泵空調(diào)系統(tǒng)中加壓泵的控制方法研

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摘要： 對在供熱、空調(diào)水系統(tǒng)中使用加壓泵的可行性進(jìn)行了 分析 ，并導(dǎo)出了節(jié)能率 計算 公式，指出當(dāng)最不利環(huán)路阻力較次最不利環(huán)路的阻力大30%以上時，可以考慮采用加壓泵。探討了一次泵空調(diào)系統(tǒng)中加壓泵的控制 方法 ，認(rèn)為常規(guī)控制方法仍可沿用，提出了空調(diào)供冷和供熱情形下加壓泵的調(diào)節(jié)方法。 關(guān)鍵詞： 供熱空調(diào) 管網(wǎng) 加壓泵 節(jié)能 1 引言 在供熱、空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計中，水環(huán)路的劃分原則上應(yīng)使各個環(huán)路的阻力基本平衡，但實際上由于建筑的多功能性，為便于分時管理，水環(huán)路的劃分更多地考慮到供熱或空調(diào)區(qū)域的使用功能。因此，設(shè)計中各個水環(huán)路的阻力有時相差較大，選擇水泵的常規(guī)方法是，由最不利環(huán)路的阻力確定水泵揚程，盡管這一環(huán)路上的流量可能僅為系統(tǒng)總流量的很小一部分，也不得不選擇大揚程泵，而其他環(huán)路就不得不依靠平衡閥或調(diào)節(jié)閥等阻力元件來平衡，從而造成水系統(tǒng)的能耗偏高。在供熱、空調(diào)管網(wǎng)中用加壓泵替代靜態(tài)平衡閥，從節(jié)能角度，變傳統(tǒng)的“抑好（向最壞的對象看齊）”的水力平衡方法為“提差（向較好的對象看齊）”，不僅可以起到節(jié)能的作用，而且其可靠性和 經(jīng)濟(jì) 性也已得到了初步的論證，說明這一設(shè)計方法具有工程實用價值 [1]-[3] 。然而在設(shè)計中，何種情況下宜采用這一方法， 目前 尚無一般性的結(jié)論，加壓泵及其所在的供熱/空調(diào)系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)以適應(yīng)負(fù)荷的變化，也需要進(jìn)行 研究 。2 加壓泵代替調(diào)節(jié)閥可行性分析 設(shè)水系統(tǒng)有 k 個水環(huán)路，按照阻力從小到大的順序排列為： H 1 ,H 2 ,…,H k-1 ,H k  ，相應(yīng)的流量為 Q 1 ,Q 2 ,…,Q k-1 ,Q k  。用常規(guī)方法進(jìn)行水泵選型時，應(yīng)根據(jù)最不利環(huán)路選取水泵，即水泵流量為各個環(huán)路上的流量之和，揚程為最不利環(huán)路上的水力損失，再考慮到一定的富裕量。如果最不利環(huán)路的阻力與次最不利環(huán)路的阻力相差較大，則可以根據(jù)次最不利環(huán)路選取水泵（主循環(huán)泵或泵組）的揚程，而在最不利環(huán)路上再添加一加壓泵，見圖1。此加壓泵的流量應(yīng)為最不利環(huán)路上的設(shè)計流量，揚程為最不利環(huán)路上阻力與次最不利環(huán)路上阻力之差。這兩種方案的電機輸入功率分別為：(1)(2)式中 ρ  ,g 為水的密度和重力加速度， Q 為總流量，亦即各個環(huán)路上流量之和。 η   1   ，η   2  分別為兩種主循環(huán)泵及其電機的運行效率； η 為加壓泵及其電機的運行效率。后一種方法相對于常規(guī)方法的節(jié)能率為：(3)水泵型號不一，設(shè)計效率和運行效率均會有一定的差異，但國內(nèi)生產(chǎn)的新型泵或國外進(jìn)口泵，效率均較高，差異不大。作為方案的評估和節(jié)能分析，可以忽略這些差異。因此，有：(4) 顯然，使用加壓泵方案是節(jié)能的。節(jié)能率的高低與兩個因素有關(guān)。最不利環(huán)路與次最不利環(huán)路的阻力之比愈大，節(jié)能率愈高；最不利環(huán)路上流量與總流量的比值愈小，節(jié)能率愈高，見圖2。