空調水系統節能與水力平衡優化設計的思考

譚　亮（東莞市建筑設計院，廣東　東莞　523000）

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空調水系統節能與水力平衡優化設計的思考

譚亮（東莞市建筑設計院，廣東東莞523000）

中央空調水系統的能耗通常占整個空調系統能耗比重較大，空調水系統的節能也越來越受到重視。同時，空調水系統又存在著水力平衡的要求，也只有在保證水力平衡的條件下，空調水系統的節能才有實際意義。本文從空調水系統的典型形式出發，對空調水系統的水力平衡進行思考，并提出優化設計的方法，以實現空調水系統運行節能的目的。

空調水系統；水力平衡；節能；閥權度

引言

步入21世紀后，我國城市化進程加速推進，面臨的環境及資源等問題越來越嚴重，建筑節能也越來越受到更多關注。由于空調能耗占建筑能耗比重很大，所以空調節能也成了建筑節能的一個關鍵。就目前的空調技術而言，單一空調設備節能潛力比較有限，但系統整體控制還有節能潛力可挖，尤其是當前許多實際空調工程水系統運行時由于水力失調的原因，即使采用了節能新技術，其節能性遠達不到設計要求，因此對空調水系統水力平衡進行優化設計是很有必要的。

1　空調水系統水力平衡

水力失調是許多實際空調工程運行存在的通病。文獻［1］將空調水力失調分為靜態水力失調與動態水力失調兩類，因此，對應的也有靜態水力平衡與動態水力平衡兩種形式的解決方法。

1.1靜態水力平衡

靜態水力平衡要求在設計工況下水系統運行參數能與設計值相吻合。以目前的技術水平來看，靜態水力平衡已經不是太大問題，通過安裝靜態水力平衡閥等手段就能達到要求。

當然，對于空調水系統是否需要安裝靜態水力平衡閥也還是存在爭議的，主要集中在以下兩點：

（1）安裝靜態平衡閥增加了系統阻力，對節能不利，甚至不滿足節能標準。

（2）與末端串聯的靜態平衡閥降低了末端電動調節閥的閥權度，降低了回路的動態水力平衡性能。

但從筆者看來，以上兩點都不是問題。

（1）水力平衡的重要性要超過節能，水力失調的系統其節能性沒有太多討論價值。而安裝了靜態平衡閥的供回水管路可以省去安裝檢修用的截止閥，實際上阻力并未有明顯的增大。同時，若是空調水系統設計不滿足《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）有關耗電輸冷比的要求，通常更深原因應該是整個水系統設計有問題，而不僅僅是安裝了靜態平衡閥而所致。

（2）未安裝靜態平衡閥時，控制閥全開，有些回路有利過流量而導致其他回路欠流量。有人提出這些支路可以通過關小末端電動調節閥的一部分閥位來達到設計流量，省去安裝靜態平衡閥；在此情況下，本身就要犧牲電動調節閥一定的控制性能來保證靜態水力平衡，按公式計算出來的閥權度并未完全反映這種情況下閥門特性的偏離，而應該用實際閥權度［1］來討論這個問題，后文將詳述。

此外，某些動態平衡閥同時具有靜態平衡閥的功能，若安裝了此類閥門則可以省去安裝靜態平衡閥。

1.2動態水力平衡

對于定流量系統只需考慮靜態水力平衡，對于變流量系統則還需考慮動態水力平衡。而在《民用建筑供暖通風與空調設計規范》中已經明確規定除設置一臺冷水機組的小型工程可采用定流量系統外，其余皆應采用變流量系統。

變流量系統末端須設置電動閥門來調節水量 （本文不討論通斷閥），目前主要是采用電動兩通閥。電動調節閥的控制性能是以定壓方式給出的，但是，系統末端流量的調節會引起壓力的變化，閥門調節會產生互相干擾，使閥門控制特性產生偏離，當閥門特性偏離程度較大時，閥門閥位微小的變化，冷量的輸出變化卻很大，此時，要想穩定的控制是不可能的，這會導致閥門頻繁關啟。動態水力平衡簡單來說就是采用技術手段消除回路互擾，使控制閥兩端壓差不產生較大偏差。

但是，文獻［1］提出并不存在絕對意義的動態水力平衡，并給出了閥門特性偏離的參考指標——閥權度β的定義：

式中：ΔPmin——調節閥全開時的壓力損失（Pa）；

ΔP——調節閥所在支路資用壓頭（Pa）。

同時還指出，變流量系統中，只有所有調節閥閥權度為1才能完全實現動態水力平衡，實際工程中由于多種原因難以實現，或沒有必要。

2　典型的空調水系統形式

前文提到只有變流量系統才能實現較為理想的靜態與動態水力平衡，《民用建筑供暖通風與空調設計規范》中規定了兩類變流量系統（限于篇幅本文僅討論一級泵系統）：變流量系統（冷水機組定流量）、變流量系統（冷水機組變流量）。

2.1變流量系統（冷水機組定流量）

早期的空調工程由于冷機并不具有變流量的功能只能設計為變流量系統（冷水機組定流量），這種系統可以看成是二次泵變流量系統的簡化版。系統供回水回路分為負荷側與主機側，主機側定流量運行，負荷側變流量運行，部分負荷時負荷側多余水量通過總供回水管之間的旁通管轉回主機側。

此系統只能通過機組臺數控制來節約水泵能耗，負荷變化在一定的范圍水泵能耗是恒定的 （與機組負荷搭配有關），節能效果稍差。但如果從初投資的角度考慮，這種系統是具有優勢的，目前應用還是很廣泛。

