空调变流量水系统的设置方案及运行工况分析

收稿日期:2004-10-12基金项目:北京市重点试验室开放课题资助(KF200304)作者简介:李彬(1975-),男,山东禹城人,山东建筑工程学院热能工程学院硕士研究生,工程师,研究方向:空调节能与自动控制.文章编号:1003-5990(2005)01-0072-04

空调变流量水系统的设置方案及运行工况分析

李彬1,李峻2,肖勇全1,李震1,马秀力1

(1.山东建筑工程学院热能工程学院,山东济南250014;2.山东乐城置业公司,山东济南250014)

摘要:通过分析一个实际工程的机组负荷报告,说明采用变流量系统的必要性,对变流量系统及其节能原理进行了介绍。根据管道水力特性曲线与水泵的性能曲线,运用理论分析的方法,对影响末端定压差控制方式的因素和该控制方案的利弊进行了分析。利用特性曲线对变速泵与定速泵并联运行工况进行了讨论,指出其正确切换步骤。得出结论:压差设定值越大,该控制方案节能效果越不显著;基于阀门开度和变压差设定值的改进方案具有显著的节能效果;变速泵与定速泵并联比定速泵之间的并联节能效果显著。关键词:变流量系统;变频;定压差;特性曲线;节能中图分类号:TK124󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

Analysisofsettingplanandrunningconditioninvariablewaterflowsystem

LIBin1,LIJun2,XIAOYong-quan1,etal.

(1.SchoolofHeatEnergyEngineering,ShandongUniversityofArchitectureandEngineering,Jinan250014China;2.ShandongLechengRealEstateCrop.,Jinan250014China)

Abstract:Thenecessityofapplyingvariablewaterflowsystemsisanalyzed.Variablewaterflowsystemsandtheirtheoryofenergy-savingarerecommended.Factorsaffectingconstantpressuredifferencecontrolmethodand

advantagesanddisadvantagesofthecontrolplanareanalyzedtheoreticallythroughpipesystemheadcurveand

pumpperformancecurve.Runningconditionsofparalle-lconnectedvariableandconstantspeedpumparedis-

cussedusingpumpperformancecurve,andthecorrectswitchstepsarepointedout.Conclusionsaredrawnthatthemorethevalueoftheconstantpressuredifferenceis,thelesstheeffectsofthecontrolplanare,andvice

versa;andthattheimprovedplanbasedonvalveliftandvariablepressuredifferencehassensibleeffectsofener-

gy-saving;andthattheenergy-savingeffectofparalle-lconnectedvariableandconstantspeedpumpsismoresen-siblethanthatofconstantspeedpumps.

Keywords:variablewaterflowsystem;variablefrequency;constantpressuredifference;systemheadcurve;ener-

gy-saving

0󰀁引言

󰀁󰀁空调系统设计和设备的选型都是按照设计工况

进行计算的,但是一年之中的绝大多数时间机组在部分负荷下运行,流量调节靠盘管前阀门节流和泵的运

行台数实现。节流调节是通过调节阀门改变管道特

性曲线,使之与水泵特性曲线的交点即水泵的运行工

况点发生改变,从而起到调节流量的目的。这种做法第20卷第1期2005年3月󰀁󰀁山东建筑工程学院学报JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITYOFARCHITECTUREANDENGINEERING󰀁󰀁Vol.20No.1Mar.2005虽然减少了流量但提高了泵的扬程,满足了流量要求