圖中橫坐標(biāo) H k /H k-1  為最不利環(huán)路與次最不利環(huán)路的阻力之比。當(dāng)兩者之比小于130%時，節(jié)能率一般不高于20%；當(dāng)兩者之比大于130%，最不利環(huán)路上的流量小于總流量的30%時，節(jié)能率不低于15%。顯然，如果采用常規(guī)方法設(shè)計，這些本可以節(jié)約下來的能量就被最不利環(huán)路以外的其他環(huán)路上的平衡閥或調(diào)節(jié)閥所消耗掉了。對于兩個或兩個以上環(huán)路上使用加壓泵，也不難得到總的節(jié)能率。假設(shè)主循環(huán)泵的揚程根據(jù)第i個環(huán)路上的水力損失而確定，則第i+1,i+2,…,k個環(huán)路使用加壓泵帶來的節(jié)能為：(5)即某一環(huán)路采用加壓泵的節(jié)能率和這一環(huán)路阻力與 參考 環(huán)路的阻力之比有關(guān)，和此環(huán)路上的流量與總流量之比有關(guān)。供熱、空調(diào)系統(tǒng)大部分時間內(nèi)是在非設(shè)計工況下運行，與之相應(yīng)的各個水環(huán)路上的流量也要發(fā)生變化，這一變化可能是通過冷熱源的臺數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也有可能直接對循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。無論是哪一種調(diào)節(jié)方式，如果不考慮閥門開度變化引起管路上阻抗的變化，則各個環(huán)路上的流量應(yīng)該等比一致地變化，以響應(yīng)各個環(huán)路上的末端散熱（冷）設(shè)備負(fù)荷等比一致變化的要求，即各環(huán)路間流量之比 Q i /Q j  和阻力之比 H i /H j  均不變。由于旁通的 影響 ，部分負(fù)荷下任一環(huán)路上流量與總流量之比 Q j /Q 應(yīng)小于設(shè)計工況情形。因此，由（5）式可見，部分負(fù)荷下的節(jié)能率不低于設(shè)計工況下的節(jié)能率。采用加壓泵方案，加壓泵代替了最不利環(huán)路以外其它環(huán)路上的平衡閥，且由于按照次最不利環(huán)路選泵，主循環(huán)泵較小，其投資可以得到降低。因此，加壓泵方案與常規(guī)方案相比，在一次投資方面也相差無幾。所以，當(dāng)最不利環(huán)路阻力較次最不利環(huán)路的阻力大30%時，或阻力大20％，同時最不利環(huán)路上流量較小時，宜考慮采用加壓泵方案。3 加壓泵的控制 方法  目前 工程中加壓泵方案 應(yīng)用 較少的原因，主要還在于人們對其控制管理的復(fù)雜程度有所顧慮。因此，探討簡便易行的控制方法就顯得尤為重要?？照{(diào)一次泵系統(tǒng)如圖1所示，為適應(yīng)負(fù)荷變化，常規(guī)的控制策略是，負(fù)荷側(cè)由溫控器調(diào)節(jié)末端空氣處理設(shè)備上的二通調(diào)節(jié)閥的開度，控制流過冷卻盤管的水流量；冷源側(cè)為保證通過冷水機組的流量恒定，根據(jù)供回水壓差，調(diào)節(jié)旁通管上調(diào)節(jié)閥的開度和旁通流量，以維持供回水壓差恒定。對于使用加壓泵的情形，仍然應(yīng)該采用上述控制策略，即保持加壓泵轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)末端設(shè)備上的調(diào)節(jié)閥開度以適應(yīng)負(fù)荷的變化，盡管在部分負(fù)荷情況下，這將使得調(diào)節(jié)閥與加壓泵的作用相互矛盾而有所抵消，也不得不如此。因為如果在最不利環(huán)路上將調(diào)節(jié)閥替換為變速泵，如圖3所示，則加壓泵的調(diào)速將不可避免地使得供回水總管的壓降 H ab  發(fā)生變化，不能滿足冷源側(cè)水流量恒定的要求。可見，調(diào)節(jié)閥與壓差控制器的聯(lián)合使用，不僅有流量調(diào)節(jié)作用，而且還有環(huán)路間的解耦作用，使得各環(huán)路相對獨立，當(dāng)然這是以一定的能耗為代價的。