變流量空調(diào)水系統(tǒng)穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)

孟慶龍，王文強(qiáng)，郭雪麗，常賽南，谷雅秀

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

近幾年變流量水系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，對(duì)水系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性也提出了相應(yīng)的要求[1].對(duì)于支路流量可調(diào)節(jié)的變流量水系統(tǒng)，研究合適的控制方法以提高其水力穩(wěn)定性，從而在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡，既滿足空調(diào)舒適性要求又達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的.由于空調(diào)水系統(tǒng)的龐大與復(fù)雜性，僅采取實(shí)驗(yàn)的手段進(jìn)行研究往往是不容易的，結(jié)合TRNSYS仿真模擬建立水系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行研究更方便快捷.

自90年代后期，Kirsner[2-3]等人在國(guó)際上提出了一次泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)，引起許多研究人員的關(guān)注.他們通過(guò)模擬計(jì)算，對(duì)比分析了一次泵變流量系統(tǒng)和二次泵變流量水系統(tǒng)的能耗情況，證明了一次泵變流量系統(tǒng)的優(yōu)越性.董寶春[4]以上海通用汽車(chē)有限公司制冷站為例,比較了一次泵和二次泵變流量系統(tǒng)的能耗,結(jié)果表明,一次泵系統(tǒng)的耗電量?jī)H為二次泵系統(tǒng)的68%.有諸多學(xué)者也對(duì)供熱空調(diào)水系統(tǒng)穩(wěn)定性開(kāi)展了研究.江億[5]定量分析了管網(wǎng)的可調(diào)性及穩(wěn)定性，并針對(duì)主動(dòng)支路給出了其計(jì)算方法.而秦緒忠[6]采用了一個(gè)通用的水力穩(wěn)定性定量分析系統(tǒng)形式對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響，得出使水泵處在合適的工況點(diǎn)以及選擇合適的定壓點(diǎn)位置也可以提高系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性.Liu[7-8]以具有旁路回路調(diào)節(jié)特性的空調(diào)水系統(tǒng)和直回冷水系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，但是缺少了水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析.隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)控制技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，諸多研究探討了不同的控制方式對(duì)水系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[9，11]，但是看不到閥門(mén)調(diào)節(jié)過(guò)程中水力特性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程.也有研究模擬研究了不同控制方式下主動(dòng)支路調(diào)節(jié)時(shí)各被動(dòng)支路水力及熱力特性變化情況，但沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.水系統(tǒng)的壓差控制具有其自身的優(yōu)越性，Bynum[12]提出了變壓差控制的思想，在保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，盡可能減小管網(wǎng)阻力損失，取得最大的節(jié)能效果.Qiang[14]通過(guò)分析壓差控制系統(tǒng)在變流量集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了基于最大能耗的評(píng)價(jià)方法.Wu[15]討論了變頻調(diào)速水系統(tǒng)的節(jié)能原理，通過(guò)簡(jiǎn)化的冷凍水系統(tǒng)，比較定壓差控制方法和變壓差控制方法下泵的節(jié)能效率，得出變壓差控制方式下變頻系統(tǒng)能達(dá)到最大節(jié)能效率.隨著仿真技術(shù)的發(fā)展以及其對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論研究范圍的拓展，以TNRSYS為代表的動(dòng)態(tài)仿真軟件在水系統(tǒng)研究中得到廣泛應(yīng)用.遲光亮[16]以某假日酒店為研究對(duì)象，應(yīng)用TRNSYS建立了空調(diào)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真器，對(duì)酒店空調(diào)系統(tǒng)在末端無(wú)控和有控時(shí)的水力特性及能耗情況進(jìn)行了仿真計(jì)算.季科[17]根據(jù)水系統(tǒng)的水力特性，按照壓力、流量及阻抗的邏輯關(guān)系搭建了TRNSYS仿真平臺(tái)，模擬得到了該空調(diào)水系統(tǒng)的壓降曲線.林興斌[18]利用TRNSYS建立了VAV系統(tǒng)中風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的控制策略仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出了控制策略對(duì)系統(tǒng)節(jié)能的重要性.

