譚　亮（東莞市建筑設(shè)計(jì)院，廣東　東莞　523000）

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空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能與水力平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)的思考

譚亮（東莞市建筑設(shè)計(jì)院，廣東東莞523000）

中央空調(diào)水系統(tǒng)的能耗通常占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗比重較大，空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能也越來越受到重視。同時(shí)，空調(diào)水系統(tǒng)又存在著水力平衡的要求，也只有在保證水力平衡的條件下，空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能才有實(shí)際意義。本文從空調(diào)水系統(tǒng)的典型形式出發(fā)，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的水力平衡進(jìn)行思考，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的目的。

空調(diào)水系統(tǒng)；水力平衡；節(jié)能；閥權(quán)度

引言

步入21世紀(jì)后，我國城市化進(jìn)程加速推進(jìn)，面臨的環(huán)境及資源等問題越來越嚴(yán)重，建筑節(jié)能也越來越受到更多關(guān)注。由于空調(diào)能耗占建筑能耗比重很大，所以空調(diào)節(jié)能也成了建筑節(jié)能的一個(gè)關(guān)鍵。就目前的空調(diào)技術(shù)而言，單一空調(diào)設(shè)備節(jié)能潛力比較有限，但系統(tǒng)整體控制還有節(jié)能潛力可挖，尤其是當(dāng)前許多實(shí)際空調(diào)工程水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于水力失調(diào)的原因，即使采用了節(jié)能新技術(shù)，其節(jié)能性遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)水力平衡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是很有必要的。

1　空調(diào)水系統(tǒng)水力平衡

水力失調(diào)是許多實(shí)際空調(diào)工程運(yùn)行存在的通病。文獻(xiàn)［1］將空調(diào)水力失調(diào)分為靜態(tài)水力失調(diào)與動(dòng)態(tài)水力失調(diào)兩類，因此，對(duì)應(yīng)的也有靜態(tài)水力平衡與動(dòng)態(tài)水力平衡兩種形式的解決方法。

1.1靜態(tài)水力平衡

靜態(tài)水力平衡要求在設(shè)計(jì)工況下水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)能與設(shè)計(jì)值相吻合。以目前的技術(shù)水平來看，靜態(tài)水力平衡已經(jīng)不是太大問題，通過安裝靜態(tài)水力平衡閥等手段就能達(dá)到要求。

當(dāng)然，對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)是否需要安裝靜態(tài)水力平衡閥也還是存在爭議的，主要集中在以下兩點(diǎn)：

（1）安裝靜態(tài)平衡閥增加了系統(tǒng)阻力，對(duì)節(jié)能不利，甚至不滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

（2）與末端串聯(lián)的靜態(tài)平衡閥降低了末端電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度，降低了回路的動(dòng)態(tài)水力平衡性能。

但從筆者看來，以上兩點(diǎn)都不是問題。

（1）水力平衡的重要性要超過節(jié)能，水力失調(diào)的系統(tǒng)其節(jié)能性沒有太多討論價(jià)值。而安裝了靜態(tài)平衡閥的供回水管路可以省去安裝檢修用的截止閥，實(shí)際上阻力并未有明顯的增大。同時(shí)，若是空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）有關(guān)耗電輸冷比的要求，通常更深原因應(yīng)該是整個(gè)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有問題，而不僅僅是安裝了靜態(tài)平衡閥而所致。

（2）未安裝靜態(tài)平衡閥時(shí)，控制閥全開，有些回路有利過流量而導(dǎo)致其他回路欠流量。有人提出這些支路可以通過關(guān)小末端電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的一部分閥位來達(dá)到設(shè)計(jì)流量，省去安裝靜態(tài)平衡閥；在此情況下，本身就要犧牲電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一定的控制性能來保證靜態(tài)水力平衡，按公式計(jì)算出來的閥權(quán)度并未完全反映這種情況下閥門特性的偏離，而應(yīng)該用實(shí)際閥權(quán)度［1］來討論這個(gè)問題，后文將詳述。

此外，某些動(dòng)態(tài)平衡閥同時(shí)具有靜態(tài)平衡閥的功能，若安裝了此類閥門則可以省去安裝靜態(tài)平衡閥。

1.2動(dòng)態(tài)水力平衡

對(duì)于定流量系統(tǒng)只需考慮靜態(tài)水力平衡，對(duì)于變流量系統(tǒng)則還需考慮動(dòng)態(tài)水力平衡。而在《民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范》中已經(jīng)明確規(guī)定除設(shè)置一臺(tái)冷水機(jī)組的小型工程可采用定流量系統(tǒng)外，其余皆應(yīng)采用變流量系統(tǒng)。

