198浅论变流量闭式循环水系统控制参数的选择与节能.doc

浅论变流量闭式循环水系统控制参数的选择与节能甘肃省建筑设计研究院 徐树声 毛明强 郑安申摘要 定性地分析了一次泵变流量系统的常用控制方式和变频调速系统对水泵性能的要求，指出恒定最不利环路压差的变频调速控制方式在实际工程中具有较好的节能意义，而定流量水泵加压差控制旁通阀的控制方式是不节省水泵运行能耗的；并指出选用变频调速水泵时应考虑水泵性能对变频过程的影响，应根据系统特性选择不同的变频配置方式。关键词 一次泵变流量双管闭式系统 控制参数 变频调速 相似定律 水泵能耗0. 前言在暖通设计中，减少系统能源消耗已成为设计者需首要考虑的问题，除了利用可再生能源和选用效率高、使用寿命长、综合造价较低的设备以外，采用变流量控制技术来控制设备的运转也是一项越来越普遍被采用的节能措施。在空调水系统和采暖系统变流量设计中，为了适应因调节室内温度等参数而造成的末端设备（空调机组、风机盘管、散热器等）水流量的变化，设计人员通常采用控制压差旁通阀的开度或变频水泵的转速来保持供回水主管路间的固定压差，以维持系统运行的稳定性。但由于系统控制参数的设置不当、变频水泵配置时没有考虑水泵的性能等原因，使得部分系统的节能效果不甚理想。以下就一次泵变流量双管闭式系统为例作简单分析。1. 常用的变流量控制方式1.1. 定流量水泵加压差控制旁通阀的控制方式所有负荷侧水路设电动两通阀或温控阀，系统供、回水总管之间设压差旁通调节阀，当系统负荷减小时，流向负荷侧的流量减小，通过压差控制器调节压差调节阀的开度，保证供、回水总管之间基本恒定的压差，流经冷热源设备的水流量基本不变。系统流程见图1。该系统是目前国内民用建筑暖通空调工程应用最广泛的系统形式。假定负荷侧的AB点间的控制压差为P，冷热源侧的总阻力数为S,水泵扬程为H,水泵流量为G,水泵功耗为N。水泵扬程与流量的关系为H=P+SG2 (1) 如图2所示，当负荷侧流量发生变化时，通过调节压差控制器调节压差调节阀的开度，保持AB点间的压差P不变，因冷热源侧没有进行阻力调节，S也不变，由水泵特性曲线可知，H和G均保持不变，即水泵工作点不变。由水泵能耗计算公式 （2）式（2）中为水的密度，为水泵的效率。可知，该系统的变流量调节仅仅是为了满足负荷侧流量变化时，维持负荷侧AB点间的恒定压差P，保持系统运行的稳定性，水泵的能耗始终保持不变，这种控制方式并不节省能耗。1.2. 变频调速控制方式近几年，由于满液式蒸发等新技术的应用，部分电制冷冷水机组的循环水量可以实现较大范围的变化，而不至影响冷水机组的运行稳定性。因此可以采用变频技术来控制循环水泵的转速，以满足末端设备水流量的变化。如图3所示，当水泵在变频调速状态运行时，根据水泵相似定律，同一台水泵在相似工况点具有相同的效率，并满足以下公式： (3)(4)图3中n上的a点与n上的a点即为相似工况点，其相似基础为水系统内的介质流动必须完全相似（几何相似、运动相似和动力相似，其中几何相似是运动相似、动力相似的基础），即水系统中所有阀门的开度在水泵调速过程中都不变。在系统控制的实际应用中，相对于控制参数设置的不同，变频水泵的节能性能有较大的差别。1.2.1. 采用恒定供回水总管间压差的控制方式如图4，当负荷侧流量发生变化时，通过供回水总管间的压差变送装置控制水泵变频调速运行，保持AB点间的压差P不变，因冷热源侧没有进行阻力调节，S也不变。由式（1）可知，因SG2相对于P所占比例较小，因此流量G的变化对水泵扬程H的影响也较小，水泵接近于定扬程变流量方式运行，如图5。