暖通空調(diào)變流量水系統(tǒng)中的定壓差技術(shù)

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 內(nèi)容提要：本文分析了為什么在暖通空調(diào)變流量水系統(tǒng)中必須使用定壓差技術(shù)，揭示了定壓差技術(shù)的應(yīng)用原則，最后對暖通空調(diào)變流量水系統(tǒng)中分集水器、風(fēng)機(jī)盤管、空調(diào)箱處的幾種定壓調(diào)節(jié)方案進(jìn)行了分析比較。

　　隨著人們生活品質(zhì)要求、節(jié)能意識的不斷提高以及空調(diào)系統(tǒng)的大型化，變流量水力系統(tǒng)在暖通空調(diào)工程中占據(jù)越來越重要的位置。變流量系統(tǒng)在運行過程中各分支環(huán)路的流量是隨著外界環(huán)境負(fù)荷的變化而變化的，因此對系統(tǒng)的水力平衡和調(diào)節(jié)提出了很高的要求。目前為了解決暖通空調(diào)變流量水力系統(tǒng)的動態(tài)水力平衡和調(diào)節(jié)問題，定壓差技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，同時為什么以及如何使用定壓差技術(shù)也成為暖通空調(diào)設(shè)計界的一個熱點。

　　一、為什么在變流量系統(tǒng)中必須使用定壓差技術(shù)

　　暖通空調(diào)系統(tǒng)的目的是保持目標(biāo)區(qū)域適宜的溫度。由于空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備的負(fù)荷是隨著季節(jié)以及晝夜轉(zhuǎn)換的變化而變化的，因此各末端空調(diào)設(shè)備的流量也要求隨之變化。

　　為保證空調(diào)系統(tǒng)的舒適節(jié)能性，即保證空調(diào)系統(tǒng)目標(biāo)區(qū)域的適宜溫度（過高或過低都會導(dǎo)致不舒適及不節(jié)能），最根本的途徑就是選擇最佳的方法來根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的溫度來調(diào)節(jié)流量，同時避免在調(diào)節(jié)過程中的相互干擾。

　　1、流量調(diào)節(jié)的主要方式

　　圖1為變流量系統(tǒng)常用的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的設(shè)定溫度與實際溫度的比較、通過電動閥來調(diào)節(jié)流過末端設(shè)備的水流量。

　　電動閥調(diào)節(jié)水流量的方式有二種：

　?。?）脈沖式調(diào)節(jié)

　　采用開關(guān)型電動閥，通過控制開關(guān)時間比來調(diào)節(jié)流經(jīng)末端設(shè)備的平均流量，如圖2所示的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)房間溫度調(diào)節(jié)即為脈沖式調(diào)節(jié)，其平均流量為：Q_平均= Q_設(shè)計（t1+t2+t3+t4+t5）/t0；這種調(diào)節(jié)方法適用于小流量，調(diào)節(jié)精度較低的末端設(shè)備；

　?。?）連續(xù)調(diào)節(jié)

　　采用調(diào)節(jié)型電動閥，通過對流量的連續(xù)調(diào)節(jié)來滿足末端設(shè)備負(fù)荷變化的要求。如圖3所示的空調(diào)箱系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)即為連續(xù)調(diào)節(jié)，其平均流量為：Q_平均=∫_t1^t2Q(x)dx/(t2-t1)。這種調(diào)節(jié)方式適用于調(diào)節(jié)精度要求較高的系統(tǒng)。

　　2、避免流量調(diào)節(jié)相互干擾的方式

　　實際上，變流量系統(tǒng)末端設(shè)備流量調(diào)節(jié)的相互干擾是不可避免的，我們所能做的是消弱和屏蔽這種干擾，在空調(diào)系統(tǒng)中，常用的消弱和屏蔽干擾的方式主要有以下二種：