變流量系統(tǒng)末端須設(shè)置電動(dòng)閥門來調(diào)節(jié)水量 （本文不討論通斷閥），目前主要是采用電動(dòng)兩通閥。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制性能是以定壓方式給出的，但是，系統(tǒng)末端流量的調(diào)節(jié)會(huì)引起壓力的變化，閥門調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生互相干擾，使閥門控制特性產(chǎn)生偏離，當(dāng)閥門特性偏離程度較大時(shí)，閥門閥位微小的變化，冷量的輸出變化卻很大，此時(shí)，要想穩(wěn)定的控制是不可能的，這會(huì)導(dǎo)致閥門頻繁關(guān)啟。動(dòng)態(tài)水力平衡簡單來說就是采用技術(shù)手段消除回路互擾，使控制閥兩端壓差不產(chǎn)生較大偏差。

但是，文獻(xiàn)［1］提出并不存在絕對(duì)意義的動(dòng)態(tài)水力平衡，并給出了閥門特性偏離的參考指標(biāo)——閥權(quán)度β的定義：

式中：ΔPmin——調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的壓力損失（Pa）；

ΔP——調(diào)節(jié)閥所在支路資用壓頭（Pa）。

同時(shí)還指出，變流量系統(tǒng)中，只有所有調(diào)節(jié)閥閥權(quán)度為1才能完全實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水力平衡，實(shí)際工程中由于多種原因難以實(shí)現(xiàn)，或沒有必要。

2　典型的空調(diào)水系統(tǒng)形式

前文提到只有變流量系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)較為理想的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)水力平衡，《民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了兩類變流量系統(tǒng)（限于篇幅本文僅討論一級(jí)泵系統(tǒng)）：變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組定流量）、變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組變流量）。

2.1變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組定流量）

早期的空調(diào)工程由于冷機(jī)并不具有變流量的功能只能設(shè)計(jì)為變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組定流量），這種系統(tǒng)可以看成是二次泵變流量系統(tǒng)的簡化版。系統(tǒng)供回水回路分為負(fù)荷側(cè)與主機(jī)側(cè)，主機(jī)側(cè)定流量運(yùn)行，負(fù)荷側(cè)變流量運(yùn)行，部分負(fù)荷時(shí)負(fù)荷側(cè)多余水量通過總供回水管之間的旁通管轉(zhuǎn)回主機(jī)側(cè)。

此系統(tǒng)只能通過機(jī)組臺(tái)數(shù)控制來節(jié)約水泵能耗，負(fù)荷變化在一定的范圍水泵能耗是恒定的 （與機(jī)組負(fù)荷搭配有關(guān)），節(jié)能效果稍差。但如果從初投資的角度考慮，這種系統(tǒng)是具有優(yōu)勢(shì)的，目前應(yīng)用還是很廣泛。

對(duì)于變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組定流量）的控制，規(guī)范推薦采用壓差控制供回水干管之間旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的方式。

2.2變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組變流量）

隨著制冷機(jī)組變流量運(yùn)行技術(shù)有了新進(jìn)展，在主機(jī)選用具有變流量運(yùn)行功能的型號(hào)時(shí)，為了最大限度的節(jié)約水泵能耗，主機(jī)側(cè)的定頻泵可以改為變頻泵實(shí)現(xiàn)主機(jī)側(cè)亦變流量運(yùn)行，旁通管僅在系統(tǒng)運(yùn)行水量低于主機(jī)最小流量限值時(shí)才投入使用。

變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組變流量）的控制方式比較多，包括壓差、溫差、流量等方式。通常情況下，壓差控制方式響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、最具優(yōu)越性，而壓差控制又可分為干管定壓差、末端定壓差及變壓差三種方式，其中末端定壓差方式是規(guī)范推薦采用的方式，但問題是最不利末端的辨識(shí)困難，以及最不利水力末端與最不利熱力末端的不一致可能會(huì)導(dǎo)致部分末端欠流量；變壓差控制方式理論上最為節(jié)能，但是這種方式需要系統(tǒng)每個(gè)末端都設(shè)置壓力傳感器，控制過于復(fù)雜，初投資又過大；而干管定壓差的控制方式相對(duì)而言簡便易行，目前變流量系統(tǒng)（冷水機(jī)組變流量）的控制方式還是以干管定壓差調(diào)節(jié)變頻水泵轉(zhuǎn)速的方式應(yīng)用最廣［2］。

3　水力平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)的思考

前文已述及，目前空調(diào)工程靜態(tài)水力平衡基本不是問題，而對(duì)于動(dòng)態(tài)水力平衡，文獻(xiàn)［1］和《民規(guī)》第9.2.5條都提出調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)選型時(shí)，使其閥權(quán)度在一定的取值范圍能保證閥門的調(diào)節(jié)質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

但文獻(xiàn)［2］認(rèn)為閥權(quán)度的定義是以支路資用壓差恒定得出的，而實(shí)際空調(diào)水系統(tǒng)通常都是變壓差支路，如果低負(fù)荷運(yùn)行，支路資用壓力上升，閥門全開時(shí)支路就已經(jīng)超流量，這種情況下閥門的調(diào)節(jié)特性是更嚴(yán)重偏離的。計(jì)算的閥權(quán)度卻因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥全開的作用壓差與支路實(shí)際壓差等比例改變保持恒定。因此，提出優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)——實(shí)際閥權(quán)度βs來描述閥門特性的偏離。實(shí)際閥權(quán)度比閥權(quán)度更具設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

