動態水力平衡對實現中央空調系統精確自控的重要性

【摘要】許多人認為只要采用足夠好的自控系統，諸如流量分配不均、壓力不穩定等水力失調問題就可以得到較好的控制，其實不然。不管是多么先進的自控系統，能否正常工作以實現人們預期的精確的溫、濕度控制的重要前提，就是空調水系統的動態水力平衡。本文通過控制閥閥權度的概念，建立具體模型的計算，來論證動態水力平衡對于中央空調系統能否實現完美精確的自動控制的重要性和應用方法。

【關鍵詞】動態水力平衡;自動控制;控制閥閥權度;資用壓頭

為什么說即使是應用了目前最先進技術的自動控制系統也經常達不到所要求的舒適度控制效果，這并不是因為自控系統本身的不完善，而是在大多數情況下，問題的根本在于自控系統所要控制的對象本身，也就是傳輸冷（熱）量的媒介——冷（熱）水系統的水力工況！即換言之，那么我們也應該從對水力工況的控制，也就是動態水力平衡的角度來找到解決方案。

1、控制閥閥權度

為了表征和衡量控制閥調節特性偏移的程度以及后文的論證，我們再來介紹一個“閥權度”的概念。我們定義控制閥，如電動調節（兩通）閥的閥權度為β，

即閥權度=控制閥全開并流過設計流量時的閥門兩端壓差/控制閥關閉時兩端的壓差（即該環路的資用壓頭）。從定義可知閥權度是一個介于0～1的數字，它反映了當控制閥從全開到全關時，有多少額外壓差作用在閥門兩端，額外壓差增加的越多，閥權度越小，閥門的調節特性偏離理想特性——控制閥供應商所提供的閥門工作曲線的程度越嚴重，實際調節特性也就越差。例如，閥權度β=0.25，表示閥門趨于關閉時，有相當于4倍的閥門全開正常工作時的壓差作用在控制閥兩端上！通俗點解釋，當控制閥關閉時，是因為我們想降低流量，可當閥門關小時，閥門兩端所增大的壓差又會加快流過閥門流體的流速，會產生增加流量的趨勢，所以控制閥不能真正將流量降低到“所需值”，即控制閥的調節特性發生了改變！一般來講，我們建議控制閥的閥權度不應小于0.5，最小不能小于0.25。

我們的暖通空調系統運行的大部分時間里，系統所需承擔的負荷不超過設計負荷的50%，而50%的負荷意味著什么呢？從一般末端設備（風機盤管或散熱器）的“熱交換量vs流量”曲線可知（參見圖1），50%的負荷僅需要約20%的設計水流量，而由? ? ? ? ? ? ? ，20%的流量僅產生4%的壓降，這意味著在系統輸配側水管路、空調設備上的壓力損耗僅為設計工況的4%！

為了更好的量化和分析問題，以典型空調水系統工況建立一個簡單的模型來計算說明。在我們所要討論的環路中，在設計工況下盤管阻力20kpa，從水泵至該環路的管路損失為65kpa，假設設計工況下我們所選的控制閥兩端的工作壓差為15kpa，則從水泵至該點所需的資用壓頭為20+15+65=100kpa。

首先，設計工況時，即該控制閥的最優閥權度。按照定義，分子即是我們所設的15kpa;再看分母，此時，系統中其他閥門全開，僅有此控制閥趨于關閉時，對整個系統流量影響很小，根據，消耗在從水泵至該回路之前管路上的壓損變化很小，可忽略，那么作用在該控制閥上的壓頭約為100-65=35kpa，則理論上我們可獲得控制閥的閥權度β=15/35≈0.43，似乎是一個可以接受的值。

再看一下在50%負荷情況下此控制閥的閥權度將如何變化。如前文中論述，我們以常規的末端空調設備為例，系統在50%負荷情況下設備及管路中的總流量僅為設計流量的20%左右，相應地，此時消耗在系統管路以及末端設備上的壓損僅為設計工況時的4%，即（65+20）*4%=3.4kpa，那么此時控制閥趨于關閉時作用在其上的實際壓頭將增大至100-3.4=96.6kpa！實際閥權度β=15/96.6≈0.155<0.25！如此低的閥權度將意味著“振蕩控制”的問題將出現！我們付出昂貴代價所獲得的自控系統將無法實現其應有的控制效果！而且這種問題將可能在整個系統運行時間的50%-70%中出現！

結論：

以往，人們過于單方面依賴自控系統的作用，而忽視了自控系統所要控制的水系統本身問題的復雜性，即水力不平衡所造成危害的嚴重性。只有合理地應用水力平衡措施，才是提高暖通空調系統的舒適性和節約能耗的有效途徑。

參考文獻：

[1]（楊國榮，胡仰耆等譯）Robert Petitjean.全面水力平衡[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社， 2008.

[3]ASHRAE Standard-111-1988， Practices for measurement， testing， adjusting and balancing of building heating， ventilation and air conditioning [S]. 1988.

[4]Coad William. Hydronic designs [J]. ASHARE Journal， June 1985.

[5]Robert Petitjean. Lequilibrage Hydraulique dans la construction [M]. Sweden： Tour & Andersson Hydronics AB.

[6]Robert Petitjean. Balancing a variable flow system improves the control system [J]. ASHARE Journal， October 1990.

作者簡介：

王煥海，男，中國科學院天津工業生物技術研究院工程碩士導師，天合新源（天津）能源科技有限公司副總經理。瑞典Tour & Andersson水力學院亞太區講師;住建部中德技術合作“中國北方地區既有建筑節能改造”項目巡講專家;主持“歐盟援助亞洲（Switch-Asia）-天津開發區產業共生項目”“天津開發區公共建筑能耗在線監測”等國家級示范項目。