论文：空调一级泵变流量水系统的管网优化★.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 空调一级泵变流量水系统的管网优化 姓名：杜文学 申请学位级别：硕士 专业：供热、供燃气、通风与空调工程 指导教师：徐玉党;雷飞 20050428 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 i 摘 要 暖通空调系统的能耗是现代建筑能耗的主要部分而空调水系统的输配用电又 占暖通空调系统能耗的很大一部分降低空调水系统的输配用电是中央空调系统节 约用电的一个重要环节在能源日益紧张的今天节能显得非常重要本论文就是 以空调水网能耗最低为目标在负荷动态变化下对空调一级泵变流量水系统负荷 侧的管网进行优化分析 总体上论文以空调水系统节能为最终目标以达到水系统稳定性和可调性为 条件利用网络图论的理论建立适当的一级泵冷冻水系统数学模型基于强大的 matlab矩阵运算功能来实现空调水系统的管网优化 管网优化分为结构优化和动态优化对于优化过程首先利用网络图论理论建 立管网的数学模型得到管网基本关联矩阵基本回路矩阵等图论表达以管网数 学模型为基础 建立管网特性方程组并求解 得到阀门全开时管网流量的自然分配 然后以能耗最小为目标函数在包括可调性在内的若干约束条件下得到各支路管 径和水泵扬程最后针对空调负荷的动态变化以变化的空调负荷为自变量余 支上阀门的调节为因变量在保证水系统一定的稳定性的条件下对管网进行动态优 化 空调系统正向着集中控制的方向发展把本论文的管网优化的成果作为水系统 节能控制理论与空调水系统的自动控制相结合起来对进一步实现在能源合理利 用目标下空调系统的优化控制具有一定的意义 关键词一级泵 变流量 水力管网 阻力特性系数 节能 数学模型 优化 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 ii abstract the energy consume of hvac is the primary part of architecture energy consume, on the same time, the energy consume of hvac water-system occupy a great part of hvac energy consume. so, reducing power consume of hvac water-system is of important significance. aiming at the least energy consume of hvac water-system, considering changing air-conditioning load, this thesis had achieved a hydraulic analysis and dynamic optimization of the pipe-net at the load side for primary-only pump variable flow system. as a whole, aiming at saving energy of air-conditioning water-system; considering the stability and adjustability of water-system; utilizing graph theory; establishing proper mathematic mode for primary-only pump variable flow system; basing on strong matrix function of matlab to fulfill pip-net optimization of air-conditioning water-system. wholly optimization includes structure optimization and dynamic optimization. for the process of optimization, it need firstly establish mathematic model utilizing graph theory, getting the basic relating matrix and absolute loop matrix, establishing the characteristic