式中：ΔP0——調(diào)節(jié)閥全開并且為設(shè)計(jì)流量時(shí)的壓力損失（Pa）；

ΔPS——調(diào)節(jié)閥所在支路實(shí)際總壓力損失（Pa）。

文獻(xiàn)［2］還提出最小閥權(quán)度的概念，其指出在負(fù)荷極低時(shí)，管道與附件的壓力降可以忽略不計(jì)，調(diào)節(jié)閥的壓差為水泵揚(yáng)程，定義最小閥權(quán)度為：

式中：ΔP0——調(diào)節(jié)閥全開并且為設(shè)計(jì)流量時(shí)的壓力損失（Pa）；

H——水泵揚(yáng)程（Pa）。

認(rèn)為設(shè)計(jì)支路的調(diào)節(jié)閥的最小閥權(quán)度必須大于0.25。當(dāng)水系統(tǒng)支路閥門的最小閥權(quán)度小于0.25時(shí)，一旦系統(tǒng)總負(fù)荷與該支路負(fù)荷同時(shí)降至較低時(shí)，該支路的閥門調(diào)節(jié)基本上處于失控狀態(tài)。

對(duì)于文獻(xiàn)［2］的觀點(diǎn)，筆者部分贊同，但也有不同看法。同時(shí)，受此啟發(fā)筆者提出優(yōu)化方法。

（1）當(dāng)變流量系統(tǒng)采用末端定壓差控制方式時(shí)，系統(tǒng)的定壓點(diǎn)在末端，系統(tǒng)負(fù)荷降低時(shí)，各支路的資用壓差是下降的，而不是上升為水泵揚(yáng)程，閥門的控制特性反而是向有利控制方向偏離（末端控制閥有可能全開欠流量，但這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題）。這種情況下，按規(guī)范直接采用閥權(quán)度作為調(diào)節(jié)閥選型的參考并無太大問題。

（2）當(dāng)變流量系統(tǒng)采用以干管定壓差控制方式時(shí)，系統(tǒng)定壓點(diǎn)在主機(jī)側(cè)與負(fù)荷側(cè)的分界處，系統(tǒng)負(fù)荷降低時(shí)，各支路末端調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)最大壓差應(yīng)接近干管定壓點(diǎn)的壓差，即設(shè)計(jì)工況時(shí)水泵揚(yáng)程減去主機(jī)側(cè)水阻，以此重新定義最小閥權(quán)度為：

式中：ΔP0——調(diào)節(jié)閥全開并且為設(shè)計(jì)流量時(shí)的壓力損失（Pa）；

H——水泵揚(yáng)程（Pa）；

ΔPZ——設(shè)計(jì)工況時(shí)，主機(jī)側(cè)總壓力損失（Pa）。

其限值仍為0.25。所以，當(dāng)變流量系統(tǒng)采用以干管定壓差控制方式時(shí)，若校核支路調(diào)節(jié)閥發(fā)現(xiàn)其不滿足最小閥權(quán)度要求時(shí)，對(duì)該支路應(yīng)采用定壓技術(shù)措施或選用一體閥等方法來解決。

4　結(jié)論

（1）空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能潛力很大，但實(shí)際工程中空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)降低了節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的效果。

（2）空調(diào)水系統(tǒng)采用靜態(tài)水力平衡閥來滿足靜態(tài)水力平衡要求，具有實(shí)用性，存在的一些爭議并不構(gòu)成明顯影響。

（3）閥權(quán)度的概念對(duì)于動(dòng)態(tài)水力平衡而言不夠完善，建議設(shè)計(jì)時(shí)兼顧參考文獻(xiàn)［2］提出的實(shí)際閥權(quán)度。

（4）空調(diào)水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力平衡應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)控制方式的不同來確定支路的控制閥門的選型或附加技術(shù)措施的應(yīng)用。變流量系統(tǒng)采用末端定壓差控制方式，其支路可直接參照規(guī)范的閥權(quán)度取值范圍來選用控制閥，當(dāng)變流量系統(tǒng)采用干管定壓差控制方式，其支路控制閥應(yīng)在滿足規(guī)范對(duì)閥權(quán)度的取值要求的同時(shí)，校核是否滿足本文定義的最小閥權(quán)度要求，若不滿足，則建議采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

［1］陸耀慶.《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］羅伯特.帕蒂瓊，著.楊國榮，胡仰耆，譯.《全面水力平衡——暖通空調(diào)水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)》［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］徐 偉，等編.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)指南［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］趙天怡.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)變壓差設(shè)定值優(yōu)化控制方法［D］.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

［5］范存養(yǎng)，楊國榮，葉大法，編著.高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2013.

譚 亮（1984-），男，注冊(cè)公用設(shè)備工程師，注冊(cè)咨詢工程師，碩士研究生，主要從事暖通空調(diào)與節(jié)能技術(shù)工作。

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2095-2066（2016）11-0081-02

2016-3-8