额定转速为；点f 为单泵运行调节工况点，此时水泵 转速为n 。根据前面介绍知：相似律对单台水泵运行在相似工况点是适用的。因此存在以 下关系： 盟：旦 线 生订立订 = i i 生 坼一心 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 由于q = 2q ，q = 2 绋；巩= 也，= 砟；m = 2 g ，= 2 ，故可推导得出 以下关系： 鱼：堡：旦 g2 线 旦里：生：生 h ah gn ： 丝：坐：生 n a2 n gn j 虽然在该多泵并联运行方案中，点a 、b 不满足相似，但点a 、b 的流量、扬程、功 率三者的关系满足相似律的关系式，因此可推导得出结论：在全部变速调节方案中，联合 运行工况点的参数之间满足相似律的关系式。 文献 2 4 】亦通过模型分析和实例仿真发现并联两泵实行双泵变速调节时，其相对功率 在没有背压时正比于相对流量的三次幂。 ( 2 ) 方案二的分析 通过下图定性分析方案二中的点a 和点b 参数是否满足比例定律关系式。 h 图2 5 部分变速调节方篥不葸图 如图2 5 ，作e d7 = d b ，点d7 为调节工况下变速泵的运行工况点，点d 为调节工况 下定速泵的运行工况点。两泵分别位于两并联环路a 、b ，系统的总流量等于两并联环路流 量之和即q + q = q 。根据并联原理有= 靶2 = 疋q 2 = 茈q 2 ，义额定工况下包= q 6 ，故 额定工况疋= 既= 4 s 。管路特性曲线3 的表达式为：日= 蹭2 ，额定工况下两环路特性曲 线4 的表达式为：日= 4 s q 2 。曲线a 、b 分别为调节工况下环路a 、b 的特性曲线。 由图2 5 可知：设计工况定速泵与变速泵工况点重合于点g ；调节工况下，由于水泵 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 并联的祸合作用，使定速泵的工作点移至点d ，变速泵的工作点移至点d7 ；调节工况下 两并联环路的特性曲线以相反的趋势发生变化。令鲱一q d = q 一绋= ，则存在以下关系： 堡：鱼：堡垒：堡：生 - 旦 ( 不满足) 92 绋2 珐 丝：丝：型旦 n 2 n g 水泵的轴功率可根据下式计算： ( 不满足) ：丝丝 7 7 p 式中：日一水泵扬程，m h 2 0 ；q 一流量，m 3 l l ；刁，一水泵效率 故d ，：螋 i | 甜 d ：螋 i | d g ：避 又日d ，= 日f = 日d ；鳊，= 绋一，q d = 绯+ 代入上式得 d ：型型 7 7 d ， d ：型必 7 7 d 当系统总流量变化很小时，可近似认为7 7 d ，则 n b = nd t + n d = 矿一砰 卜 芷砰 i l 砟瓦 = 瓦 i i 以虬 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 那么 ：兰2 鲤堡 盟 丝：坠：芷木堡 n 。盟n ? n d 7 7 g 通常情况下设计工况点是水泵的最高效率点， 效率较之均有所下降，即 _ s ，即系统s 随运行台数的改变而改变，且台数减少，s 增大。 图3 2 b 中为两台水泵同时工作时管路系统特性曲线，为两台水泵并联运行特性曲 线，为单台水泵运行时管路系统特性曲线，为单泵运行特性曲线，交点为设计工 况点氏，交点b 为单泵运行工作点。由于管路阻抗s 随水泵运行台数的变化而变化， 当台数不变时，管路阻抗不变，此时管路特性曲线与相似抛物线重合，水泵能耗以转速 三次方的关系递减；当台数减少时，管路阻抗变为s ，此时管路特性曲线与相似抛物线 不重合，不可直接利用相似律计算水泵能耗。如果令s = s 一s ，丛_ s 意味着部分负荷情况下 系统阻抗增加，管路特性曲线发生改变。阻抗增大，意味着阀门消耗的压头增大，这正是 干管压差控制不节能的实质。 ( 2 ) 多泵变频变流量( 以两台为例) 两台水泵并联运行时系统控制曲线为： 日= s q 2 + 日g ( 3 8 ) 管路系统特性曲线为：h = s q 2 ( 3 9 ) 一台水泵运行系统控制曲线： 日= s l l q 2 + 日g ( 3 1 0 ) 式中：墨一a 、b 两点间冷热源侧阻抗；以一a 、b 两点间压差；q 一空调冷冻水系统 流量； s 。一单泵运行a 、b 两点间冷热源侧阻抗( s 在管路确定后可直接求出或根据设计 扬程间接求出；墨。在管路确定后可直接求出) 图3 5 b 中为设计工况下管路特性曲线，为系统控制曲线，为设计工况水泵性 能曲线，为单泵运行系统控制曲线，为单泵运行水泵特性曲线。相交于一点 a 。( q 0 ，风) 即设计工况点，相交于一点b 。由于a 、b 两点问冷热源侧阻抗墨随水泵 运行台数的变化而变化，当台数不变时，墨不变，控制曲线恒定，则分析同单泵变频变流 量。 3 1 3 3 工况点及管路特性曲线的确定 ( 1 ) 单泵变频变流量 图解法干管压差控制条件下，由于恒定压差的作用使系统控制曲线与管路特性曲线不重 合，此时控制曲线为水泵运行工况点的集合。如图3 5 a ，已知某一时刻管道系统流量q ， 武汉科技大学硕士学位论文第2 3 页 过q 作垂线，与系统控制曲线交点即为该时刻系统工况点a ( q ，日) ，过点a 和原点0 所得抛物线即为该时刻管路特性曲线。 计算法由于水泵运行工况点在控制曲线上，满足式( 3 6 ) ，最为干管压差控制点前管路 阻抗，其值基本不变。故已知某一时刻管道系统流量q ，代入式( 3 6 ) ，便可计算出该时 刻系统工况点( q ，s 。q 2 + 以) 。管路系统特性方程见式( 3 7 ) ，s = s + 最，又墨已知， 是为被控坏路阻抗，可根据被控环路恒定压差以= 足9 2 求解。 ( 2 ) 多泵变频变流量 解法同上。注意系统控制曲线与水泵运行台数有关，求解时需对应。 3 1 4 末端压差控制 末端压差控制仅分析单泵变频变流量，多泵变频变流量的分析同干管压差控制。 3 1 4 1 控制原理 在最不利环路末端支路两端设置压差检测装置，部分负荷下，室内温控器根据室内温 度的变化改变二通阀的开度，末端支路两端作用压差随米端调节阀开度的改变而改变。压 差检测装置通过分析末端支路两端作用压差的变化情况就可以控制水泵的变频调节。( 见 图3 6 ) n 图3 6 末端压差控制示意图 3 1 4 2 管路特性分析 控制曲线为： h = s l q 2 + h 。 管路系统特性曲线为：= 阳2 b ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 第2 4 页武汉科技大学硕士学位论文 式中：墨一a 、b 两点间冷热源侧阻抗；以一a 、b 两点间末端压差；q 一空调冷冻水 系统流量( 墨理论上可在管路确定后可直接求出，实际很复杂，通常根据设计扬程间接求 出。在多泵变频变流量系统中，当台数发生变化时，由于s 。的确定较复杂，控制曲线求解 相对困难，工况点的求解和管路特性曲线的确定也相对困难) h h n 0 图3 7 末端压差控制工况变化不总图 图3 7 中为设计工况下管路特性曲线，为系统控制曲线，为设计工况水泵性能 曲线，相交于一点a o ( q ，矾) 即设计工况点，它同时满足式( 3 1 1 ) 和式( 3 1 2 ) ， 则 日o = 墨鳊2 + h 。 h 、= s q 理论上s 不变，令“= s ：q 。2 ( & 为设计工况末端支路阻抗) ，则是= 参，s = 墨+ 是。 部分负荷情况下，系统流量变为q ，此时被控环路阻抗= ，= 墨+ 最。显然部分 负荷情况下是 i 是，即部分负荷情况下末端支路阻抗增加，且与流量的二次方成反比关系； s - s 意味着部分负荷情况下系统阻抗增加，管路特性曲线发生改变。但末端压差控制条 件下管路阻抗的增加远小于干管压差控制条件下管路阻抗