一次泵定流量系統(tǒng)旁通控制模擬與分析

車輪飛劉慶東劉俊徐新華

1中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

2華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

中央空調(diào)水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，空調(diào)水系統(tǒng)能耗在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗中處于比較突出的地位。隨著建筑能耗不斷增加，世界能源形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制顯得越來(lái)越重要[1]。中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)將近端生產(chǎn)的冷量分配到遠(yuǎn)端的每個(gè)區(qū)域，冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行是否正常不僅關(guān)系著近端的制冷機(jī)房，而且關(guān)系著遠(yuǎn)端建筑的室內(nèi)舒適性[2]。在中央空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，常常會(huì)遇到水力失調(diào)的情況，最主要的表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)的某些支路部分或者全部關(guān)閉時(shí)，冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性會(huì)發(fā)生比較大的變化，此時(shí)各支路的流量也會(huì)發(fā)生較大的變化。針對(duì)此類問(wèn)題，采用在空調(diào)水系統(tǒng)供回水干管之間設(shè)置旁通控制系統(tǒng)是一種常用方法。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的某些支路部分或全部關(guān)閉時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥門開(kāi)度可以對(duì)流量進(jìn)行分流，從而避免這些支路的改變對(duì)其它支路流量產(chǎn)生大的影響，有利于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[3]，同時(shí)可以避免冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性會(huì)發(fā)生比較大的變化時(shí)，保證通過(guò)制冷機(jī)蒸發(fā)器的流量不小于其最小流量要求。

目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)旁通控制方法做了許多研究。李宜浩[3，4]介紹了壓差旁通控制系統(tǒng)的作用、系統(tǒng)組成、作用原理，分析壓差旁通控制常見(jiàn)的問(wèn)題和原因，給出了確保該控制系統(tǒng)長(zhǎng)期良好運(yùn)轉(zhuǎn)的措施。張?jiān)蠃i[5，6]根據(jù)不同的水泵控制形式，給出了不同的旁通控制方法，并給出了各種旁通控制法的旁通流量計(jì)算公式。劉雪峰[7]理論研究了旁通壓差設(shè)定值對(duì)管網(wǎng)水力特征和能耗特性的影響，以及管網(wǎng)末端設(shè)備流量同步變化和非同步變化等多運(yùn)行工況下的水力特征。孫一堅(jiān)[8，9]以某高層建筑為實(shí)例計(jì)算分析了壓差旁通控制法的節(jié)能效果。劉金平[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明旁通壓差控制平衡狀態(tài)存在一個(gè)上限流量，壓差設(shè)定值對(duì)變速冷凍水泵的運(yùn)行有顯著影響。

上述研究大多是針對(duì)壓差旁通控制的理論分析，本文以某實(shí)際工程的空調(diào)一次泵水系統(tǒng)為對(duì)象，通過(guò)建立該系統(tǒng)的模擬模型，采用壓差旁通控制方法及最小流量旁通控制方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，進(jìn)一步分析這兩種方法在定流量系統(tǒng)中的控制效果并給出在實(shí)際工程中的應(yīng)用建議。

1 旁通控制分析

在空調(diào)冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)末端的某些支路部分調(diào)節(jié)或者關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性會(huì)發(fā)生比較大的變化，系統(tǒng)的總流量會(huì)發(fā)生變化，流經(jīng)制冷機(jī)蒸發(fā)器的流量也會(huì)不斷發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，制冷機(jī)蒸發(fā)器流量小于其最低限流量時(shí)，制冷機(jī)就會(huì)進(jìn)行自保護(hù)而停止工作。在定流量水系統(tǒng)中（通常是指水泵為工頻運(yùn)行），當(dāng)末端進(jìn)行調(diào)節(jié)（閥門關(guān)小或關(guān)閉）時(shí)，系統(tǒng)阻力加大，水泵流量減小，此時(shí)通常通過(guò)設(shè)置旁通，打開(kāi)旁通閥減小系統(tǒng)阻力，讓部分流量直接流經(jīng)旁通管而進(jìn)入蒸發(fā)器，保證蒸發(fā)器的流量不小于最低流量要求。因此需要設(shè)定一個(gè)旁通壓差值，這個(gè)旁通壓差值如何設(shè)定，一直是工程領(lǐng)域關(guān)心的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

由于壓差旁通設(shè)定值難以確定，也有采用直接測(cè)量一次泵水系統(tǒng)中的流量的方法來(lái)進(jìn)行旁通控制。其控制方法是在制冷機(jī)與集水器或分水器之間設(shè)置流量傳感器，以系統(tǒng)流量作為變量進(jìn)行旁通閥門的開(kāi)度控制，當(dāng)系統(tǒng)流量降低至接近蒸發(fā)器的最低限流量時(shí)，旁通閥開(kāi)啟，減小系統(tǒng)阻力，提高系統(tǒng)流量，讓部分流量直接流經(jīng)旁通管而進(jìn)入蒸發(fā)器，保證蒸發(fā)器的流量不小于最低流量要求。

