淺談一次泵變流量壓差控制“關鍵點”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有限公司

3青島經濟技術開發區安全生產監督管理局

0 引言

近年來，隨著節能要求的深入，一次泵變流量水系統在公共建筑的空調設計中應用也越來越多，但是一次泵變流量水系統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示意圖

圖2 壓差控制一次泵水系統示意圖

現就兩種控制方法在一次泵變流量水系統中的應用，在前人研究[2]的基礎上，結合設計過程中遇見的問題進行闡述。

1 溫差控制策略簡要分析

溫差控制是在保證冷水機組蒸發器出水溫度不變的情況下，檢測回水管上的溫度，計算出供回水之間的溫差，將其與設定值比較，計算出偏差，送入模糊控制器，控制水泵的變頻，起到節能運行的目的。此控制策略從理論上看起來，切實可行，無懈可擊，現實中也有一些所謂的節能改造公司運行此理論進行節能改造。但若嚴格推敲，存在以下兩點不足：其一，假如一次泵變流量水系統各并聯支路有的支路滿負荷運行，有的支路通過末端溫控閥調節（房間負荷的變化）部分負荷運行，此時供回水干管溫差變小，水泵降頻運行，會造成滿負荷運行支路的房間負荷不滿足實際需求。其二，當部分末端溫控閥動作后，由其引起的供回水干管溫差的變化相對于末端溫控閥的動作嚴重滯后，會造成水泵變頻不及時，存在盲目性。綜上所述，溫差控制法在一次泵變流量水系統中存在缺陷，不能滿足所有末端的實際需求。

2 壓差控制策略分析

2.1 水力工況分析計算的基本原理

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

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

將比摩阻計算公式代入式（1）得：

式中：d為管段內徑，m；l為管段長度，m；ld為局部阻力當量長度，m；K為管道的當量絕對粗糙度，m 。

由式（2）可知，當視水的密度ρ為常數時，S只與管段的管徑，長度，管道內壁的當量絕對粗糙度以及管段局部阻力有關。即S僅取決于管網的本身構造，不隨流量變化，對一定的管網，在管徑，長度，布置形式，局部構件及閥門開度不變的情況下，其阻力特性系數固定不變。

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

由式（3）可知，各并聯支路部分被關閉后，S值會增大。

在實際工程中，方便計算，將式（2）轉化為：

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

2.2 壓差控制關鍵點配置位置的影響

在一次泵變流量水系統中，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，但其節能甚微，節能量的多少與關鍵點配置的位置有直接關系。

舉例說明。設某一次泵變流量水系統的循環阻力分配如下：冷源（機房側冷水機組）10 m，最遠供、回水干管 10 m，末端設備（用戶側）10 m，循環水泵揚程30 m。結合圖3 分析壓差控制關鍵點配置在 A、B、C不同點，當末端負荷變化導致系統水流量變化時，變頻水泵揚程的變化。

圖3 一次泵變流量冷凍水系統示意圖

1）當關鍵點配置在C 點時，滿負荷運行時流量為Q，水泵揚程h=30 m，設定點控制壓差為hc=10 m。由式（4）得：

當用戶側末端負荷變化引起流量變化，如系統流量變為50%時，由式（2）可知，機房側和輸送干管的S值不變，在維持末端壓差hc=10 m不變時，水泵的揚程變為h=15 m；如系統流量變為70%時，水泵的揚程變為h=19.8 m；可見水泵變頻調速控制的幅度比較大。

2）當關鍵點配置在B點時，滿負荷運行時流量為Q，水泵揚程h=30m，設定點控制壓差為hB=20 m。

當用戶側末端負荷變化引起流量變化，如系統流量變為50%時，由式（2）可知，機房側和輸送干管的S值不變，在維持末端壓差hc=20 m不變時，水泵的揚程變為h=22.5 m；如系統流量變為70%時，水泵的揚程變為h=24.9 m；說明水泵還有一定的變頻調速幅度。

3）當關鍵點配置在A點時，滿負荷運行時流量為Q，水泵揚程h=30m，設定點控制壓差為hA=30m。

不論流量怎樣變化，循環水泵的揚程h=30 m，只是由于末端閥門的變化引起整個管網特性曲線變化使水泵工作點左移，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中，壓差控制的關鍵點越靠近空調末端。末端設備（或環路）阻力相對較小時，變頻水泵的節能效果越顯著。

3 設計過程中關鍵點的配置

在設計過程中，受限于建筑整體布局對制冷機房的要求，往往制冷機房設置位置遠離負荷中心，通過較長距離的能量輸送。目前空調水系統設計中，壓差控制關鍵點一般配置在制冷機房內的分、集水器上，以其控制水泵的變頻，通過上述分析可知，此法對水泵變頻幅度有限，不利于系統的節能運行。

針對目前空調水系統設計過程中的實際情況，對壓差控制關鍵點的配置位置做如下優化：

圖4 制冷機房遠離負荷中心水系統示意圖

1）根據實際設計情況，當機房位置遠離負荷中心時，將機房內的分、集水器移出制冷機房，設置在負荷中心區域，將壓差控制關鍵點配置在分、集水器上。如圖4所示。

此種情況僅需在分、集水器處，設置一個壓差控制關鍵點即可實現較大的變頻幅度。

2）在實際設計過程中，遇到更多的情況是用戶側的負荷區域相對分散，制冷機房在負荷區域范圍之內，如圖5所示。

圖5 負荷區域相對分散時制冷機房水系統示意圖

此種情況，分、集水器設置在制冷機房內，若壓差控制關鍵點配置在分、集水器處，系統水流量變化時，相對圖4對應的情況而言，水泵的變頻幅度變小，節能效果差。為了得到更大的變頻幅度，將壓差控制關鍵點配置在不同支管上第一個水平支管的下方位置，如圖5所示A、B、C、D點。

同時在設計過程中，需要注意以下幾點：其一，在用戶側根據房間功能及朝向，合理的劃分各支管負責的空調區域，譬如盡量避免支管1所帶的房間都是南向的，應同時帶南、北朝向的房間等，以便使得各個支管在實際使用過程中負荷出現一致性變化。其二，空調使用時間段相對其他業態差別較大、使用過程中負荷變化不大的區域（如超市、百貨等）應用獨立的空調水系統。其三，在設計過程中，通過對各支管管徑的計算控制及回水管上平衡閥的調節，盡量使各支路控制點處到分、集水器之間的支管阻力相當。

系統滿負荷運行時，根據支管末端的阻力設定壓差。當末端負荷變化導致系統水流量變化時，各支管控制點處的實際壓差與設定壓差相比較，通過PLC編程選擇各個支路中，實際壓差與設定壓差差值最小的控制點來控制水泵變頻，在滿足其他各個支管實際水需求的同時，盡可能的擴大水泵變頻幅度，實現節能運行。

綜上所述，壓差控制中關鍵點位置的選取對一次泵變流量水系統的節能運行影響較大。在設計過程中，應根據工程的實際情況，合理劃分和分配末端支管的負荷范圍，對各支管進行準確的水力計算，將關鍵點盡可能的配置在遠離機房的用戶側的合適位置，通過單點或多點壓差比較的方法控制水泵的變頻，達到系統的節能運行。

[1]孫一堅,潘尤貴.空調水系統變流量節能控制-變頻調速水泵的合理應用[J].暖通空調,2005,35(10):90-92.

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

[3]全國勘察設計注冊工程師設備專業管理委員會.全國勘察設計注冊公用設備工程師暖通空調專業考試復習教材(第3版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[4]高養田.空調變流量水系統設計技術發展[J].暖通空調,1996,19(3):20-26.