應(yīng)該指出，變速泵雖然節(jié)能，卻無解耦作用，會使控制變得復(fù)雜。從這里可以看出，變速泵代替調(diào)節(jié)閥也是需要一定條件的。如果主循環(huán)泵采用變頻調(diào)速方案，原則上可以在最不利環(huán)路上用加壓泵代替調(diào)節(jié)閥,但控制較為復(fù)雜，超出了本文的討論范圍。如果系統(tǒng)中冷熱水循環(huán)泵分設(shè)，由于通常熱水循環(huán)泵的流量和揚程較冷水循環(huán)泵的流量和揚程小許多，從節(jié)能管理角度考慮，加壓泵應(yīng)該采用變頻調(diào)速或變極調(diào)速來進(jìn)行調(diào)節(jié)。加壓泵所在管路的管路特性曲線可以表示為（6）式中 H ab  和 H 分別為供回水總管上的壓差和加壓泵揚程， S k  為最不利環(huán)路上負(fù)荷側(cè)的管路阻抗。圖4中曲線I和1分別對應(yīng)于空調(diào)供冷時管路特性曲線和加壓泵的性能曲線，A點為其工況點；曲線II和2分別為空調(diào)供熱情形下管路特性曲線和加壓泵調(diào)速時的性能曲線，B點為其工況點； H ab,   冷 和 H ab,   熱 為對應(yīng)的供回水總管上壓差，為確定值?？照{(diào)供熱時加壓泵的轉(zhuǎn)速可由水泵調(diào)速性能曲線方程 [4] (7)及工況點A和B求出。即將空調(diào)供熱時的工況點（ Q k,   熱 ， H k,   熱 ）代入上式，就可求得 r ，這里 r 為變速加壓泵供熱時轉(zhuǎn)速與供冷時轉(zhuǎn)速之比。上式中 a 0  ， a 1  和 a 2  為性能曲線的擬合系數(shù)。由圖可見，供熱與供冷時相比，加壓泵的流量減小較多，而揚程變化相對不大。在空調(diào)供冷和供熱時，變速加壓泵只要進(jìn)行一次性的初調(diào)節(jié)，就可確定加壓泵的轉(zhuǎn)速和電機的頻率，除了供冷、供熱季節(jié)之間轉(zhuǎn)換外，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。實際上，由于水泵并不需要連續(xù)可調(diào)，因此，不一定需要配置變頻器，用雙速電機即可?？梢姴捎眉訅罕梅桨?，并沒有增加控制方面的復(fù)雜程度，無論系統(tǒng)是否配有自控系統(tǒng)，均可采用。加壓泵一般可以安裝在回水管上，只要膨脹水箱的高度大于加壓泵的揚程，以保證加壓泵吸入側(cè)不會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，否則應(yīng)安裝在供水管上。4 結(jié)語 在供熱、空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計中采用加壓泵方案節(jié)能可行。節(jié)能率與兩個比值有關(guān)，即最不利環(huán)路與次最不利環(huán)路的阻力的比值和最不利環(huán)路上流量與總流量的比值。當(dāng)最不利環(huán)路阻力較次最不利環(huán)路的阻力大30%時，或阻力大20％，同時最不利環(huán)路上流量較小時，可以考慮采用加壓泵方案。加壓泵的控制方法可以沿用常規(guī)控制方法，空調(diào)供冷和供熱情形下加壓泵有簡便的調(diào)節(jié)方法。參考  文獻(xiàn)  1. 江億. 用變頻泵/風(fēng)機代替調(diào)節(jié)用水閥/風(fēng)閥的技術(shù) 經(jīng)濟(jì)  分析 . 暖通空調(diào). 1997, 27(5):66-712. 狄洪發(fā), 袁濤. 分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)在供熱中的節(jié)能分析. 暖通空調(diào). 2003, 33(2):90-933. 周英菁. 一次泵與加壓泵結(jié)合的供熱供冷站. 制冷技術(shù), 2003,(2):41-434. 李蘇瀧,朱孟標(biāo),張國強.水泵變頻調(diào)速方案 計算 機輔助論證.暖通空調(diào),2005,35(3):83-85