2 系統(tǒng)描述

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)如圖1所示。冷凍水系統(tǒng)設(shè)有2臺(tái)螺桿式冷水機(jī)，蒸發(fā)器額定流量為92 m3/h，冷凝器額定流量為110 m3/h。設(shè)置2臺(tái)冷凍水泵，選取的水泵參數(shù)為單臺(tái)額定流量101 m3/h，揚(yáng)程32.7 mH2O，額定功率13 kW。該空調(diào)系統(tǒng)用戶側(cè)分為四個(gè)大支路，即A支路、B支路、C支路、D支路。空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的用戶側(cè)通過(guò)分水器、集水器以并聯(lián)方式連接。A支路、B支路末端為組合式空調(diào)器。C支路采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管并以并聯(lián)形式連接。D支路有4個(gè)小支路，末端則為空調(diào)柜機(jī)。

圖1 中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)示意圖

該空調(diào)系統(tǒng)的水泵，冷水機(jī)組和D支路小型空調(diào)柜24小時(shí)不間斷運(yùn)行，A支路，B支路和C支路每天早上6時(shí)開(kāi)啟，晚上24時(shí)停運(yùn)，每日運(yùn)行18個(gè)小時(shí)。A支路，B支路和D支路三個(gè)大支路空調(diào)器采用風(fēng)水一體化控制進(jìn)行末端水量及風(fēng)量的協(xié)調(diào)控制。在本研究中，考慮在1臺(tái)制冷機(jī)及1臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，不同控制方法在定流量系統(tǒng)的控制效果。

3 系統(tǒng)模擬平臺(tái)

Flowmaster為一維工程流體管路系統(tǒng)仿真軟件，內(nèi)置的一維流體動(dòng)力系統(tǒng)解算器和流體系統(tǒng)仿真軟件包，可對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行完整分析，并能對(duì)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬。Flowmaster自帶的組件庫(kù)涵蓋了目前流體系統(tǒng)所需的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)組件，每個(gè)流體系統(tǒng)都由不同的流體元件構(gòu)成，如泵、閥門、管路、末端設(shè)備等。在系統(tǒng)建模的過(guò)程中，可以直接調(diào)用軟件中的組件，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，從而完成空調(diào)水系統(tǒng)模型的建立。

空調(diào)水系統(tǒng)里的組件主要包括閥門、管段、控制器及末端設(shè)備等，組件模型服從式（1）的壓力流量關(guān)系。泵的運(yùn)行參數(shù)由泵的運(yùn)行特性曲線和管網(wǎng)的阻力特性曲線共同確定，管網(wǎng)特性曲線數(shù)學(xué)模型則如式（2）所示。

式中：ΔP為壓降，Pa；K為阻力系數(shù)；A為管道截面積，m2；Q為流體體積流量或水泵流量，m3/s；ρ為流體密度，kg/m3；H 為水泵揚(yáng)程，MPa；S 為管路阻抗；B 為壓差設(shè)定值。

該空調(diào)一次泵冷凍水系統(tǒng)的旁通控制模型如圖2所示。Flowmaster軟件主要研究中央空調(diào)冷凍水管網(wǎng)的阻力特性，在建模的時(shí)候用阻力件替代冷水機(jī)組等空調(diào)設(shè)備。在一次泵定流量系統(tǒng)中，壓差旁通控制（水泵工頻）是在集水器及分水器上設(shè)置壓力測(cè)點(diǎn)，將壓差值輸入到壓差旁通控制器以調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度。最小流量旁通控制器通過(guò)設(shè)在冷凍水總供水干管設(shè)置流量測(cè)點(diǎn)讀取流量值，產(chǎn)生控制信號(hào)調(diào)節(jié)旁通閥門開(kāi)度。

圖2 中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)旁通控制模型圖

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型偏大，實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明在系統(tǒng)最大負(fù)荷時(shí)也只需要開(kāi)啟1臺(tái)制冷機(jī)。在進(jìn)行模擬分析時(shí)，以一機(jī)一泵方式進(jìn)行分析。

4 壓差旁通控制模擬結(jié)果與分析

利用Flowmaster模擬分析水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力，支路壓差，管網(wǎng)流量和水泵能耗特性。單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的特性曲線如圖3，系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)為A點(diǎn)，此時(shí)水泵揚(yáng)程為32.2 mH2O，系統(tǒng)流量為145.7 m3/h。

圖3 單臺(tái)水泵運(yùn)行系統(tǒng)特性曲線

在空調(diào)系統(tǒng)的分水器和集水器上設(shè)置壓力傳感器，以分集水器間壓差作為壓差旁通控制器的控制值。末端盤管回水管上的二通控制閥根據(jù)末端的需求流量進(jìn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)。選取典型日計(jì)算出末端空調(diào)設(shè)備所需流量作為末端流量控制器的輸入流量，分析定流量系統(tǒng)壓差旁通控制效果。