針對(duì)上述研究中未給出閥門(mén)調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)水力變化、未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、沒(méi)有定量評(píng)價(jià)、研究對(duì)象非風(fēng)機(jī)盤(pán)管等問(wèn)題，本文采用仿真模擬加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，以風(fēng)機(jī)盤(pán)管為主的水系統(tǒng)為對(duì)象，利用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的TRNSYS仿真模型，對(duì)壓差控制下變流量空調(diào)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，并開(kāi)展了多工況下的空調(diào)水系統(tǒng)穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)，分析和研究了不同的壓差控制策略對(duì)系統(tǒng)水力穩(wěn)定性和節(jié)能效益的影響.

1 水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及TRNSYS仿真模型

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是長(zhǎng)安大學(xué)市政與暖通實(shí)驗(yàn)中心的全尺寸中央空調(diào)與集中供熱智能化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一次泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)，管網(wǎng)平面布置如圖1所示，包含一臺(tái)風(fēng)冷熱泵(位于實(shí)驗(yàn)樓頂)，一臺(tái)變頻循環(huán)水泵，末端為一臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組和六臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管，以及供水管、回水管，其中各支路均安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量傳感器和供回水壓力傳感器.

圖1 變流量空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)平面布置圖Fig.1 The pipe network of variable water volume air-conditioning system

該系統(tǒng)管網(wǎng)為分岔型枝狀管網(wǎng)，支路1末端有FCU7、FCU9、FCU10，支路2末端為AHU，支路3末端有FCU4、FCU5、FCU6.管網(wǎng)閥門(mén)全開(kāi)，水泵運(yùn)行頻率40 Hz時(shí)，各支路在管網(wǎng)中的流量和阻抗如表1所示.

表1 管網(wǎng)中各支路流量和阻抗分布Tab.1 The flow, impedance and total length of the three branches in the pipe network

1.2 TRNSYS仿真模型建立及驗(yàn)證

TRNSYS本身自帶了空調(diào)系統(tǒng)模塊，但是軟件中各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型均只考慮熱力特性，忽略了水力特性.針對(duì)此情況，充分考慮空調(diào)系統(tǒng)各部件的水力特性，建立起水泵、水閥、管網(wǎng)等部件的數(shù)學(xué)模型，按照壓力、流量及阻抗的邏輯關(guān)系搭建了相應(yīng)的仿真平臺(tái).圖2為空調(diào)水系統(tǒng)仿真模型.風(fēng)冷熱泵機(jī)組輸出冷凍水，由水泵提供動(dòng)力輸配到各支路的末端設(shè)備，深藍(lán)色線為冷凍水供水，淺藍(lán)色線為冷凍水回水，稀虛線為控制信號(hào)線，密虛線為參數(shù)計(jì)算線，黑色實(shí)線為輸出.

圖2 變流量空調(diào)水系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of variable water volume air-conditioning system

1.2.1 模擬工況

對(duì)圖2所示空調(diào)水系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證.從兩方面進(jìn)行驗(yàn)證，一方面閥門(mén)開(kāi)度變化時(shí)，各支路壓力流量會(huì)隨之重新分配，要驗(yàn)證流量分配的正確性；另一方面要驗(yàn)證水泵壓差控制的正確性，確保流量調(diào)節(jié)過(guò)程中水泵可以得到有效的控制.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和模擬工況：供回水干管定壓差控制，干管定壓差設(shè)定值ΔP=18 kPa.

1.2.2 結(jié)果分析

(1)流量分析

定壓差控制下進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)，流量動(dòng)態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)值與模擬值見(jiàn)下圖3.實(shí)驗(yàn)情況下電磁流量計(jì)測(cè)得的流量有一定的波動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)值的曲線是波動(dòng)的.由下圖3可見(jiàn)流量變化實(shí)驗(yàn)曲線和模擬曲線整體趨勢(shì)保持一致，證明了仿真模型流量分配的正確性，可以采用仿真模型研究流量的動(dòng)態(tài)變化情況.

圖3 流量變化實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental value and simulated value of flow change

(2)壓差分析

定壓差控制下進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)，干管壓差變化的實(shí)驗(yàn)值與模擬值見(jiàn)圖4.由下圖4可知，實(shí)驗(yàn)情況下壓力傳感器測(cè)得的壓力有一定的波動(dòng)，導(dǎo)致了壓差的波動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)值的曲線是波動(dòng)的，但基本是圍繞著模擬的數(shù)據(jù)直線波動(dòng)的，證明水泵壓差控制的正確性.