　?。?）PID參數(shù)方式

　　PID是樓宇自控DDC及工控儀表調(diào)節(jié)計等控制儀表調(diào)節(jié)流量的主要計算方法（P-比例常數(shù)、I-積分時間常數(shù)、D-微分時間常數(shù)）。對于用調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量的空調(diào)系統(tǒng)來說，PID參數(shù)是由調(diào)節(jié)閥所在空調(diào)系統(tǒng)的整體狀態(tài)決定的，不同的空調(diào)系統(tǒng)PID參數(shù)的取值不一樣。由于調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求設(shè)定不同的積分時間常數(shù)I和微分時間常數(shù)D從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的超調(diào)和預(yù)調(diào)，在消弱系統(tǒng)的惰性和慣性的影響從而提高調(diào)節(jié)精度的同時，當(dāng)發(fā)生流量調(diào)節(jié)的相互干擾引起目標(biāo)區(qū)域溫度偏離時，也能實時地對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以消弱這種相互干擾。

　　PID方式的流量干擾糾正過程如下（如圖1）：流量調(diào)節(jié)干擾—末端設(shè)備流量變化—制冷（加熱）量變化—目標(biāo)區(qū)域溫度T偏離—目標(biāo)區(qū)域溫度T與設(shè)定溫度比較—溫控器輸出信號變化—電動閥開度變化—流量干擾糾正，因此這種糾正是滯后式糾正。由于空調(diào)系統(tǒng)（特別是風(fēng)系統(tǒng)）的熱惰性非常大，調(diào)節(jié)過程的滯后時間較長，還沒等到電動閥改變開度來消弱原來的流量干擾，新的流量干擾又已產(chǎn)生。因此，通過這種方式來消弱流量干擾的效果是有限的，特別是對于一些帶多個電動調(diào)節(jié)閥的大型空調(diào)系統(tǒng)，這種流量調(diào)節(jié)的相互干擾造成系統(tǒng)很難達(dá)到平衡狀態(tài)，即使達(dá)到平衡狀態(tài)，也很容易由于受到干擾而失去平衡。

　?。?）定壓差技術(shù)

　　如何采取更好的方法來避免流量調(diào)節(jié)的相互干擾呢？

　　根據(jù)流體力學(xué)的基本公式

　　Q=Kv × （△P）^0.5 （Q：電動閥流量； Kv：電動閥流量系數(shù)； △P：電動閥前后壓差）

　　如圖1所示，當(dāng)電動閥接受溫度控制信號改變開度時，公式中的Kv值發(fā)生變化，調(diào)節(jié)流量Q以滿足目標(biāo)區(qū)域溫度控制的要求。那么如何避免流量調(diào)節(jié)的相互干擾呢？

　　很顯然，只要保證公式中的△P值不變（即圖1A、C二點間的壓差不變）就可以了，這樣電動閥的流量Q只受目標(biāo)區(qū)域溫度控制信號的影響，而不受別的因素，如由于其它末端設(shè)備流量調(diào)節(jié)而引起的系統(tǒng)壓力波動（即圖1A、B二點間的壓力波動）的影響。

　　保證△P值不變的技術(shù)就是定壓差技術(shù)。實際上，定壓差技術(shù)是暖通空調(diào)變流量系統(tǒng)動態(tài)水力平衡的主要調(diào)節(jié)方式。實現(xiàn)了定壓差技術(shù)，系統(tǒng)就實現(xiàn)了動態(tài)平衡，就不存在末端設(shè)備流量調(diào)節(jié)的相互干擾。

　　由于這種屏蔽干擾的實現(xiàn)過程是：流量調(diào)節(jié)干擾—系統(tǒng)壓力波動—定壓差技術(shù)—流量干擾糾正。因此這種干擾實際上還沒有影響到電動閥就在管道中被屏蔽掉了，因此通過這種方式來消除流量調(diào)節(jié)之間的相互干擾很迅速，效果較好。

　　綜上所述，在變流量系統(tǒng)中，選擇合理的流量調(diào)節(jié)方式，同時采用定壓差技術(shù)，可以避免系統(tǒng)不同部位流量調(diào)節(jié)的相互干擾，從而實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。