在空調(diào)系統(tǒng)旁通閥門關(guān)閉、支路閥門全開(kāi)的情況下使水泵按照最高頻率（50 Hz）運(yùn)行，測(cè)得分集水器之間的壓差為14.1 mH2O。在實(shí)際工程中，一次泵定流量系統(tǒng)的壓差旁通設(shè)定值通常取選型水泵揚(yáng)程的50%左右。選取15 mH2O作為壓差旁通的設(shè)定值，其壓差旁通控制水泵揚(yáng)程、流量及分集水器壓差如圖4。結(jié)果顯示，壓差模擬值和壓差設(shè)定值（15 mH2O）基本一致，此時(shí)水泵揚(yáng)程為32.3 H2O，水泵流量為136 m3/h。

圖4 壓差旁通控制水泵揚(yáng)程，流量及分集水器壓差

空調(diào)水系統(tǒng)流量分配情況如圖5。在白天（6:00-24:00），A、B、C、D四大支路均開(kāi)啟，為了維持分集水器間壓差恒定，此時(shí)旁通閥門開(kāi)啟，旁通流量為75 m3/h左右，系統(tǒng)總流量為136 m3/h左右。顯然系統(tǒng)此時(shí)的流量能夠滿足制冷機(jī)組最低限流量的需求，且此時(shí)制冷機(jī)組的流量遠(yuǎn)大于其額定流量。在夜間（0:00-6:00），A、B、C三大支路關(guān)閉，此時(shí)旁通閥門開(kāi)度繼續(xù)增大，旁通流量為125 m3/h左右，系統(tǒng)總流量維持136 m3/h左右。制冷機(jī)組的額定流量為92 m3/h，制冷機(jī)組最低限流量一般為制冷機(jī)組額定流量的50%，即46 m3/h。系統(tǒng)此時(shí)的流量不僅大于制冷機(jī)組最低流量需求，而且遠(yuǎn)大于其額定流量，水量浪費(fèi)嚴(yán)重。對(duì)于該系統(tǒng)而言，旁通壓差設(shè)定值并不合適。

圖5 壓差旁通控制系統(tǒng)流量分配圖

5 最小流量旁通控制結(jié)果與分析

在空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水供水干管設(shè)置流量傳感器，以系統(tǒng)流量作為旁通閥門開(kāi)度的控制信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)流量降低至接近蒸發(fā)器的最低限流量時(shí)，系統(tǒng)的旁通閥開(kāi)啟，減小系統(tǒng)阻力，提高水泵流量，讓部分流量直接流經(jīng)旁通管而進(jìn)入蒸發(fā)器，保證蒸發(fā)器的流量不小于最低限流量。

圖6 最小流量旁通控制水泵揚(yáng)程和流量

采用最小流量旁通控制時(shí)系統(tǒng)的水泵揚(yáng)程和流量如圖6所示。在白天（6:00-24:00），系統(tǒng)流量隨著末端空調(diào)設(shè)備的實(shí)際需求流量的變化而變化，在夜間（0:00-6:00），系統(tǒng)流量維持在46 m3/h，水泵揚(yáng)程為32.3 mH2O。

采用最小流量旁通控制系統(tǒng)流量分配情況如圖7。在白天（6:00-24:00），A、B、C、D 四大支路均開(kāi)啟，此時(shí)旁通閥門關(guān)閉，系統(tǒng)流量即為系統(tǒng)各末端此時(shí)的需求流量，總流量在65～75 m3/h之間。在夜間（0:00-6:00），A、B、C 支路關(guān)閉，流量為零，此時(shí)旁通閥門開(kāi)啟，旁通流量為38 m3/h左右，系統(tǒng)總流量始終維持在46 m3/h滿足最低限流量要求。

圖7 最小流量旁通控制系統(tǒng)流量分配圖

6 結(jié)論

本文根據(jù)某一空調(diào)系統(tǒng)末端采用流量調(diào)節(jié)、水泵采用工頻運(yùn)行實(shí)際情況，搭建模擬平臺(tái)，進(jìn)行水系統(tǒng)管網(wǎng)水力特性模擬分析。比較分析了定流量系統(tǒng)壓差旁通控制和最小流量旁通控制的控制效果。結(jié)果表明，在定流量系統(tǒng)中采用壓差旁通控制時(shí)，系統(tǒng)流量能夠維持在恒定值，同時(shí)滿足制冷機(jī)組最低限流量的需求，但此時(shí)制冷機(jī)組的流量遠(yuǎn)大于其最低限流量。當(dāng)采用最小流量旁通控制時(shí)，可以很好滿足系統(tǒng)各末端的流量需求，同時(shí)也能滿足蒸發(fā)器最低限流量要求。在水泵工頻運(yùn)行的空調(diào)水系統(tǒng)中，無(wú)論是壓差旁通控制還是最小流量控制都存在大量的流量及水泵能耗浪費(fèi)。采用變速變頻調(diào)節(jié)是一種好的節(jié)能措施。在變頻調(diào)節(jié)的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中如何保證末端有足夠的流量供應(yīng)又能保證制冷機(jī)的最小流量而且實(shí)現(xiàn)最小能耗值得進(jìn)一步研究。