equations of the pipe-network which need to resolved. then, considering the least energy consume as a target function, we can gained all branch pip-diameter and pump head under some restrict conditions. at last, according to dynamic change of air-conditioning load, taking changing load as an independent variable, and taking valve adjust of branch pip as a dependent variable, this thesis achieved the dynamic optimization ensuring the water-system stability. the field of automation control in air-conditioning system is focused the ddc network control. combining the fruit of this thesis as a saving energy theory with automation control of air-conditioning water-system, it is significant for optimization control of hvac system. keywords: primary-only pump variable flow chilled-water hydraulic pip-network resistance coefficient saving energy mathematic model optimization 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 1 1 绪 论 1.1 建筑空调系统的节能意义 随着 2 0世纪初暖通空调等新技术的进步建筑师的设计思想不再受必须保证 充足的日照及良好的通风等调教的限制因为暖通空调设备和荧光灯照明系统可以 满足人的舒适性要求建筑师可以自由地追求其艺术风格的体现充分艺术化的建 筑设计完成以后再进行建筑配套工程和设备的设计结果将本来一体化的综合 设计分割为一系列独立的过程削弱了土木建筑各专业之间的紧密联系影响了建 筑的综合设计思想的贯彻执行造成建筑设计与气候和环境不协调的现状造成能 源的极大浪费和严重的环境污染并且由于设计者一味地提高安全系数过高地估 计建筑维护结构负荷照明负荷设备及人体负荷造成设备装机容量过大更进 一步增加了上述问题的严重性正如默瑞劳里斯所述现代建筑就像被无法开 启的玻璃窗密闭的盒子变成了一个真正意义上的太阳炉借助机械制冷方式又 不可思议地变成为一个大冰柜 1 7 0 年代爆发的世界性能源危机使人们更深刻的认识到节约能源对经济持续发 展的重要性在建筑领域出现了建筑节能这个世界性的大潮流世界上发达国家建 筑能耗高达国民经济总能耗的 1 / 3 左右9 5 年我国城乡各类建筑采暖空调电扇 降温和照明使用能耗每年约为 1 . 4 3亿吨标准煤约占全国商品能源消耗总量的 1 1 . 7 % 到 2 0 0 0年建筑能耗已为 1 . 7 9亿吨标准煤占全国商品能源消耗总量的 比例也升至 1 3 . 1 % 由此可见建筑物的设计必须把节能的观念摆在非常重要的 位置2 同时随着经济的发展和人民生活水平的提高公共建筑以及住宅的供热和空 调已成为普遍需求占建筑总能耗的相当大部分发达国家中此类能耗可占到社 会总能耗的2530% 据统计 我国历年用于暖通空调的能耗约占建筑能耗的85%3 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 2 可见供暖与空调系统的能耗是现代建筑能耗的主要部分因此供暖与空调 系统的节能十分重要国家在国民经济和社会发展规划和第八个五年计划纲要 中早就对建筑行业提出了着重开发和推广节能节地节材的住宅体系的要 求江泽民李鹏等中央领导同志对建筑节能工作提出过明确的要求可见建筑节 能工作早已经提到了国家的议事日程 1.2 一级泵变流量水系统的发展 目前通常所说的变流量系统是指在水路系统的空调末端使用二通控制 阀的系统是与水路系统空调末端使用三通控制阀的定流量系统相对而言的 