　　實際上，在工程實踐中，除了圖1的定壓方式外，還有壓差旁通定壓方式、調(diào)頻泵定壓方式以及對多臺末端設(shè)備集中定壓等，會在以后的篇幅中分別論述。

　　二、變流量系統(tǒng)中定壓差技術(shù)的應(yīng)用

　　對于一個實際的變流量系統(tǒng)，定壓差技術(shù)的應(yīng)用原則是：分系統(tǒng)定壓、分級定壓。

　　1、分系統(tǒng)定壓

　　分系統(tǒng)定壓是指對于一個含有多個系統(tǒng)的大型變流量水力系統(tǒng)，在設(shè)計時為避免各水力分系統(tǒng)的相互影響，應(yīng)分別采用定壓差技術(shù)，對每個分系統(tǒng)進(jìn)行定壓，從而保證各個分系統(tǒng)各自獨立的互不干擾的工作。

　　如圖4所示，為帶有二個獨立分系統(tǒng)的變流量系統(tǒng)，在每個分系統(tǒng)分集水器處分別應(yīng)用了定壓差技術(shù)，從而保證這二個分系統(tǒng)各自獨立互不干擾的工作。

　　2、分級定壓

　　對于獨立的變流量水力系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)投資和精度要求合理的選擇定壓方案。通常應(yīng)該按照從主機(jī)到末端的步驟逐級對系統(tǒng)進(jìn)行定壓，對于精度要求較高的系統(tǒng)，可以采用二級甚至多級定壓的方式以保證系統(tǒng)各末端設(shè)備各自獨立互不干擾的工作。

　　圖5為變流量空調(diào)系統(tǒng)常用的定壓調(diào)節(jié)方式。

　　該系統(tǒng)采用二級定壓：

　?、僭跈C(jī)房主管路分、集水器處通過壓差旁通系統(tǒng)一級定壓，主管道通過調(diào)頻泵調(diào)節(jié)主供回水的流量；

　?、谀┒孙L(fēng)機(jī)盤管處采用在每層水平分支管道回水管上安裝壓差調(diào)節(jié)閥來二級定壓，通過各風(fēng)機(jī)盤管支路上的電動二通閥開關(guān)式調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤管的流量；

　?、勰┒丝照{(diào)箱（空氣處理機(jī)組等）在進(jìn)口采用壓差調(diào)節(jié)閥二級定壓，采用電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入設(shè)備的流量。

　　以上僅為變流量水系統(tǒng)三個主要位置常用的定壓調(diào)節(jié)方式，下面就這幾個位置各種定壓調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析。

　　3、分集水器一級定壓調(diào)節(jié)的幾種形式：

　　（1）調(diào)頻泵定壓調(diào)節(jié)方式

　　圖6為調(diào)頻泵定壓調(diào)節(jié)方式，通過調(diào)頻器調(diào)節(jié)調(diào)頻泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)進(jìn)入分集水器的流量從而保證分、集水器壓差為設(shè)定壓差，從而保證變流量系統(tǒng)的流量隨外界環(huán)境負(fù)荷的變化而變化的要求。

　　調(diào)頻泵定壓調(diào)節(jié)方式由于調(diào)節(jié)了水泵轉(zhuǎn)速，減少了系統(tǒng)運行過程中水泵的能量消耗，這種配置較其它的方式比較節(jié)省系統(tǒng)的運行費用，同時比較節(jié)能，但是由于它使用的調(diào)頻器，對電網(wǎng)的沖擊較大，造成一定的電磁污染，因此需要采用一定的電路隔離設(shè)備，因此初投資比較高。

　?。?）壓差旁通定壓調(diào)節(jié)方式

　　圖7為壓差旁通定壓調(diào)節(jié)方式，通過主管道旁通的電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)旁通水量從而調(diào)節(jié)進(jìn)入分集水器的流量，保證分、集水器的壓差為設(shè)定壓差，

　　從而保證變流量系統(tǒng)的流量隨外界環(huán)境負(fù)荷的變化而變化的要求。

　　壓差旁通定壓調(diào)節(jié)方式由于在系統(tǒng)運行過程中水泵的轉(zhuǎn)速并沒有降低，功率變化不大，因此在運行過程中水泵的功率消耗較大，運行費用較高，但是它也具有初投資較低且對外部環(huán)境沒有污染的特點。

