淺談一次泵變流量壓差控制“關(guān)鍵點(diǎn)”位置的選取

生曉燕王平劉思超

1青島中建能源管理有限公司

2青島西海岸職教集團(tuán)有限公司

3青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局

0 引言

近年來(lái)，隨著節(jié)能要求的深入，一次泵變流量水系統(tǒng)在公共建筑的空調(diào)設(shè)計(jì)中應(yīng)用也越來(lái)越多，但是一次泵變流量水系統(tǒng)變頻水泵的控制策略卻不盡相同，目前流行的控制策略主要有以下兩種[1]：管溫差控制（圖1）和壓差控制（圖2）。

圖1 溫差控制一次泵水系統(tǒng)示意圖

圖2 壓差控制一次泵水系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)就兩種控制方法在一次泵變流量水系統(tǒng)中的應(yīng)用，在前人研究[2]的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程中遇見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行闡述。

1 溫差控制策略簡(jiǎn)要分析

溫差控制是在保證冷水機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度不變的情況下，檢測(cè)回水管上的溫度，計(jì)算出供回水之間的溫差，將其與設(shè)定值比較，計(jì)算出偏差，送入模糊控制器，控制水泵的變頻，起到節(jié)能運(yùn)行的目的。此控制策略從理論上看起來(lái)，切實(shí)可行，無(wú)懈可擊，現(xiàn)實(shí)中也有一些所謂的節(jié)能改造公司運(yùn)行此理論進(jìn)行節(jié)能改造。但若嚴(yán)格推敲，存在以下兩點(diǎn)不足：其一，假如一次泵變流量水系統(tǒng)各并聯(lián)支路有的支路滿負(fù)荷運(yùn)行，有的支路通過(guò)末端溫控閥調(diào)節(jié)（房間負(fù)荷的變化）部分負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)供回水干管溫差變小，水泵降頻運(yùn)行，會(huì)造成滿負(fù)荷運(yùn)行支路的房間負(fù)荷不滿足實(shí)際需求。其二，當(dāng)部分末端溫控閥動(dòng)作后，由其引起的供回水干管溫差的變化相對(duì)于末端溫控閥的動(dòng)作嚴(yán)重滯后，會(huì)造成水泵變頻不及時(shí)，存在盲目性。綜上所述，溫差控制法在一次泵變流量水系統(tǒng)中存在缺陷，不能滿足所有末端的實(shí)際需求。

2 壓差控制策略分析

2.1 水力工況分析計(jì)算的基本原理

流體在管道中流動(dòng)時(shí)，必須克服阻力而產(chǎn)生壓力損失。流體的壓力損失與管道的阻力特性系數(shù)（阻力數(shù)）及流量間基本關(guān)系式[3]為：

式中：△P為計(jì)算管段的壓力降，Pa；Q為計(jì)算管段的水流量，m3/h；S為計(jì)算管段阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2。

將比摩阻計(jì)算公式代入式（1）得：

式中：d為管段內(nèi)徑，m；l為管段長(zhǎng)度，m；ld為局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m；K為管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，m 。

由式（2）可知，當(dāng)視水的密度ρ為常數(shù)時(shí)，S只與管段的管徑，長(zhǎng)度，管道內(nèi)壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度以及管段局部阻力有關(guān)。即S僅取決于管網(wǎng)的本身構(gòu)造，不隨流量變化，對(duì)一定的管網(wǎng)，在管徑，長(zhǎng)度，布置形式，局部構(gòu)件及閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下，其阻力特性系數(shù)固定不變。

在并聯(lián)管路中，各并聯(lián)管路的壓降相等，各并聯(lián)支路的流量之和等于總流量。并聯(lián)管段總阻力與各并聯(lián)支路管段阻力存在如下關(guān)系：