圖4 干管壓差變化實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.4 Comparison between experimental and simulated value of pressure difference of dry pipe

(3)水泵功率分析

本文以水泵功率為指標(biāo)分析能耗情況，因此要對(duì)水泵功率的模擬值進(jìn)行驗(yàn)證.調(diào)節(jié)各支路時(shí)水泵功率變化實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比見(jiàn)圖5.

圖5 水泵功率變化實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.5 Comparison between experimental value and simulated value of pump power change

表2 水泵功率實(shí)驗(yàn)值與模擬值Tab.2 Experimental value and simulated value of pump power

由圖5可知水泵功率模擬值整體變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值相同，但模擬值較實(shí)驗(yàn)值偏大，因此要具體計(jì)算實(shí)驗(yàn)值與模擬值間的誤差.表2為水泵功率實(shí)驗(yàn)平均值與模擬值的誤差，調(diào)節(jié)支路1時(shí)最大誤差為0.66%，調(diào)節(jié)支路2時(shí)最大誤差為3.45%，調(diào)節(jié)支路3時(shí)最大誤差為1.81%，雖然模擬值不同程度的大于實(shí)驗(yàn)值，但誤差均小于10%，因此認(rèn)為可以采用仿真模型測(cè)量水泵功率，從而研究能耗情況.通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線因傳感器測(cè)量值的波動(dòng)具有一定的波動(dòng)性，但實(shí)驗(yàn)曲線和模擬曲線整體趨勢(shì)保持一致，證明了仿真模型的可行性.

2 仿真實(shí)驗(yàn)方案與分析方法

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)以變流量空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的狀態(tài)為初始穩(wěn)態(tài)，依次對(duì)3條支路的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié).某一支路閥門(mén)開(kāi)度由100%遞減至0%(稱(chēng)為主動(dòng)支路)，即100%、80%、60%、40%、20%、0%,另2條支路的閥門(mén)開(kāi)度保持在100%不變(稱(chēng)為被動(dòng)支路).每5 min調(diào)節(jié)一次，調(diào)節(jié)時(shí)段為主動(dòng)支路調(diào)節(jié)閥動(dòng)作周期，共計(jì)30 min，每1 s記錄一次數(shù)據(jù).在主動(dòng)支路調(diào)節(jié)閥動(dòng)作周期內(nèi)，對(duì)水泵實(shí)施不同的控制方案，研究被動(dòng)支路水力特性動(dòng)態(tài)變化情況.方案一和方案二為在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，方案三為用仿真模型進(jìn)行的仿真研究.

方案一(Case1)：調(diào)節(jié)閥動(dòng)作周期內(nèi)，無(wú)壓差控制.調(diào)節(jié)時(shí)段內(nèi)水泵不控，水泵轉(zhuǎn)速不變，被動(dòng)支路的流量變化僅取決于主動(dòng)支路閥門(mén)開(kāi)度的變化.

方案二(Case2)：調(diào)節(jié)閥動(dòng)作周期內(nèi)，供回水干管定壓差控制.調(diào)節(jié)時(shí)段內(nèi)控制水泵轉(zhuǎn)速以維持供回水干管壓差實(shí)際值不變，即保持供回水干管壓差實(shí)際值維持在設(shè)定值左右.系統(tǒng)初始穩(wěn)態(tài)下，實(shí)測(cè)了管網(wǎng)各支路流量、阻抗、壓差等數(shù)據(jù)，整理計(jì)算得最不利環(huán)路為支路1，其壓力損失為17.8 kPa，以此確定干管定壓差設(shè)定值ΔP=18 kPa.

