空调水系统的变流量设计方法探讨  

                                               武汉市建筑设计院 代伯清  

 摘  要：空调水系统的变流量设计是一个多环节多参数的复杂系统，采用单一的方法、单一的环节不可能同时解决节能性和平衡性的问题，因此本文提出在温差法控制的方式下，采用分布动力布置与脉动控制流量相结合的变流量设计方法，可以实现既平衡又节能的目标。

关键词：变流量   分布动力设计   压差法   温差法  节能   脉动调节控制 

1、空调水系统的变流量设计原理与方法

关于空调水系统的变流量设计，近来在节能要求的驱动下其应用日益广泛，实现的方法也多种多样。其基本的判断都是认为在以水为冷(热)传递媒介的空调系统中，其水的循环输送能量占整个空调能耗的比重较大，节省了输送能量也即节省了空调能耗，对此行家们都有共识，所不同的是采用什么样的原理、什么样的方法和什么样的设备才能实现限度的节能，方式方法不同结果可能很不一样。因此本文推荐采用二级或三级分布式动力设备布置模式和脉动控制模式相结合的方法，并就这一方式进行分析，认为这应是一种既在理论上成立，又在设备的实现上可行的一种设计方法，主要包含有二种思想，，控制模式，第二设备布置模式。

分布动力与脉动变流量系统设计的基本节能理念与方法：

1）尽可能降低系统的总阻力，包括机器阻力、阀门管件阻力（动态，静态）、末端盘管的阻力。

2）以供回水温度差作为变流量控制调节的依据。

3）将总供水泵，管道加压泵和末端空调机的开关控制三级设计作为一个完整可靠的分布式动力变流量系统的必须。

4）不设旁流、旁通管路。当然对于保证冷水机组最小流量的旁通，水系统净化用旁通净化器等功能用途另当别论。

5）采用变流量管道加压泵（或称三次泵）这种有源变动力方式代替固定或变阻力的无源无动力调节阀件。理论上说在各个支管环路上都装上变流量管道加压泵，具有的节能性与平衡性，究竟设多少？在何处设置？需要进行经济比较后决定。

6）尽可能用二通阀控制末端空调机，对于水流量较大的单台空调机采用温差控制调节阀调节水量以保证供水质量，另用变风量方式调节空调机组的负荷。不宜用回风温度作为水量调节的依据。

7）利用温差的主动性调节与利用压差的被动性反调节的脉动控制调节原理。

2、空调水系统变流量的意义、功能与主要矛盾

空调水系统变流量的意义在于以最小的输送动力消耗，按需供给末端装置的能量需求，即不会不足，也不会过余。在这个前提下还要满足系统的基本功能，即平衡性功能，也就是系统中的任一台末端空调器在任何时候都能得到所需要的水流量，其二就是节能性功能，以最小的流量，满足设定的供回水温差，需要时打开开通，不需要时随时关断以实现输送能量的节省。空调水系统变流量控制调节的矛盾就是管道的刚性特性与热力流动的弹性特性。以往的定流量系统中我们可以从机组的控制调节特性，水泵控制特性和空调末端的控制调节特性的分析看出，一切都是基于稳定性、可靠性而非节能性来设计的，因此具有很大的可探讨空间。

空调末端设备在使用上、负荷区域分布上具有随机性，而管道设备系统具有封闭性和刚性特性。这就使得一个具体的管网系统水力特性是可以处于多种状态、在时间和空间位置上是变化的。尤其是现在提倡个性化空调和空调冷暖运行期的延长，使得一年之中空调系统在部分负荷下运行的时间增多，因此对于空调水系统而言大大增加了对变流量运行方式的需求。

3、变流量运行方式的多样性分析

基于空调水系统闭式循环变流量运行方式的复杂性，如果只用一个方法，一种手段，一级技术措施，不可能同时解决所有的难题，例如节能性与均衡性之间的矛盾。

有许多的行内人士提出了多种水系统的节能设备，产品及其运行模式。从理念上来说分为二大类，一类是假定在设计施工时管网系统已经做到了很好的阻力平衡，并且在实际运行时可以忽略其负荷分布的不均匀性。在整个系统中不设（不动用）调节阀作为负荷调节手段。只要做到按恒温差来控制管网的总水流量的变化就是节能的，也即是基于相似性原理。使流量按温差的变化而变化的优点是简单、节能，前提是假定条件要能成立。第二类就是以满足某种特定参数的设计思想，如水泵衡压差法、水泵衡温差法、管路平衡阀法、管路电动恒流量阀法、管路电动恒压差阀法。这其中基于冷（热）源端，站在供给侧这一头来看的就有水泵恒温差法，水泵恒压差法。站在需求侧这一头来看的就有平衡阀法，电动恒流量阀法，电动恒压差阀法。

