周謹(jǐn)

摘要：中國(guó)作為世界能源大國(guó)，電力能源消耗位居世界第二，有25%的來源于建筑能耗，其中暖通空調(diào)系統(tǒng)占了很大的比例。有效提高供暖空調(diào)水系統(tǒng)的效率，將在滿足人們生產(chǎn)生活需求的同時(shí)，起到節(jié)能減排的作用。為此，本文在概述供暖空調(diào)水系統(tǒng)工作特性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了提高供暖空調(diào)水系統(tǒng)效率的有效措施，并展望了供暖空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)暖通空調(diào)技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。

Abstract： China， as a big energy country in the world， has the second largest energy consumption in the world， and 25% of it comes from building energy consumption， of which the HVAC system accounts for a large proportion. Effectively improving the efficiency of the heating and air-conditioning water systems will play a role in saving energy and reducing emissions while satisfying people's production and living needs. For this reason， based on an overview of the operating characteristics of heating and air conditioning water systems， this paper analyzes in detail the effective measures to improve the efficiency of heating and air conditioning water system， and looks forward to the development trend of energy saving in heating and air conditioning water system， providing theoretical basis for the development of HVAC technology in China.

關(guān)鍵詞：供暖空調(diào)水系統(tǒng)；變流量；壓差控制；溫差控制

Key words： heating and air-conditioning water system； variable flow；differential pressure control；temperature difference control

中圖分類號(hào)：TU831.3+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）21-0154-02

0 引言

我國(guó)屬于發(fā)展中國(guó)家，同樣也屬于能耗大國(guó)，每年的建筑耗能約占電力能耗的25%，單位面積的建筑耗能遠(yuǎn)高于其它發(fā)達(dá)國(guó)家。而據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在建筑能耗中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的占比超過50%；而在暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能中，大約有18%是由暖通空調(diào)系統(tǒng)中的循環(huán)泵消耗的。因此，減少供暖空調(diào)水系統(tǒng)耗能，提高供暖空調(diào)水系統(tǒng)的工作效率，是現(xiàn)階段建筑節(jié)能的重要關(guān)鍵之一。而供暖空調(diào)水系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能一方面與技術(shù)優(yōu)化有關(guān)，另一方面則涉及能源管理的方式?；诖?，本文結(jié)合多年暖通空調(diào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析了供暖空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行、控制的相關(guān)措施，并展望了供暖空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步促進(jìn)暖通空調(diào)技術(shù)的發(fā)展。

1 目前我國(guó)供暖空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，我國(guó)供暖空調(diào)采用水系統(tǒng)的供能形式主要包含由集中能源站供能的區(qū)域能源中心供能方式和建筑自帶能源機(jī)房的分散供能方式二種。

對(duì)建筑自帶能源機(jī)房的供能系統(tǒng)多采用定速水泵的一級(jí)泵系統(tǒng)，水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)多數(shù)是通過臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，即采用多臺(tái)循環(huán)泵并聯(lián)的方式，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，改變循環(huán)泵運(yùn)行的數(shù)量，從而滿足負(fù)荷變化的需要。但是，這種方式對(duì)系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)只能階梯型的，無法做到無極調(diào)節(jié)。另外，由于水泵并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行臺(tái)數(shù)減少時(shí)，會(huì)造成管道特性曲線的偏移，因而循環(huán)泵流量偏大，實(shí)際水泵功率消耗大于設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，從而加大了實(shí)際的輸送能耗，甚至?xí)斐伤秒姍C(jī)過載。

對(duì)采用集中能源站供能的區(qū)域能源中心供能方式，其輸送到用戶側(cè)的水系統(tǒng)通常為變流量系統(tǒng)，通過對(duì)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)區(qū)域供能的規(guī)模，采用二級(jí)泵系統(tǒng)甚至三級(jí)泵系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，一般二級(jí)泵、三級(jí)泵都會(huì)采用變頻調(diào)速循環(huán)泵，根據(jù)用戶側(cè)的供回水壓差調(diào)節(jié)循環(huán)泵的工頻，從而減少循環(huán)泵能耗。但是對(duì)區(qū)域能源中心來說，其提供給用戶的供回水在接入用戶后往往不受其控制，因而末端壓差控制點(diǎn)通常只能設(shè)置在用戶供回水接口處，在很多工程中，為了管理方便甚至直接設(shè)置在能源機(jī)房?jī)?nèi)，此時(shí)由于壓差設(shè)定值本身離水系統(tǒng)揚(yáng)程非常接近，因此通過變頻調(diào)速來減少流量的余地就非常小，常常起不到應(yīng)有的節(jié)能效果。

2 供暖空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能措施

2.1 采用變頻變流量系統(tǒng)

如前文所述，大量工程案例采用了定速水泵的一級(jí)泵系統(tǒng)，其流量調(diào)節(jié)為臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)，循環(huán)泵能耗普遍比較大，因此采用一級(jí)泵變流量系統(tǒng)（變速調(diào)節(jié)）將有效減少這一部分能耗。由于在一級(jí)泵變流量系統(tǒng)的設(shè)置中，不要求循環(huán)泵與冷機(jī)的一一對(duì)應(yīng)，因此循環(huán)泵在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)更能夠發(fā)揮其變頻運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，同樣的流量，根據(jù)不同的管路特性曲線需求，進(jìn)行不同數(shù)量的循環(huán)泵組合，實(shí)現(xiàn)最小的能耗。有研究指出，在一定條件下，通過多泵并聯(lián)變速運(yùn)轉(zhuǎn)，相對(duì)于單泵運(yùn)行而言，可以極大降低循環(huán)泵的耗能。而在變頻變流量系統(tǒng)中，并聯(lián)的循環(huán)泵部分運(yùn)行時(shí)，同樣可以進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，循環(huán)泵的工作點(diǎn)變化與管路特性曲線的契合度會(huì)更高，從而避免流量過大現(xiàn)象。