所谓变流量与定流量均是指输送冷冻水的水路系统的流量而不是通过末 端的流量经过末端装置的流量在上述两种方式下均是变化的 目前国内外应用较普遍的空调变流量水系统便是空调冷冻水二级泵系统这种 系统在一次泵中采用定流量运行以保证蒸发器的稳定运行原因是4水侧放热 系数 w与水流速度的 0.8 次方成比例而水流的压力损失则与水流速度的平方成 比例即水流速度增高时放热系数的增加并不明显而压头损失增加的很快另 外当管内流速太低时若水中含有机物和盐分则在速度小于 1m/s 时就会造 成管壁腐蚀且冷冻水要防止低流速冻结的危险同时二次泵采用变流量运行来适 应用户负荷的变化从而节能关于二次泵的变流量运行和控制方法这里就不再赘 述这种变流量系统在过去很多年成为空调冷冻水系统设计中最为流行的布置方 式甚至被写进了一些暖通空调的设计手册和工程用书 然而近年来针对传统二级泵系统的一些弊端又一种更节能的新的变流量冷冻 水系统出现了即一级泵变流量系统它省掉二次泵直接对通过蒸发器的冷冻水 进行变流量调节 来适应不同时期用户负荷的变化 包括文献5和6在内的许多文 章都对蒸发器直接进行变流量运行控制进行了分析确认了蒸发器变流量运行的 可行性及优越性 文献6甚至还预测了传统二级泵系统将被一级泵变流量系统所取 代的趋势 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 3 变流量技术的发展与控制技术水泵变速技术以及冷水机组冷量调节技术的发 展紧密联系控制技术以及计算机技术的飞速发展使空调水系统从设计到运行都 提高到一个新的水平设计方法从以前静态定点设计发展到现在动态连续设计控 制方法从局部 pid 控制单回路控制到 ddc 网络控制远程集中控制7变频技 术的成熟为变流量运行提供了一种真正切实可行的节能方案采用多台水泵并联实 现变流量调节范围小耗电大实际情况并不理想8而采用变频调速水泵不 仅调节范围大且效率都在 80%以上节能效益高9近年来由于冷水机组的制 造工艺和控制技术的进步离心式螺杆式冷水机组其制冷量均能在 10%100%范 围内无级调节基本上不需要维持冷冻水量的恒定在设计水量的 50%以上完全可 以比较正常的运行56由于有了这些技术的支持空调变流量水系统仍然在不断 的完善中 1.3 课题目的及意义 目前空调水系统的输配用电在冬季供暖期间约占动力用电的 20%25%在 夏季供冷期间约占动力用电的 12%24%因此降低空调水系统的输配用电是中 央空调系统节约用电的一个重要环节因此中央空调水系统的管网优化分析对暖 通空调的节能以至于建筑节能都具有十分重要的意义 首先设计人员在设计的过程中一般都根据设计手册提供的数据进行计算得到 散热设备的型号管路的管径以及相应的控制阀及水泵的型号大部分的工程设计 都采用估算的方法10使设计能满足负荷侧的最大需求同时使系统的水力不平衡 不至于过大即可主要还是以经验设计为主很少考虑对结构进行优化设计以降低 系统运行费用因此需要对管网进行最优化设计分析使水系统从设计的角度保证 能有一个优化的结构 其次根据对一些高层宾馆饭店空调冷冻水系统的调查测试表明普遍存在 着不合理的大流量小温差问题冬季供暖水系统的供回水温差较好情况为 810 较差情况只有 3同时夏季冷冻水系统的供回水温差较好情况为 3左右 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 4 较差情况只有 11.5而从理论上讲水泵消耗的功率与流量的三次方成正比 因为循环水泵的输入功率与流量和扬程的乘积成正比而水泵的扬程大致与流量的 平方成正比所以减少循环流量或者说使循环流量与系统实际需求相匹配可以使 水泵的电耗成三次方关系迅速降低故通过空调水系统的管网优化分析如果能使 其避免出现大流量小温差的问题对空调系统的节能具有相当重要的意义 再次常用的对负荷侧支路流量控制是利用自动控制阀二通调节阀进行 自动阀的控制是由安装在房间的恒温控制器实现房间的温度传感器水系统支路 管路的自动控制阀和房间的恒温控制器形成一个单回路控制11在流量调节过程 中并没有考虑到其它支路的影响及影响大小认为支路之间的影响可以通过对支 路的精确控制来消除然而实际情况是水在管路中的流动是一个复杂的过程管路 之间流量变化的相互影响有时会引起控制阀的频繁动作并使水系统发生震荡不 能稳定在一个比较确定的范围这样必然会对主循环泵工况造成影响同时由于 室外气温的变化引起主循环泵的流量在一天内会发生较大的变化必然会引起扬程 和效率的变化正是这些因素的影响使系统的水力工况变得复杂因此利用适 当的手段对水系统的支路之间的相互作用进行分析是很有必要的 