如何评价变流量系统的节能性，需要确定对照点，如以满负荷全流量满足所有末端空调器的需求，对末端空调水流量不调节作为水泵能耗，此时必然存在某些距离较近，阻力较小回路需要采取增大阻力的方法，消去多余的水力压头，以保证在设计的流量工况下的运行，此时水泵就有一个的流量，并在一个相应的扬程下工作。如果一旦用户采取了开、关水路阀门的运行调节方式，即减小水流量，在泵的某个压力流量特性范围内，会引起因其它管路流速变大阻力增加，因而压差增加，在水泵压差控制方法可以感知的情况下，减少泵转速使压差回复到原位，此时有节能效果。

如果其压差变化在管网中相互传递而被邻近管路减弱，使某些管段的流速增加，流量增加。而水泵处的供回水压差变化不明显，此时是不节能的，另外以管网中压力的波动作为负荷的波动描述也不具有的关联性，这仅仅反映了系统的平衡性。本文把利用这种原理的调节方式称之为正负零节能状态。对于采用各种平衡阀，恒压差平衡阀，恒流量阀，电动恒压差阀，其作用是保证水系统的平衡性，其自身应该是一个有损调节元件，其前提是系统压头资源有过余或过量因此要予以节制，其本身是不节能的。换句话说应该是使系统不过量的耗能，不使能耗大到不合理的程度，为了保证一个静态的最不利环路的设计工况，而让其它环路多耗能，本文把这种用阀调节方式称之为在＞1的范围内的节能性。

对于供回水温度差控制法，从原理上说一个末端空调机的负荷变化及其幅度最能从供回水温度差上反映，其可识别可控性较好。温度变化与负荷变化具有较好的关联性，通过此方法进行水流量的调节，才可以认为是在按需供给，因而具有的节能性。当然用温差乘流量的热量法，最为准确的反映了服务对象的负荷大小特性。

然而温差或热量的变化到了泵的出入口处，已是被平均化了，并不反映负荷分布的空间位置特征，当泵因转速变化而流量变化时，其扬程也随之变化，有可能使某些管路的流量被动性的下降或上升，导致平衡性被破坏，此法本文称之在＜1的范围内的节能性。

因此前面所述在机房的总供水泵供回水处只按恒温差或只按恒压差方式进行调节与控制，或者在系统中只采用平衡阀，恒压差阀，恒流量阀各自单独应用都是不可能达到既节能又平衡的目的。

4、变流量系统设计的关联性问题

作为变流量系统设计的一部分，必然要涉及到各相关的设备及其特性、特征、限制条件是什么，如冷水机组、水泵的类型，单机与多机并联后的差别等。

4.1　关于冷（热）水机组的限制条件各生产厂家出厂时的要求都很相近，其一，当温度低于某值，例如目前允许出水温度4.0℃，蒸发器有冻结的危险；其二，当水流量小于某值，目前多为75%时，其蒸发器的传热效果会变差；其三，在变流量的过程中对流量的增减速率要有控制，以使机器的制冷调节控制过程能够适应。

4.2　关于水泵机组：是单泵的效率高或是多泵并联的效率高；泵特性曲线是较平还是较陡；是采用台数控制或是变转速控制，还是两者相结合方式。

4.3 关于系统节能的限制条件：如提高蒸发温度的节能原理，增大供回水温度差，即用即开方式，利用末端空调盘管的流量与冷（热）负荷能力的非线型原理。

从以上几点分析可知，当考虑设计使一个水系统采用变流量节能方式时，需要考虑各个相关设备、系统的特性并采取有效的应对措施，才有可行性，才能创造一个基本的前提条件。本文只限于从水输送系统设计的角度探讨，并未深入涉及冷（热）源机器的节能控制与调节，并非此问题不重要，只是涉及到机器时其着眼点就转移到制造商的设计上去了，而非系统设计工程师的工作范围了，作者将另有专文来分析其冷（热）源机器的节能性方法。

小结：

1、指出用单一方式，单一级措施不能同时解决变流量中的节能性和平衡性问题。

2、提出一次泵、加压泵（三次泵）、末端二通控制三级设计的分布动力布置模式。

3、将水系统中设备、阀门和控制调节手段区分为＞1、±1、＜1区间进行节能性质的描述。

4、提出温差主动性调节与压差的被动性反调节的脉动控制调节原理。