方案三(Case3)：干管壓差設(shè)定值以主動(dòng)支路的流量變化為參考進(jìn)行調(diào)整，主動(dòng)支路流量減小時(shí)，干管壓差設(shè)定值隨之減小.在干管定壓差控制策略的基礎(chǔ)上確定變壓差設(shè)定值，假設(shè)采樣時(shí)刻t，干管定壓差控制下主動(dòng)支路的流量為Qt，干管壓差設(shè)定值變化的計(jì)算式為[19]

(PSET)=(Qt-1-Qt-2)+λ[(Qt-Qt-1)-
(Qt-1-Qt-2)]

(1)

式中：Δ(ΔPSET)為干管壓差設(shè)定值變化量，m；Qt為t時(shí)刻主動(dòng)支路流量，m3·s-1；λ為變化步長(zhǎng)常數(shù)，要依據(jù)管網(wǎng)水力特性和調(diào)節(jié)閥門(mén)特性確定，本文取λ=200、400、800.

則壓差設(shè)定值的計(jì)算式為

Pt=Pt-1+Δ(ΔPPET)

(2)

2.2 流量分析方法

對(duì)于實(shí)驗(yàn)所用變流量空調(diào)水系統(tǒng)，有三條支路，當(dāng)其中一條支路閥門(mén)減小或關(guān)閉后，另兩條支路的流量會(huì)隨之改變，其計(jì)算分析方法有如下三種：

(1)調(diào)節(jié)主動(dòng)支路i的閥門(mén)開(kāi)度，被動(dòng)支路j的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的比值稱(chēng)為j支路的水力失調(diào)度，如下式.

Xx,j=Q′i,j/Qi,j

(3)

其中，Xi,j越趨近于1，說(shuō)明i支路閥門(mén)開(kāi)度變化時(shí)，j支路的水力穩(wěn)定性越好，反之則j支路的水力穩(wěn)定性較差.依次調(diào)節(jié)主動(dòng)支路i，被動(dòng)支路j水力失調(diào)度的平均值稱(chēng)為j支路的流量偏離系數(shù)，其計(jì)算式為

(4)

式中：k為系統(tǒng)的支路數(shù).Xj的大小反映了j支路的穩(wěn)定性強(qiáng)弱，Xj值越接近0，說(shuō)明j支路穩(wěn)定性越強(qiáng).

(2)調(diào)節(jié)主動(dòng)支路i的閥門(mén)開(kāi)度時(shí)，各被動(dòng)支路j水力失調(diào)度的平均值稱(chēng)為i支路的流量干擾系數(shù)：

(5)

其中，Yi的值越接近于0，說(shuō)明調(diào)節(jié)i支路對(duì)其他支路的干擾越小，即干擾性小，反之則干擾性大.

(3)所有支路Xj的平均值稱(chēng)為管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)，其計(jì)算式如下：

(6)

顯然X越接近于0，說(shuō)明管網(wǎng)的穩(wěn)定性越好，反之則管網(wǎng)的穩(wěn)定性差.

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流量分析

Xi,j為i支路閥門(mén)開(kāi)度改變時(shí)j支路的水力失調(diào)度，可以用水力失調(diào)度Xi,j評(píng)價(jià)j支路水力穩(wěn)定性的好壞.Xi,j越趨近于1，則說(shuō)明i支路閥門(mén)開(kāi)度變化時(shí)，j支路的水力穩(wěn)定性越好，反之則j支路的水力穩(wěn)定性較差.不同方案下調(diào)節(jié)主動(dòng)支路i時(shí)被動(dòng)支路j的水力失調(diào)度Xi,j如表3所示.其中Case3-1、3-2、3-3定義為“方案三中，分別以1、2、3主動(dòng)支路流量變化為參考進(jìn)行調(diào)節(jié)”.

表3 不同方案下各被動(dòng)支路水力失調(diào)度Tab.3 Hydraulic imbalance degree of passive branches under different case

主動(dòng)支路i閥門(mén)開(kāi)度減小，導(dǎo)致各被動(dòng)支路j不同程度的水力失調(diào)，且在本實(shí)驗(yàn)中為一致失調(diào)，減小至關(guān)閉時(shí)，水力失調(diào)度達(dá)到最大值.定壓差控制下各支路的水力失調(diào)度較無(wú)壓差控制時(shí)明顯減小，明顯提高了被動(dòng)支路的水力穩(wěn)定性.變壓差控制策略下，隨著壓差變化步長(zhǎng)λ的增加，被動(dòng)支路的水力失調(diào)度Xi,j較定壓差控制時(shí)更小，即管網(wǎng)水力穩(wěn)定性更高.這是由于壓差設(shè)定值隨主動(dòng)支路流量的變化而有所調(diào)整，主動(dòng)支路閥門(mén)開(kāi)度減小，即主動(dòng)支路的流量減小時(shí)，壓差設(shè)定值也相應(yīng)的減小，一定程度上抑制了由于主動(dòng)支路流量的減小而造成的被動(dòng)支路流量的增加.