最后虽然变频技术为变流量的负荷控制和真正节能提供了基础但对其控制 方法仍有待改善常用控制方法有恒定最远端供水压力控制和回水水温控制这两 种控制方法各有其局限性但都仅仅是对系统的局部进行考虑空调系统的自动化 控制是建立在对空调设备集中控制的基础上对于水系统控制中心通过对控制阀 的连续控制可以随时知道管网支路的流动情况空调房间的状态参数也被及时送 到控制中心这样就可以对能源的实际需要和实际供给情况进行分析对系统实行 优化优化的结果可以通过现场总线传送到变频控制装置以控制水泵的流量实现 水泵的优化运行但如何优化仍然是一个复杂的问题需要进行深入的研究11 12 13 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 5 1.4 课题研究内容及研究方法 本课题的主要研究内容包括分析一级泵变流量水系统的运行及其控制策略 对空调水系统进行定量分析具体到管网的不平衡性稳定性和可调性确定一个 简单的一级泵冷冻水变流量系统管网的空间模型利用网络图论的理论为其建立 数学模型以达到水系统稳定性和可调性为条件以空调节能为最终目标基于强 大的 matlab矩阵运算功能来进行空调水系统管网的优化 对于优化过程首先分析空调水系统流量随负荷变化时管网进行水力调节的 主要因素对管网的不平衡度可调性以及稳定性进行定量分析然后运用图论 理论建立一级泵变流量水系统管网的数学模型确定管网的基本关联矩阵基本回 路矩阵等图论表达式以管网图论模型为基础建立管网特性方程组并求解该方 程组得到阀门全开时管网流量的自然分配最后针对空调负荷的动态变化以一 次泵的能耗为目标兼顾水系统管网的不平衡度可调性以及稳定性并以此为目标 函数的约束条件运用非线性规化理论基于 matlab 语言编程以及 matlab 优 化工具箱对一次泵变流量水系统的水力管网进行结构优化和动态运行优化14 众所周知空调负荷随时间变化决定了水系统的变流量运行因此水系统管网 的优化分析需以空调负荷的动态变化为基础但本文并不详细讨论空调负荷动态变 化的规律及其计算仅把空调负荷动态变化作为已知条件应用于空调水系统管网的 优化分析中 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 6 2 一级泵变流量水系统的实现及控制 2.1 一级泵变流量水系统的实现 本论文所说的一级泵变流量水系统是相对于目前国内外广泛使用的传统一级 泵系统和二级泵系统而言的目前此种系统在国内的使用还不是很普遍相对于传 统的二级泵系统各有优缺点这里简单说明一下相对于传统的二级泵系统一 级泵变流量系统主要有三个优点15第一具有较少的初投资第二更小的空间 要求第三更好的节能效果相对于传统的二级泵系统一级泵变流量系统也有 自己的缺点15第一旁通控制的复杂性第二启停冷水机组的复杂性 如图 2 . 1 所示一级泵变流量系统只设一组水泵采用变速驱动装置v s d 调节水泵转速来直接改变系统的总流量从而适应系统负荷的变化 在这种系统中水泵与制冷机一般采用先分别并联再串联的连接方式因为 这样连接有几个很重要的优点 首先当系统负荷增大到要新开启一台制冷机时通过控制与其相连的阀门开 启速度可以使它的流量要从零慢慢增大到其运行所必须的最小流量此时这种连 接方法不至于使其他正在运行中的制冷机的流量发生剧烈减小如果水泵与制冷机 先串联后并联则在新开启一台制冷机时需要使水泵的出口处压力逐渐增加直 至超过截止阀的背压力否则阀门都不会打开而截止阀一旦打开流体将迅速流 过这台新开启的制冷机从而导致通过其他正在运行的机组的水流量突然减小 其次运行中的泵的台数不必与制冷机的数量完全相同例如可以只用两个水 泵来驱动三台制冷机这样当处于部分负荷运行状态时能保证系统有较高的供回 水温差另外当用户侧负荷逐渐增大时为了保证系统的设计供回水温差在开启 另一台制冷机之前可以让三台泵来驱动两台冷水机组从而让这两台冷水机组进 行满负荷运行这对提高冷水机的效能会有很大的好处 1 6 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 7 图 2 . 