由式（3）可知，各并聯(lián)支路部分被關(guān)閉后，S值會(huì)增大。

在實(shí)際工程中，方便計(jì)算，將式（2）轉(zhuǎn)化為：

式中：h為計(jì)算管段的壓力降，m；Q為計(jì)算管段的水流量，m3/h；S為計(jì)算管段阻力數(shù)，m/(m3/h)2。

2.2 壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)配置位置的影響

在一次泵變流量水系統(tǒng)中，壓差控制水泵的變頻也是一種常用的控制策略[4]，尤其是供回水干管壓差控制法，以其可靠，滿足各末端需求著稱，但其節(jié)能甚微，節(jié)能量的多少與關(guān)鍵點(diǎn)配置的位置有直接關(guān)系。

舉例說(shuō)明。設(shè)某一次泵變流量水系統(tǒng)的循環(huán)阻力分配如下：冷源（機(jī)房側(cè)冷水機(jī)組）10 m，最遠(yuǎn)供、回水干管 10 m，末端設(shè)備（用戶側(cè)）10 m，循環(huán)水泵揚(yáng)程30 m。結(jié)合圖3 分析壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)配置在 A、B、C不同點(diǎn)，當(dāng)末端負(fù)荷變化導(dǎo)致系統(tǒng)水流量變化時(shí)，變頻水泵揚(yáng)程的變化。

圖3 一次泵變流量冷凍水系統(tǒng)示意圖

1）當(dāng)關(guān)鍵點(diǎn)配置在C 點(diǎn)時(shí)，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)流量為Q，水泵揚(yáng)程h=30 m，設(shè)定點(diǎn)控制壓差為hc=10 m。由式（4）得：

當(dāng)用戶側(cè)末端負(fù)荷變化引起流量變化，如系統(tǒng)流量變?yōu)?0%時(shí)，由式（2）可知，機(jī)房側(cè)和輸送干管的S值不變，在維持末端壓差hc=10 m不變時(shí)，水泵的揚(yáng)程變?yōu)閔=15 m；如系統(tǒng)流量變?yōu)?0%時(shí)，水泵的揚(yáng)程變?yōu)閔=19.8 m；可見(jiàn)水泵變頻調(diào)速控制的幅度比較大。

2）當(dāng)關(guān)鍵點(diǎn)配置在B點(diǎn)時(shí)，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)流量為Q，水泵揚(yáng)程h=30m，設(shè)定點(diǎn)控制壓差為hB=20 m。

當(dāng)用戶側(cè)末端負(fù)荷變化引起流量變化，如系統(tǒng)流量變?yōu)?0%時(shí)，由式（2）可知，機(jī)房側(cè)和輸送干管的S值不變，在維持末端壓差hc=20 m不變時(shí)，水泵的揚(yáng)程變?yōu)閔=22.5 m；如系統(tǒng)流量變?yōu)?0%時(shí)，水泵的揚(yáng)程變?yōu)閔=24.9 m；說(shuō)明水泵還有一定的變頻調(diào)速幅度。

3）當(dāng)關(guān)鍵點(diǎn)配置在A點(diǎn)時(shí)，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)流量為Q，水泵揚(yáng)程h=30m，設(shè)定點(diǎn)控制壓差為hA=30m。

不論流量怎樣變化，循環(huán)水泵的揚(yáng)程h=30 m，只是由于末端閥門(mén)的變化引起整個(gè)管網(wǎng)特性曲線變化使水泵工作點(diǎn)左移，水泵出口壓力略有上升，可變頻的幅度很小。

由以上分析可知，在一次泵變流量水系統(tǒng)中，壓差控制的關(guān)鍵點(diǎn)越靠近空調(diào)末端。末端設(shè)備（或環(huán)路）阻力相對(duì)較小時(shí)，變頻水泵的節(jié)能效果越顯著。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的配置

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，受限于建筑整體布局對(duì)制冷機(jī)房的要求，往往制冷機(jī)房設(shè)置位置遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，通過(guò)較長(zhǎng)距離的能量輸送。目前空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)一般配置在制冷機(jī)房?jī)?nèi)的分、集水器上，以其控制水泵的變頻，通過(guò)上述分析可知，此法對(duì)水泵變頻幅度有限，不利于系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

針對(duì)目前空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際情況，對(duì)壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)的配置位置做如下優(yōu)化：