如此时水泵仍运行在高效率工况区内，则由式（2）可知，水泵的功耗近似与水泵的流量成正比。1.2.2. 采用恒定最不利环路压差的控制方式如图6，将图4系统的压差控制点移至系统最不利环路，AB两点间的压差P可以采用较小的设定值。此时，P相对于SG2所占比例较小，流量G的变化会造成水泵扬程H的较大变化。由式（2）可知，水泵的功耗同时与水泵的流量和扬程成正比，相对于图4控制方式，本控制方式可以节省更多的能耗。1.2.3. 采用恒定供回水温差的控制方式如图7，所有负荷侧水路不设随负荷变化而动作的调节阀门，当末端负荷发生变化时，通过调节变频水泵的转速来保证系统恒定的供回水温差。此时，因系统所有阀门的开度均不变，管网特性曲线不变，水泵在变频调速运行时的工况点均为相似工况点，水泵的效率也不变，水泵的功耗和扬程的变化也完全满足式（3）和式（4）的变化规律，如图3。因此本控制方式从理论上是最节能的控制方式，但只适用于所有末端设备负荷变化一致、末端设备换热器的阻力特性和换热性能相似的系统，应用范围非常小，而且这种控制方式还不易保证管网各分支管路的流量动态分配总能满足要求，所以在实际工程中很少应用。2. 变频调速系统对水泵性能的要求在采用恒定供回水总管间压差或最不利环路压差的控制方式的系统中，大部分系统都为多台水泵并联工作方式，采用变频调速控制时为了降低造价，一般多采用一变多定的控制方式，其实这种控制方式是不符合水泵的性能和管网特性的。这是因为目前在暖通空调系统中多采用高效率的离心式水泵，泵的特性曲线均较为平坦，高效率的工作区域较宽，多台并联以后的性能曲线将更为平坦，如图8，如果多台泵中只有一台采用变频控制，变频泵的变频范围将非常小，且因为负荷侧流量的微小波动其工况点会发生剧烈变动，而且在调速过程中会恶化其它定速泵的状态点，变频泵大多时间也处于低效率工况区，而节省的能量却很有限，所以这种配置方案是不宜采用的。而采用多台泵同步变频控制时，如图9，其联合运行的特性与一台大流量变速泵的特性是相似的，这对于采用恒定最不利环路压差的变频控制方式的系统是合适的，但因为多台泵并联运行的性能曲线非常平坦，较小的压差调节会造成流量的较大波动，所以不适合采用恒定供回水总管间压差的变频控制方式。对于采用恒定供回水总管间压差的变频控制方式的系统，宜采用一台大流量变速泵来代替多台泵并联控制的方式，这样会使水泵的性能曲线较陡，其变频范围会大大增加，也会大大减少控制过程的水泵能耗。3. 结论3.1. 定流量水泵加压差控制旁通阀的变流量控制方式是不节省水泵运行能耗的；3.2. 变频调速变流量控制方式的节能性与控制参数的选择是密切相关的，恒定最不利环路压差的变流量控制方式在实际工程中具有较好的节能意义；3.3. 控制压差值的确定对恒定压差的变频控制方式具有较大的影响，实际工程中压差值应经详细计算确定；3.4. 恒定温差控制方式中水泵的变频调速完全适用相似定律的公式，其节能性能最好，但在实际工程应用中具有较大的局限性，没有太大的推广意义；3.5. 选用变频调速水泵时应考虑水泵性能对变频过程的影响，应根据系统特性选择不同的配置方式，并应考虑水泵高效率工况区对实际运行工况点的包容；3.6. 本文仅定性地对常用的几种变流量控制方式进行了节能性能的简单分析，实际工程中应针对具体方案进行系统能耗的量化分析来确定系统的经济性。参考文献 李苏泷一次泵系统冷水变流量节能控制研究暖通空调，2006，36(7)：72-75 伍小亭，芦岩循环水泵变频调速运行实例研究暖通