1 一级泵变流量系统 系统中的旁通控制阀和流量计用来保证通过制冷机的冷冻水流量达到其生产 厂家所规定的最小流量当系统负荷降低使通过流量计的冷冻水流量小到制冷机被 规定的最小流量时控制系统便开启旁通阀使流量不再减小以保证冷水机的正常 运行旁通阀应安装在靠近水泵的地方来减小系统的压力损失同时这样安装能 节省控制系统的费用因为这个阀门流量计必然会和水泵一起由一个 d d c 系统控 制这样便能节省控制线路的费用 2.2 一级泵变流量水系统的控制策略 表冷器供冷量通常通过电动两通阀自动控制当空气处理机组在定风量方式下 运行时, 随着需冷量的减少, 电动两通阀将自动关小, 从而减少流过的水量, 但同时表 冷器水温差将加大当空气处理机组变风量运行时, 通常前半程由送风温度控制电动 两阀, 通过室温控制末端装置的风量来达到对风机总送风量的控制; 当送风量降至下 限时( 后半程) , 则由回风( 或室温) 直接控制电动两通阀在工程中, 也有一些没有 设置末端装置的变风量系统, 其控制方式通常是前半程由室温直接控制风机风量, 后 半程与定风量系统相同对于风机盘管而言, 其两通电动阀通常采用位式控制模式, 打开时为设计流量, 关闭时流量为零在一个大工程中, 可能有上述多种空调风系统 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 8 形式并存, 其对水系统总冷量与流量特性的综合作用大致有3 种情况, 如图2 . 2 所示 1 7 1 8 1 9 2 0 . 图2.2 空调水系统特性 图2.3 设备运行台数控制过程示意图 这里假定冷水机组与冷水泵一一对应设置冷水机组与冷水泵的运行台数控制 也一一对应图 2 . 2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 2.2.1 冷量与水流量特性为曲线1 时,冷水机组和水泵台数的控制 假定采用总供水流量 gz 来控制冷水机组的运行台数 以 3 台泵为例, 通常以总 流量的 1 / 3 , 2 / 3 作为台数转换的流量点, 即: 3 3 % gz , 6 6 % gz , 考虑控制的滞留 区( 主要是防止设备在该点频繁动作) 为 8 % gz , 则各转换点的动作下限为: 2 5 % gz , 5 8 % gz 因此, 确定台数控制的方式为: a ) 增加流量( 运行台数增加) 的过程 中, 0 5 8 % gz 时, 3 台机组运行; 2 5 % gz g 5 8 % gz 时, 2 台机组运行; 0 g 2 5 % 时, 1 台机 组运行上述整个过程如图 2 . 3 所示 但是, 从图2 . 2 可以看出, 当流量下降至5 8 % gz时, 系统的需冷量远大于2 台冷水 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 9 机组的额定供冷量( 6 6 % gz) , 如果这时停止1 台机组运行会造成供冷量不足, 其结果 是供水温度升高, 表冷器冷却能力下降, 必然要求开大与表冷器相连接的电动两通阀, 从而导致用户侧水系统压差下降而要求提高正在运行的2 台冷水泵的转速这时变 成了一个增加流量过程, 当这2 台泵流量超过额定流量( 由于电动两通阀的不断开大, 系统阻力降至设计值之下是完全可能的) 时, 系统总流量已超过6 6 % gz , 此时需要启 动第3 台机组, 这时刚停运的机组又重新启动, 频繁的启停显然不利于设备稳定的工 作且容易影响设备的使用寿命 这时必须根据冷量来控制设备的运行台数当流量下降至5 8 % gz 时, 由于用户 侧的需冷量远大于2 台冷水机组的额定供冷量, 因此冷水机组不能停止运行同时, 由于流量已降至冷水机组的下限流量值, 故此时水泵不宜再降低转速, 因而这时冷水 机组只能定流量运行, 同时应通过压差旁通阀使多余的水流量旁通, 直到用户侧的需 冷量下降至5 8 % 时( 图2 中对应的用户侧的供水总流量为3 3 % gz , 此时水泵的总流量 仍然为5 8 % gz) , 才停止1 台机组及相应的水泵之后, 逐渐关闭压差旁通阀以使得 用户侧供水总流量达到3 3 % gz 的要求整个过程如图3 . 3 所示 2.2.2 冷量与水流量特性为曲线3 时,冷水机组和水泵台数的控制 由图2 . 2 可知, 当用户侧的需冷量减少至5 8 % 时, 用户侧需要的流量大约为7 3 % gz , 大于2 台泵的额定供水量如果这时用冷量来作为机组台数控制的依据, 则停止1 台机组和相应的水泵后, 会导致总供水量不足尽管表冷器所配的电动两通阀会开大, 要求增加供水流量, 但此时正在运行的2 台水泵流量已经达到额定值, 电动两通阀的 开大只会使系统水阻力降低而导致水泵的工作点向低扬程 大流量方向移动( 右移) , 严重时可能造成水泵电机过载而发生事故 因此, 与曲线1 的情况相反, 这时应采用流量来控制运行台数只有当系统需要 的流量降至5 8 % gz 时( 图2 中, 此时对应的系统需冷量为4 5 % ) , 才能停止1 台机组 和相应水泵的运行2 台向1 台转换过程依此类推 对于曲线2 的情况, 