　?。?）自力式調(diào)節(jié)閥定壓調(diào)節(jié)方式

　　圖8為自力式調(diào)節(jié)閥定壓調(diào)節(jié)方式，通過調(diào)節(jié)自力式調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)分集水器旁通管的旁通水流量，從而保證分集水器的壓差為設(shè)定壓差。

　　自力式定壓調(diào)節(jié)方式和壓差旁通定壓調(diào)節(jié)方式一樣，在運行過程中水泵的功率消耗較大，運行費用較高，同時定壓精度也較差，但是它也具有初投資最低且對外部環(huán)境沒有污染的特點。

　　4、風(fēng)機(jī)盤管二級定壓調(diào)節(jié)的幾種形式

　　（1）圖9為風(fēng)機(jī)盤管的一種定壓調(diào)節(jié)方式，電動二通閥安裝在風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)水管，壓差調(diào)節(jié)閥安裝在風(fēng)機(jī)盤管出水管，通過毛細(xì)管連接電動二通閥進(jìn)出口，保持電動二通閥進(jìn)出口壓差恒定，通過電動二通閥的脈沖式流量來調(diào)節(jié)房間溫度達(dá)到設(shè)定溫度。

　　這種方式的定壓調(diào)節(jié)精度較高，但設(shè)備初投資非常高，且安裝麻煩，對于單個房間的舒適性空調(diào)系統(tǒng)，一般很少采用。目前對于精度要求較高的系統(tǒng)，一般采用初投資略低且安裝調(diào)試非常簡單的動態(tài)平衡電動二通閥，其調(diào)節(jié)效果是完全一樣的。

　?。?）圖10為風(fēng)機(jī)盤管的另一種定壓調(diào)節(jié)方式，電動二通閥安裝在風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)水管，壓差調(diào)節(jié)閥安裝在風(fēng)機(jī)盤管出水管，通過毛細(xì)管連接電動二通閥進(jìn)口和風(fēng)機(jī)盤管出口，保持這兩點的壓差恒定，通過電動二通閥的脈沖式流量來調(diào)節(jié)房間溫度達(dá)到設(shè)定溫度。

　　這種方式和圖9的方式一樣精度較高，但設(shè)備初投資非常高，且安裝麻煩，對于單個房間的舒適性空調(diào)系統(tǒng)，一般很少采用。目前對于精度要求較高的系統(tǒng)，一般采用初投資略低且安裝調(diào)試非常簡單的動態(tài)平衡電動二通閥，其調(diào)節(jié)效果是完全一樣的。

　?。?）圖11是一種兼顧精度和經(jīng)濟(jì)性的定壓調(diào)節(jié)方式，電動二通閥安裝在每個風(fēng)機(jī)盤管的供水管，壓差調(diào)節(jié)閥安裝在風(fēng)機(jī)盤管各層水平回水支管上，其另一個取壓點接在水平供水管上，通過壓差調(diào)節(jié)閥的定壓差作用以保證風(fēng)機(jī)盤管水平供回水管的壓差不變，即A、B二點的壓差不變。

　　這種方式能夠屏蔽層與層之間風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)的相互干擾。對于同層之間的風(fēng)機(jī)盤管，如果是同程式管道或者風(fēng)機(jī)盤管的數(shù)量不多，屏蔽同層之間風(fēng)機(jī)盤管流量調(diào)節(jié)的相互影響的效果也較好；如果是異程式系統(tǒng)并且風(fēng)機(jī)盤管的數(shù)量較多，由于水平管道延程阻力的影響，則離壓差調(diào)節(jié)閥較近的風(fēng)機(jī)盤管流量調(diào)節(jié)的相互干擾就較小，離壓差調(diào)節(jié)閥較遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)盤管流量調(diào)節(jié)的相互干擾就較大，精度稍差。