圖4 制冷機(jī)房遠(yuǎn)離負(fù)荷中心水系統(tǒng)示意圖

1）根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，當(dāng)機(jī)房位置遠(yuǎn)離負(fù)荷中心時(shí)，將機(jī)房?jī)?nèi)的分、集水器移出制冷機(jī)房，設(shè)置在負(fù)荷中心區(qū)域，將壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)配置在分、集水器上。如圖4所示。

此種情況僅需在分、集水器處，設(shè)置一個(gè)壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)較大的變頻幅度。

2）在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到更多的情況是用戶側(cè)的負(fù)荷區(qū)域相對(duì)分散，制冷機(jī)房在負(fù)荷區(qū)域范圍之內(nèi)，如圖5所示。

圖5 負(fù)荷區(qū)域相對(duì)分散時(shí)制冷機(jī)房水系統(tǒng)示意圖

此種情況，分、集水器設(shè)置在制冷機(jī)房?jī)?nèi)，若壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)配置在分、集水器處，系統(tǒng)水流量變化時(shí)，相對(duì)圖4對(duì)應(yīng)的情況而言，水泵的變頻幅度變小，節(jié)能效果差。為了得到更大的變頻幅度，將壓差控制關(guān)鍵點(diǎn)配置在不同支管上第一個(gè)水平支管的下方位置，如圖5所示A、B、C、D點(diǎn)。

同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：其一，在用戶側(cè)根據(jù)房間功能及朝向，合理的劃分各支管負(fù)責(zé)的空調(diào)區(qū)域，譬如盡量避免支管1所帶的房間都是南向的，應(yīng)同時(shí)帶南、北朝向的房間等，以便使得各個(gè)支管在實(shí)際使用過(guò)程中負(fù)荷出現(xiàn)一致性變化。其二，空調(diào)使用時(shí)間段相對(duì)其他業(yè)態(tài)差別較大、使用過(guò)程中負(fù)荷變化不大的區(qū)域（如超市、百貨等）應(yīng)用獨(dú)立的空調(diào)水系統(tǒng)。其三，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各支管管徑的計(jì)算控制及回水管上平衡閥的調(diào)節(jié)，盡量使各支路控制點(diǎn)處到分、集水器之間的支管阻力相當(dāng)。

系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，根據(jù)支管末端的阻力設(shè)定壓差。當(dāng)末端負(fù)荷變化導(dǎo)致系統(tǒng)水流量變化時(shí)，各支管控制點(diǎn)處的實(shí)際壓差與設(shè)定壓差相比較，通過(guò)PLC編程選擇各個(gè)支路中，實(shí)際壓差與設(shè)定壓差差值最小的控制點(diǎn)來(lái)控制水泵變頻，在滿足其他各個(gè)支管實(shí)際水需求的同時(shí)，盡可能的擴(kuò)大水泵變頻幅度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

綜上所述，壓差控制中關(guān)鍵點(diǎn)位置的選取對(duì)一次泵變流量水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行影響較大。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，合理劃分和分配末端支管的負(fù)荷范圍，對(duì)各支管進(jìn)行準(zhǔn)確的水力計(jì)算，將關(guān)鍵點(diǎn)盡可能的配置在遠(yuǎn)離機(jī)房的用戶側(cè)的合適位置，通過(guò)單點(diǎn)或多點(diǎn)壓差比較的方法控制水泵的變頻，達(dá)到系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

[1]孫一堅(jiān),潘尤貴.空調(diào)水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制-變頻調(diào)速水泵的合理應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2005,35(10):90-92.

[2]董哲生,劉新民.基于末端冷量主動(dòng)調(diào)節(jié)性的空調(diào)冷水泵變頻控制策略[J].暖通空調(diào),2013,43(10):60-62.

[3]全國(guó)勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)工程師設(shè)備專業(yè)管理委員會(huì).全國(guó)勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)公用設(shè)備工程師暖通空調(diào)專業(yè)考試復(fù)習(xí)教材(第3版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[4]高養(yǎng)田.空調(diào)變流量水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展[J].暖通空調(diào),1996,19(3):20-26.