由于冷量与流量的关系呈线性特性, 因此无论用冷量还是流 量方式来控制设备的运行台数都是可行的 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 10 2.2.3 水泵的转速控制 前面已述, 水泵的启停台数与冷水机组一一对应对于水泵的转速, 通常的思路 是根据用户侧水路的压差通过变频器来进行调节从理论上讲, 水泵流量的变化与频 率的变化呈线性关系, 但在实测中发现, 由于水泵出口止回阀的作用, 在低流量时, 二 者不是线性关系, 而是随频率的降低越来越向下弯曲, 尤其是低转速时此点更为突 出变频器的最大频率一般不应超过额定频率的1 0 % ( 5 5 h z ) , 最小频率则与冷水机 组的类型和水系统的要求有关, 即使同一冷水机组在不同应用场所时其流量调节下 限也是不同的在本文中, 流量的变化范围为5 0 % gz1 0 0 % gz , 此范围内流量与频 率的变化基本上呈线性关系, 因此流量降为5 0 % gz 时, 对应的水泵变频器频率近似为 2 5 h z 同时, 变频器在低负荷时的效率将下降, 也不宜无限制地扩大频率变化范围, 只要能满足流量调节的变化范围即可 水泵转速调节通常采用压差控制假定部分负荷率为qi , 相应负荷率下全年运转 时间百分数为ti 以国内某地夏季空调分布规律( 见表1 ) 并结合图2 . 2 中的曲线 1 , 2 , 3 来进行分析 表1 某建筑空调负荷分部规律 qi % 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 ti % 3 . 5 5 . 0 9 . 4 1 1 . 6 1 5 . 4 2 0 . 1 1 4 . 9 1 0 . 7 6 . 1 3 . 6 对于曲线1 , 流量变化到下限值5 0 % gz6 0 % gz 时, 冷量变化至额定值的7 5 % 8 0 % 由表1 可算出, 水泵低负荷运转的总时间比例为3 5 . 3 % 2 1 . 4 % , 流量调节下限越 大和曲线1 越向上凸, 这个时间比例就越小, 由此带来的水泵变速总的节能效果是有 限的因此, 在此情况下, 是否采用水泵变速控制方案应进行较详细的技术经济比较 也许采用冷水大温差供回水方案是一个较好的选择( 也应进行技术经济比较) 如 果是曲线2 , 流量下限为5 0 % gz6 0 % gz 时, 冷量也变化至额定值的5 0 % 6 0 % , 由表1 可算出低负荷运转的总时间比例为7 0 . 8 % 5 5 . 4 % , 节能效果明显高于前者对于曲 线3 , 流量下限为5 0 % gz6 0 % gz 时, 冷量已低于额定值的5 0 % 6 0 % , 由表1 可算出低负 荷运转的总时间超过了7 0 % , 是节能效果最好的 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 11 在图2 . 2 中, 3 台冷水机组在运转过程中, 如果流量已降至5 0 % gz6 0 % gz , 当负荷继 续下降时, 就不能再调节水量流量调节的下限信号发出后, 冷水机组由变流量运转 转换成定流量运行, 必须停止采用用户侧供回水压差来控制水泵变速的方式, 而改 用压差控制供回水管之间的旁通电动两通阀, 同时恢复采用冷水机组出水温度进行 容量控制的措施因此, 设计采用初级泵变速控制时, 压差旁通电动阀是必不可少的 2.2.4 供水温度控制 上述控制没有涉及到冷水机组的供水温度控制对于一次泵系统而言, 当冷水机 组采用变流量方案时, 不可能像定流量运行那样保持供水温度不变来调节制冷量, 因 为由于变流量运行, 其供水温度也是不断变化的对应于某一个冷量, 是改变供水温 度还是改变流量以及在变流量过程中供水温度如何变化才能适应需求, 是要讨论的 问题在冷水机组变流量运行时, 其供水温度传感器不再起控制调节作用, 它的主要 用途是监测水温并通过设定水温的上下限对冷水机组起联锁保护作用 对于非全天连续使用的空调系统( 如为办公室服务) 来说, 晚上或节假日机组停 止运行后, 系统内冷水温度会上升( 停机时间较长时有可能会上升到与周围的环境温 度相同) ; 白天通常会在上班前开机, 将系统内的冷水温度逐渐降低至负荷侧所需的 温度, 在这个降温过程中, 通常并不需要冷水机组全部投入运行, 而是通过负荷预测 方式来确定其运行台数做法是: 上班初次开机时, 1 台初级泵( 及相应的冷水机组) 全速运转, 压差旁通阀正常工作, 待系统内的水温降至设定值的高低限之内时, 再让 水泵作变流量运行, 这时有以下4 种情况 