　?。?）圖12為水平管道異程式且風(fēng)機(jī)盤管數(shù)量較多的一種定壓調(diào)節(jié)方式。水平管道回水管上安裝壓差調(diào)節(jié)閥，以保證水平供回水管的壓差恒定；在每個風(fēng)機(jī)盤管供水管上安裝動態(tài)平衡電動二通閥，以保證在工作壓差范圍內(nèi)，不論系統(tǒng)壓力如何變化，風(fēng)機(jī)盤管的流量始終維持在設(shè)計流量。這樣就避免了層與層之間以及同層之間風(fēng)機(jī)盤管流量調(diào)節(jié)的相互干擾。這種系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，缺點是初投資較高。

　　5、空調(diào)箱（空氣處理機(jī)組）二級定壓調(diào)節(jié)的幾種形式

　?。?）圖13是空調(diào)箱（空氣處理機(jī)組）的一種定壓調(diào)節(jié)方式，壓差調(diào)節(jié)閥及電動調(diào)節(jié)閥安裝在空調(diào)箱（空氣處理機(jī)組）的供水管，壓差調(diào)節(jié)閥的取壓點位于電動調(diào)節(jié)閥的進(jìn)出口，通過壓差調(diào)節(jié)閥的定壓差作用保持電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差恒定在設(shè)定壓差。如前所述，這時電動調(diào)節(jié)閥的流量只受由于末端設(shè)備負(fù)荷變化而導(dǎo)致的溫度控制信號變化的影響，而不受由于其它空調(diào)箱流量調(diào)節(jié)而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力波動的影響，系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)平衡，同時由于定壓差作用，使電動調(diào)節(jié)閥的實際調(diào)節(jié)特性曲線與其理想調(diào)節(jié)特性曲線一致，系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能非常好。

　　但是由于這種方式使用二個閥門，因此在同等情況下設(shè)備初投資很高，而且安裝調(diào)試比較麻煩。

　?。?）圖14是空調(diào)箱（空氣處理機(jī)組）的另一種定壓調(diào)節(jié)方式，壓差調(diào)節(jié)閥及電動調(diào)節(jié)閥安裝在空調(diào)箱（空氣處理機(jī)組）的供水管，壓差調(diào)節(jié)閥的取壓點位于電動調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口和空調(diào)箱的出口，通過壓差調(diào)節(jié)閥的定壓差作用保持這兩點壓差恒定。同圖13一樣，它能保證空調(diào)箱的流量調(diào)節(jié)不相互干擾，即實現(xiàn)動態(tài)平衡；但是由于空調(diào)箱的分壓作用使調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度小于1，因此它的實際流量特性曲線偏離理想流量特性曲線，調(diào)節(jié)特性變差。所以一般不采用此方案。

　?。?）圖15是空調(diào)箱（空氣處理機(jī)組）的一種新型定壓調(diào)節(jié)方式，它在空調(diào)箱供水管用一種具有動態(tài)平衡功能和電動調(diào)節(jié)功能一體的動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥來代替壓差調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥組合，同時由于它經(jīng)過專門的設(shè)計，因此具有更好的性能。這種閥一方面能避免各并聯(lián)空調(diào)箱流量調(diào)節(jié)的相互干擾，同時其實際的流量調(diào)節(jié)特性與理想的流量調(diào)節(jié)特性一致，調(diào)節(jié)性能非常好。

　　同時由于這種閥所有功能集中在一個閥體內(nèi)，因此在同等性能下設(shè)備初投資較低，且安裝調(diào)試比較簡單，因此相比較于圖13，具有一定的優(yōu)勢。

　　三、結(jié)語

　　綜上所述，暖通空調(diào)變流量系統(tǒng)定壓差技術(shù)的運用為暖通空調(diào)水系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)水力平衡，更舒適、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的運行提供了一種有效的途徑。但是在實際的工程實踐中，應(yīng)根據(jù)投資和系統(tǒng)精度要求合理的選擇定壓差方案，既要滿足工程設(shè)計和技術(shù)規(guī)范要求，又應(yīng)采用合理的方案，為甲方節(jié)約資金。