但是當(dāng)壓差變化幅度愈大時(shí)，部分被動(dòng)支路水力失調(diào)度Xi,j小于1，即此時(shí)該被動(dòng)支路實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量，被動(dòng)支路所需流量得不到滿足，說(shuō)明壓差設(shè)定值的減小幅度已經(jīng)強(qiáng)于主動(dòng)支路調(diào)節(jié)對(duì)被動(dòng)支路的影響.λ增大到800時(shí)，如圖6所示：調(diào)節(jié)主動(dòng)支路1，以主動(dòng)支路3的流量變化為參考時(shí)(Case3-3)，被動(dòng)支路3的水力失調(diào)度X1,3小于1，即支路3所需的設(shè)計(jì)流量得不到滿足；因此，壓差變化步長(zhǎng)λ的選取在兼顧系統(tǒng)水力穩(wěn)定性和節(jié)能的同時(shí)，還要保證被動(dòng)支路的設(shè)計(jì)流量得到滿足，對(duì)于本文所用水系統(tǒng)而言，λ在400～800之間可獲得相對(duì)理想的水力穩(wěn)定性和水泵節(jié)能效果.雖然實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)通常是開(kāi)大開(kāi)小，不是關(guān)閉，但其影響是相似的，因此具有可比性，并且主動(dòng)支路閥門(mén)關(guān)閉時(shí)被動(dòng)支路的水力失調(diào)最明顯.又由于不同的定壓差設(shè)定值下被動(dòng)支路水力失調(diào)度無(wú)明顯差異，因此，表3給出了Case 1、Case 2、Case 3-2三種方案下被動(dòng)支路的水力失調(diào)度，據(jù)此計(jì)算管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù).跟據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算可得：無(wú)壓差控制下管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)X=0.514，干管定壓差控制下管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)X=0.104，變壓差控制下管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)X=0.072.定壓差控制下管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)較無(wú)壓差控制時(shí)減小了0.41，變壓差控制下管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)較無(wú)壓差控制時(shí)減小了0.442，說(shuō)明壓差控制效果明顯，管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性明顯提高，其中變壓差控制策略效果更好.

圖6 水力失調(diào)度X1,3 Fig.6 The hydraulic imbalance degree of X1,3

圖7 干管壓差變化情況Fig.7 The differential pressure variation of each branch

3.2 壓差分析

不同控制方案下調(diào)節(jié)主動(dòng)支路閥門(mén)開(kāi)度時(shí)干管壓差變化如圖7所示.無(wú)壓差控制下，關(guān)閉任意一條支路，干管供回水壓差都會(huì)增加，其中支路2為主動(dòng)支路時(shí)壓差變化尤為明顯.定壓差控制下關(guān)閉主動(dòng)支路閥門(mén)，干管供回水壓差維持在定壓差設(shè)定值左右.變壓差控制中，干管壓差值會(huì)依據(jù)主動(dòng)支路流量的減小而減小，并且隨著步長(zhǎng)λ的增加，壓差值和水泵功率均隨之有所降低.