却不节能。靠改变泵的运行台数使流量发生成倍增

加或减少,能起到一定调节作用,但调节的范围是有

限的。解决这种状况的方法就是要采取变流量系统。

1󰀁系统简介及节能原理

󰀁󰀁运行过程中冷冻机大多在很低负荷下运行,随着

室外温度及室内人流的变化,负荷在30%~60%设计范围内波动。实际运行还发现供回水温差明显小于

设计温差5󰀁,系统存在󰀁大流量小温差󰀁现象,造成水

泵耗能严重。因此,有必要采取变流量系统设计,以

节约部分负荷下水泵的耗能。变流量系统是在末端设备处(如风机盘管、组合

式空调箱等)设自动控制的电动二通阀,阀门的开启

度由室内温度控制器控制,对通过盘管的流量进行自主调节,从而保证室内温度在允许范围内波动。这种

流量的变化通过加设水泵变频器进行调速来实现,同

时注意到阀门开启度的变化并不能保证变化的流量

按照要求进行分配,所以还要有相应的控制系统[1,2]。图1给出一个一二次泵的系统图,其中一次泵为

固定转速的定速泵,二次泵为一台变速泵和一台定速

泵并联,采用末端定压差控制方式。

图1󰀁一二次泵系统图󰀁󰀁在理想工况下,如果要求流量降Q为0.5W,如

图2所示,仅靠管道特性曲线调节,泵的扬程H比原

先大了h1,流量的减少本应导致系统所需要的压力

减少,但泵却提供更高的压头,这部分压头只消耗在

阀门处,造成了能量浪费。当采用变频技术时,水泵

转速降为一半,泵的输出流量为0.5W,由公式WW󰀁=nn󰀁HH󰀁=(nn󰀁)2NN󰀁=(nn󰀁)3可知泵的耗能降为原先的

1/8。据调查空调负荷在一年内有98%时间在80%负

荷下运行,80%时间在50%~60%负荷下运行。根据冷盘管的传热特性,通过末端盘管的冷冻水流量与供

回水的温度差均发生变化,盘管负荷与流经水量并不

是线形变化,50%设计水量能提供75%的盘管负荷,而50%的水量可以节省泵的能耗87.5%,理论上具有很大的节能空间。

图2󰀁水泵变频调速节能原理图

2󰀁用特性曲线分析末端定压方式的利

弊及改进方式

实际上,由于阀门的自主调节,管路的特性曲线

是变化的,并且流量是要重新分配的,减少后的流量

并不能按照要求进行分配,需要采取一定的控制措施。为了保证系统的正常运行,常采取末端定压差控

制方式,压差设定值取为设计流量时最不利环路支路

的压差值。这种做法无论工况怎样变化都能保证末端设备

的正常工作,因为末端环路是最不利环路,是最容易

发生水力失调的部位。末端环路设备保证了可以正

常工作,其它支路也相应得到保证,因此这种控制方式比较安全可靠。

但这种选择也是以牺牲一定的能量为代价的。

当要求流量变为设计流量一半时,如图3所示,理想情况下,水泵变频调速,运行工况点为D,转速为n4;

实际上由于阀门的自主调节,管道水力特性曲线发生

变化,由󰀁变为󰀁󰀂,当末端压差设定值为󰀁P时,相应

的控制曲线由󰀁变为󰀁󰀂,运行工况点为B,水泵变频调73󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁李彬等:空调变流量水系统的设置方案及运行工况分析󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁速,转速为n2;当末端压差设定值为0.5󰀁P时,相应

的控制曲线为󰀁,运行工况点为C,水泵变频调速,转

速为n3;通过比较可以得到:n4

󰀁󰀁A:设计工况下水泵的运行工况点;B、C、D:变频时水泵的运行工况点。󰀁:设计工况(流量W)下的管路水力特性曲线;󰀁󰀂:运行工况(流量0.5W)下的管路水力特性;󰀁:设计工况(流量W)下末端定压值为󰀁P时的控制曲线;󰀁󰀂:运行工况(流量0.5W)下末端定压值为󰀁P时的控制曲线;󰀁:运行工况(流量0.5W)下末端定压值为0.5󰀁P时的控制曲线;n1:定速时水泵的Q󰀁H性能曲线:n2、n3、n4为变频时水泵的Q󰀁H性能曲线。

图3󰀁末端定压差控制方式下水泵运行节能原理图

󰀁󰀁由此我们可以得到:在末端定压差控制方式下,

系统运行时泵的转速比理想状况时要高,因此耗能要

大。其中影响因素主要有两种,一是自动控制阀门的

调节对系统阻抗S的影响,当S变化明显时,管道特

性曲线就会变陡峭,相同流量下,水泵的转速就会高。

另一个因素与压差的设定值有关,如图3中,压差控

制曲线和管路系统曲线之间的区域为该种压差控制

耗费的能量,从图中可以看出,设定值越高,与理想状

况相比,耗能偏差越大。设定值的大小是受综合因素影响的,把最不利环

路在设计工况下的压差设为压差设定值,这样做是有

一些问题的。变流量系统是一个十分复杂的过程,影

响因素往往是随机的,用一种控制方法很难解决。

由于阀门开启度的变化在一定程度上反映了负

荷的大小,因而可以作为调节的参数。综合考虑压差

设定值和阀门的开启度,把设定值考虑成一个可变

值,采用如图4所示的控制方式,具体做法如下:(1)任何时候所有的阀门开启度都小于90%,这

种状态连续保持10min,把压差传感器的设定值减少

10%;

(2)任何时候所有的阀门开启度都大于95%,这种状态连续保持8min,把压差传感器设定值增加10%[3,4]󰀁󰀁。

图4󰀁基于阀门开度和变设定压差的控制方式原理图

3󰀁用特性曲线分析变速泵与定速泵并

联运行工况

󰀁󰀁在一些大的空调系统中,传统设计都是设几台制

冷机组并联运行,当室内是低负荷时单台机组运行,负荷逐渐加大到一定程度则切换到多台运行。采用

变速泵与定速泵并联运行,会有显著的节能效果。

如图5所示,曲线n1、n2、n分别是变速泵在

50%、80%、100%转速下的特性曲线,W1、W2、W3为变速泵单独运行时对应的流量。W4、W5、W6分别是变

速泵在50%、80%、100%的转速下与定速泵并联时系

统总的流量,W11、W22、W33分别是变速泵在50%、80%、100%的转速下与定速泵并联时,变速泵单独提

供的流量。曲线󰀁、󰀁分别是管道的特性曲线。

图5󰀁变速泵与定速泵并联运行工况原理图󰀁󰀁在变速泵相同转速下,W11

当于两台性能不同的设备并联,压头小的设备输出流

量小。因此当变速泵与定速泵并联时,在一定范围内变速泵对系统流量和压头不起作用,只是在消耗能量

(有转速,但流量为零),这是在并联运行中应注意的。

图中A点为切换点,此时变速泵不起作用。另外并联运行后能否正常运行,关键看是否能很好地切换。74󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁山东建筑工程学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2005年󰀁