對于變流量系統（冷水機組定流量）的控制，規范推薦采用壓差控制供回水干管之間旁通管上的電動調節閥的方式。

2.2變流量系統（冷水機組變流量）

隨著制冷機組變流量運行技術有了新進展，在主機選用具有變流量運行功能的型號時，為了最大限度的節約水泵能耗，主機側的定頻泵可以改為變頻泵實現主機側亦變流量運行，旁通管僅在系統運行水量低于主機最小流量限值時才投入使用。

變流量系統（冷水機組變流量）的控制方式比較多，包括壓差、溫差、流量等方式。通常情況下，壓差控制方式響應快、穩定性好、最具優越性，而壓差控制又可分為干管定壓差、末端定壓差及變壓差三種方式，其中末端定壓差方式是規范推薦采用的方式，但問題是最不利末端的辨識困難，以及最不利水力末端與最不利熱力末端的不一致可能會導致部分末端欠流量；變壓差控制方式理論上最為節能，但是這種方式需要系統每個末端都設置壓力傳感器，控制過于復雜，初投資又過大；而干管定壓差的控制方式相對而言簡便易行，目前變流量系統（冷水機組變流量）的控制方式還是以干管定壓差調節變頻水泵轉速的方式應用最廣［2］。

3　水力平衡優化設計的思考

前文已述及，目前空調工程靜態水力平衡基本不是問題，而對于動態水力平衡，文獻［1］和《民規》第9.2.5條都提出調節閥設計選型時，使其閥權度在一定的取值范圍能保證閥門的調節質量與系統穩定性。

但文獻［2］認為閥權度的定義是以支路資用壓差恒定得出的，而實際空調水系統通常都是變壓差支路，如果低負荷運行，支路資用壓力上升，閥門全開時支路就已經超流量，這種情況下閥門的調節特性是更嚴重偏離的。計算的閥權度卻因為調節閥全開的作用壓差與支路實際壓差等比例改變保持恒定。因此，提出優化的設計參數——實際閥權度βs來描述閥門特性的偏離。實際閥權度比閥權度更具設計參考價值。

式中：ΔP0——調節閥全開并且為設計流量時的壓力損失（Pa）；

ΔPS——調節閥所在支路實際總壓力損失（Pa）。

文獻［2］還提出最小閥權度的概念，其指出在負荷極低時，管道與附件的壓力降可以忽略不計，調節閥的壓差為水泵揚程，定義最小閥權度為：

式中：ΔP0——調節閥全開并且為設計流量時的壓力損失（Pa）；

H——水泵揚程（Pa）。

認為設計支路的調節閥的最小閥權度必須大于0.25。當水系統支路閥門的最小閥權度小于0.25時，一旦系統總負荷與該支路負荷同時降至較低時，該支路的閥門調節基本上處于失控狀態。

對于文獻［2］的觀點，筆者部分贊同，但也有不同看法。同時，受此啟發筆者提出優化方法。

（1）當變流量系統采用末端定壓差控制方式時，系統的定壓點在末端，系統負荷降低時，各支路的資用壓差是下降的，而不是上升為水泵揚程，閥門的控制特性反而是向有利控制方向偏離（末端控制閥有可能全開欠流量，但這是系統設計的問題）。這種情況下，按規范直接采用閥權度作為調節閥選型的參考并無太大問題。

（2）當變流量系統采用以干管定壓差控制方式時，系統定壓點在主機側與負荷側的分界處，系統負荷降低時，各支路末端調節閥的調節最大壓差應接近干管定壓點的壓差，即設計工況時水泵揚程減去主機側水阻，以此重新定義最小閥權度為：

式中：ΔP0——調節閥全開并且為設計流量時的壓力損失（Pa）；

H——水泵揚程（Pa）；

ΔPZ——設計工況時，主機側總壓力損失（Pa）。

其限值仍為0.25。所以，當變流量系統采用以干管定壓差控制方式時，若校核支路調節閥發現其不滿足最小閥權度要求時，對該支路應采用定壓技術措施或選用一體閥等方法來解決。

4　結論

（1）空調水系統節能潛力很大，但實際工程中空調水系統的水力失調降低了節能技術應用的效果。

（2）空調水系統采用靜態水力平衡閥來滿足靜態水力平衡要求，具有實用性，存在的一些爭議并不構成明顯影響。

（3）閥權度的概念對于動態水力平衡而言不夠完善，建議設計時兼顧參考文獻［2］提出的實際閥權度。

（4）空調水系統動態水力平衡應根據系統控制方式的不同來確定支路的控制閥門的選型或附加技術措施的應用。變流量系統采用末端定壓差控制方式，其支路可直接參照規范的閥權度取值范圍來選用控制閥，當變流量系統采用干管定壓差控制方式，其支路控制閥應在滿足規范對閥權度的取值要求的同時，校核是否滿足本文定義的最小閥權度要求，若不滿足，則建議采取相應的技術措施。

［1］陸耀慶.《實用供熱空調設計手冊》［M］.中國建筑工業出版社，2008.

［2］羅伯特.帕蒂瓊，著.楊國榮，胡仰耆，譯.《全面水力平衡——暖通空調水力系統設計與應用手冊》［M］.中國建筑工業出版社，2007.

［3］徐 偉，等編.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范技術指南［M］.中國建筑工業出版社，2012.

［4］趙天怡.空調冷凍水系統變壓差設定值優化控制方法［D］.黑龍江：哈爾濱工業大學，2009.

［5］范存養，楊國榮，葉大法，編著.高層建筑空調設計及工程實錄［M］.中國建筑工業出版社，2013.

譚 亮（1984-），男，注冊公用設備工程師，注冊咨詢工程師，碩士研究生，主要從事暖通空調與節能技術工作。

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2095-2066（2016）11-0081-02

2016-3-8