3.3 水泵功率分析

通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)支路閥門(mén)開(kāi)度達(dá)到調(diào)節(jié)其流量的目的，即閥門(mén)節(jié)流，是以消耗流體的機(jī)械能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的，所以良好的水力穩(wěn)定性對(duì)降低能耗有著重要的影響.在水力失調(diào)發(fā)生的同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)消耗的能量也會(huì)隨之發(fā)生變化.本實(shí)驗(yàn)主要研究主動(dòng)支路流量調(diào)節(jié)時(shí)，管網(wǎng)水力特性的動(dòng)態(tài)變化情況，不涉及熱力變化情況，系統(tǒng)能耗主要為水泵能耗，因此本文以冷凍水泵功率為指標(biāo)分析管網(wǎng)輸送能耗.不同的控制方案下冷凍水泵功率變化情況如圖8所示.無(wú)壓差控制下，關(guān)閉主動(dòng)支路閥門(mén)時(shí)，冷凍水泵功率僅降低0.015 kW，基本保持在0.46 kW不變；定壓差控制下，冷凍水泵功率隨著主動(dòng)支路閥門(mén)開(kāi)度的減小而減小，即管網(wǎng)輸送能耗降低，尤其在主動(dòng)支路閥門(mén)關(guān)閉時(shí)冷凍水泵功率下降最為明顯，節(jié)能效果最為顯著.變壓差控制中，隨著步長(zhǎng)λ的增加，水泵功率均降低更加明顯.但是閥門(mén)開(kāi)度為100%、80%時(shí)壓差控制下的冷凍水泵功率反倒大于無(wú)壓差控制下的冷凍水泵功率.這是因?yàn)殚y門(mén)開(kāi)度為100%、80%時(shí)管網(wǎng)阻力未發(fā)生很大變化，無(wú)壓差控制下的水泵功率是用來(lái)克服最不利環(huán)路的壓損，最不利環(huán)路(支路1)的壓力損失為17.8 kPa，而壓差設(shè)定值18 kPa大于最不利環(huán)路的壓損，所需冷凍水泵功率增加.因此，合適的壓差設(shè)定值對(duì)減少能耗有重大的影響，應(yīng)使干管定壓差設(shè)定值等于最不利環(huán)路總阻力損失.

圖8 冷凍水泵功率變化情況Fig.8 The change of chilled water pump power

無(wú)壓差控制下冷凍水泵功率不變，壓差控制下冷凍水泵功率降低，據(jù)此定義主動(dòng)支路閥門(mén)開(kāi)度為0時(shí)冷凍水泵功率N2與閥門(mén)開(kāi)度為100%時(shí)冷凍水泵功率N1之差(N1-N2)與N1之比為冷凍水泵節(jié)能百分比.表4給出了Case2和Case3-2下關(guān)閉不同支路閥門(mén)時(shí)冷凍水泵的節(jié)能百分比.

表4 冷凍水泵節(jié)能百分比Tab.4 The energy saving percentage of chilled water pump

關(guān)閉支路2閥門(mén)，方案2中節(jié)能百分比達(dá)到70%，方案3-2中節(jié)能百分比達(dá)到76%，這是由于實(shí)驗(yàn)所用水系統(tǒng)支路2流量遠(yuǎn)大于另外兩條支路，支路2干擾性過(guò)大，此種情況并不普遍甚至是不合理的，所以其值并不具有參考價(jià)值.因此，關(guān)閉任一支路，定壓差控制下可節(jié)能20.8%，變壓差控制下可節(jié)能27.1%.

4 結(jié)論

(1)從水力穩(wěn)定性和節(jié)能兩方面評(píng)價(jià)，水系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)過(guò)程中壓差控制效果明顯，其中變壓差控制策略效果更優(yōu)于定壓差控制效果.變壓差控制下管網(wǎng)的水力失調(diào)系數(shù)為0.072，較無(wú)壓差控制時(shí)減小了0.442；關(guān)閉任意一個(gè)支路閥門(mén)，變壓差控制下冷凍水泵節(jié)能可達(dá)到27.1%.

(2)干管定壓差設(shè)定值的選取對(duì)管網(wǎng)水力穩(wěn)定性并無(wú)明顯影響，但是對(duì)水泵能耗有重大影響.因此，定壓差設(shè)定值的選取要兼顧水力穩(wěn)定性和水泵節(jié)能效果，使干管定壓差設(shè)定值等于最不利環(huán)路總阻力損失.

(3)確定變壓差設(shè)定值時(shí)，壓差變化步長(zhǎng)λ的選取在兼顧系統(tǒng)水力穩(wěn)定性和水泵節(jié)能效果的同時(shí)，要保證被動(dòng)支路的設(shè)計(jì)流量得到滿足，對(duì)于本文所用水系統(tǒng)而言，λ在400～800之間時(shí)控制效果最好.