第一供水温度达到高限而电动两通阀并没有全开 这种情况说明负荷侧的冷量供应是足够的, 供水温度低于或供水流量高于实际 需求由于供水温度已达到高限, 不可能再提高, 因此此时应采用的方法是降低水泵 的转速, 减小供水量尽管由此也会带来供水温度的下降, 但最终会达到一个平衡状 态供水量低于额定流量且供水温度在高低限范围内, 既节能又有利于冷水机组 的运行 第二供水温度达到高限而电动两通阀已经全开 这种情况说明负荷侧的冷量供应不足由于水阀已经全开, 说明水泵流量已经达 到额定流量( 全速运转) , 因此产生供冷量不足的原因是供水温度过高解决的方法 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 12 是增大冷水机组的制冷量, 使水温降低以满足负荷侧的冷量需求 第三供水温度降到低限而电动两通阀并没有全开 这种情况说明冷水机组的供冷量是足够的从分析上看, 可以通过两个办法来解 决一是降低水泵的转速, 减少供水流量; 二是调节并减少冷水机组的制冷量, 提高供 水温度从节能角度看, 这两种办法各有利弊, 前者因降低水泵转速而节能, 但冷水机 组处于低供水温度而使制冷效率下降; 后者虽提高了冷水机组的效率, 但水泵的运行 能耗比前者大从实际运行来看, 采用前者且对冷水机组的容量不进行调节时, 流量 的下降必定导致供水温度的进一步下降, 这显然是不能接受的( 供水温度已经降至低 限) , 因此, 采用后者显然更为合理当然, 如果经过详细的计算后认为保持冷水机组 最低限供水温度的同时降低水泵流量的方式更有利于节能的话, 则也可以在降低水 泵转速的同时调节冷水机组的制冷量, 或者为了安全起见, 先适当调节制冷量以使水 温有所上升并保持( 比如高于低限水温1 2 ) 的同时调节水泵流量 第四供水温度降到低限而电动两通阀已经全开 这种情况表明此时负荷侧冷量不足的原因不是冷水机组的供冷量不足( 此时冷 水机组处于部分负荷运行状态) 而是冷水流量不足, 因此应提高水泵的转速, 加大流 量尽管流量加大的同时水温会提高, 但这是可以通过冷水机组的容量调节来解决的, 最后会达到一个供应与需求的平衡点如果水泵已经全速运转且水温已达到额定值 而负荷侧的电动两通阀仍然处于全开状态, 则下一步必须再投入1 台冷水机组 2.3 本章小结 本章对一次泵变流量系统做了论述首先拿它和应用广泛的传统二级泵系统进 行了比较让大家看到了他们各自的优缺点随后论述了一次泵变流量系统的实现 最后分别从冷水机组和水泵的台数控制水泵转速控制供回水温差控制等几个方 面比较系统的论述了一次泵变流量系统的控制策略为接下来的章节打了一个基 础 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 13 3 空调水力管网的定量分析 3.1 管网的总不平衡度 水系统第一次运行时由于各支路阻力特性系数的不同以及各末端空间位置的 相异导致管网水力失衡因此流量的自然分配不可能达到设计流量 衡量某一支路的水力失衡可以用水力失调度来表示如下所示24 a ad g gg x = (3-1) 式中x为水力失调度 da gg 和分别为实际流量和设计流量 水系统的最不利支路是指在设计工况下实际流量小于设计流量程度最大的支 路反之最有利支路是指在设计工况下实际流量大于设计流量程度最大的支路 因此水力失调度 x 的正负可以体现这两种水力失衡情况 支路间的不平衡度则可以用两支路的水力失调度之差来表示 jiij xxx= nji, 2 , 1,= (3-2) 式中 i x 和 j x 分别为支路 ij 水力失调度 于是水系统总的不平衡性可以用系统中最不利环路和最有利环路间的不平衡 度来表示称为管网总不平衡度即 minmax xxx= (3-3) 分析上式有若x 较大则认为管网的不平衡性较大需要对支路的阻力特 性系数进行调节若x 较小则认为管网的不平衡性较小在可容忍的情况下 不需要对支路进行调节若 x 为 0 即0 minmax = xx说明管网处于良好的平衡状 态下即使出现失调也是等比失调可以不改变支路的阻力特性系数而仅通过改 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 14 变水系统流量就能使支路达到设计流量 3.2 管网的可调性 水力失调是现代建筑中常见的现象, 它由几个方面的因素造成一方面是由于 设计手册(图表) 中的管道绝对粗糙度 k 与不同的运行状态下的实际情况有一定差 别; 另一方面是由于设计手册(图表) 中给出的局部阻力值都是在阀门全开情况下 而言的, 实际运行中阀门的开启程度是千差万别, 很难做出准确的计算; 同时由于 现场施工对管道直径长度和部件的变更, 再加上运行时各用户负荷的变更, 使实 际情况与设计情况发生很大变化发生水力失调时, 将使负荷分布不均, 影响人们 的正常生活, 甚至影响人们的身心健康; 同时也使管网系统的流体机械效率下降,造 成能源浪费25 管网可调性是指调节阀的动作对水系统的影响支路上的调节对系统中其它支 路的流量也会有影响因此可用支路的可调性来分析管网的可调性 调节阀的调节特性与管网的可调性有很大的联系 仍利用 s g 对调节阀的调节 效果进行分析阀的流量调节由阀门开度决定开度变化与阀门的对应关系对于进 行水系统分析很重要在阀门进出口压差恒定的基础上对管网的可调性进行分析 考虑到支路上其它设备及管路的阻力阀门开度k 和流量g 的关系可表示为26 图 3.1 不 同m值 时 阀 门 调 节 特 性 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0 开 度 k 相 对 流 量 g/gm a x m=0 m=2 m=10 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 15 2 max 1 + + = km m g g (3-4) 式中 max g为阀门全开即k1 时的流量m 为阀门全开时该支路上除阀门外其它 部分的压降与阀门的压降之比当m0 即其它压降可忽略不计时kgg= max ,具 有这样特性的调节阀称为线性调节阀图 3.1 为不同m 值时相对流量随阀门开度k 的变化26 从图中可看出当10=m时此支路的调节性能已经很差实际上支路两端压差 并不能恒定往往由于与水泵或管网的其它部分连接而产生波动此时其调节特性 将进一步变差图中的虚线为实际运行中m 为不同值时的调节特性比较图中的实 线与虚线可以看出管网结构水泵特性都将影响支路最终的调节性能因此当 支路上安装阀门后该阀门对此支路流量的调节作用与如下三个因素有关(1)阀门 本身的调节特性(2)支路的阻力(3)该支路外管网其它部分的影响为了仅研究后 两个因素对调节性能的影响而不涉及阀门本身的特性可以先考虑阀门为上述线 性调节特性 时该支路的调节特性 此时 可将支路相对流量对开度k 的导数在k 1 即阀门全开时定义为支路i的可调性 i r即 () 1 max = = k i i k gg r (3-5) 将式(3-4)代入式(3-5)则有 1 1 + = m ri (3-6) 当阀门进行线性调节时若m =0则 i r =1表明支路的调节能力好m 越大则 i r 越小表明支路的调节能力越差 由于支路的最大流量恒定即可看为常数将式(3-5)进行变换有 1 max 1 = = i k i i i i i k s s g g r (3-7) 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 16 将阻力定律 2 sgp =代入上式则有 i i i i i i s g g s m r + = max, 1 1 (3-8) 可见若所求支路的流量对阻力特性系数的一阶偏导已知即可求出该支路的 i r 3.3 管网的稳定性 为评价管网中各支路间的相互影响,可以这样定义支路 i 的稳定性 当调节支路 i 的阀门,使该支路流量变化gi ,这时若此支路与其它支路相互影响,则由于支路 i 的调节,会导致各支路的流量都有一些变化其中一部分支路不希望流量被改变,因 此可以调整这些支路的阀门,使这些支路的流量恢复到原来的流量,但这又使支路 i 流量向回变化gi ,这两个流量变化之比可称作支路 i 的稳定性 ks26 i i s g g k = (3-9) 当 s k = 0 即 i g = 0表明支路i流量将不使其它支路流量变化或其它支路的 调节不会影响支路i因此稳定性最好当 s k = 1 即 ii gg= 时表明调节支路i 后尽管流量有所变化但其它支路为了保证其流量不变而进行的调节将又使支路i 的流量恢复原状因此稳定性极不好当 0 s k 1 时经过一个回合的调节支路 i的流量仅变化了预期变化流量 i g的(1- s k )倍若0 n s k则需要这样调节n 多 个回合支路i才能达到要求的流量 然而在对支路i进行调节时可能会引起需要维持原有流量的支路其流量变化 因此 稳定性 s k 不是单独对一个支路定义的 而是对一个支路及若干个要求流量不 变的支路的集合所定义的 s k 是以描绘了管网中一个支路d与另一个支路集合 f 则有 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(