當(dāng)然，在一級(jí)泵變流量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須充分控制冷機(jī)蒸發(fā)器的流量變化范圍，避免出現(xiàn)蒸發(fā)器流量過小而凍結(jié)的情況，目前市場(chǎng)上主要的冷機(jī)產(chǎn)品，離心機(jī)組、螺桿機(jī)組的蒸發(fā)器最小流量一般都可以達(dá)到額定流量的50%以下，足以支持變頻變流量系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。

2.2 合理設(shè)置壓差控制點(diǎn)

對(duì)于變流量系統(tǒng)來說，壓差控制點(diǎn)的位置決定了水系統(tǒng)變頻運(yùn)行的節(jié)能潛力。

如圖1所示，在變流量系統(tǒng)中，在冷熱源、空調(diào)末端均相同的情況下，分別在A、B、C三個(gè)位置設(shè)置壓差控制點(diǎn)。假設(shè)循環(huán)泵的揚(yáng)程為30m，A、B、C三個(gè)位置在額定工況下的壓差分別為22m、18m、10m。因此，如果分別以這三個(gè)點(diǎn)為依據(jù)進(jìn)行循環(huán)泵的變頻控制將會(huì)得到完全不同的結(jié)果。

很明顯，如果選取A點(diǎn)作為壓差控制點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)流量減小，A點(diǎn)壓差小于22m時(shí)，循環(huán)泵將不會(huì)再減頻，因此循環(huán)泵的變頻幅度是最小的；而選取C點(diǎn)作為壓差控制點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)流量減少，只要保證C點(diǎn)的10m壓差，循環(huán)泵的減頻幅度將是最大的。所以在供暖空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)將變流量系統(tǒng)（含二級(jí)泵、三級(jí)泵系統(tǒng)）的壓差控制點(diǎn)盡可能設(shè)置在系統(tǒng)的最末端，避免設(shè)置在能源機(jī)房?jī)?nèi)。

2.3 引入溫差控制

在實(shí)際的工程案例中，由于各種各樣的原因，會(huì)出現(xiàn)大流量、小溫差現(xiàn)象，有些是因?yàn)槔錈嵩?、循環(huán)泵的附加系數(shù)過大，有些是因?yàn)槟┒说目刂瞥霈F(xiàn)問題，還有一個(gè)原因是當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行的循環(huán)泵只有部分運(yùn)行時(shí)（其實(shí)是供暖空調(diào)系統(tǒng)的常態(tài)），循環(huán)泵工作點(diǎn)發(fā)生偏移，系統(tǒng)流量超過實(shí)際需求的流量。都會(huì)造成大流量、小溫差現(xiàn)象。這時(shí)，如果在控制邏輯中引入溫差控制，將會(huì)有效解決這一頑疾。

溫差控制是在保證系統(tǒng)供水溫度不變的情況下，檢測(cè)回水溫度，計(jì)算供回水溫差，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差，然后根據(jù)這一偏差通過控制器對(duì)相關(guān)控制閥門進(jìn)行控制，控制循環(huán)泵變頻，達(dá)到節(jié)能的目的。

但如果在一級(jí)泵變流量系統(tǒng)中，直接采用溫差控制法對(duì)循環(huán)泵的變頻進(jìn)行控制，則有可能出現(xiàn)以下情況：當(dāng)循環(huán)泵根據(jù)檢測(cè)回水溫度發(fā)現(xiàn)水溫差偏小，并據(jù)此開始減頻，在減小系統(tǒng)流量時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的壓差同步開始減?。ǚ雀螅?，此時(shí)有可能原來部分正常運(yùn)行的末端流量開始不足，反而會(huì)引起系統(tǒng)震蕩，總體相互干擾過大。

因此，可以將溫差控制作為壓差控制的補(bǔ)充，整體變流量系統(tǒng)仍采用壓差控制，但對(duì)不同的末端或不同的水系統(tǒng)支路設(shè)置調(diào)節(jié)閥，根據(jù)這些末端或支路的回水溫度檢測(cè)其供回水溫差，當(dāng)溫差偏小時(shí)，適當(dāng)減小調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制整個(gè)水系統(tǒng)的流量。目前在市場(chǎng)上，已經(jīng)出現(xiàn)一些專門針對(duì)末端設(shè)備的流量調(diào)節(jié)閥附帶溫差控制邏輯，可以有效解決大流量、小溫差的頑疾，值得進(jìn)行推廣。

3 供暖空調(diào)水系統(tǒng)發(fā)展展望

3.1 自控水平的逐步提高

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)逐漸被智能化控制理論所替代，形成高級(jí)的控制手段，不僅能夠適應(yīng)不同環(huán)境、不同負(fù)荷下、不同工況下的運(yùn)行，而且能夠?qū)崿F(xiàn)回路最優(yōu)控制，使暖通控制系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的工作都能達(dá)到最佳，尤其是嵌入式微處理系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得暖通控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)性和自主學(xué)習(xí)的功能。因此，在供暖空調(diào)控制系統(tǒng)中，進(jìn)一步引入先進(jìn)的控制邏輯，對(duì)負(fù)荷、流量的需求進(jìn)行預(yù)判，設(shè)置前饋控制，減少震蕩，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

另一方面，隨著電子信息化程度的不斷提升，暖通控制系統(tǒng)不僅僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制、集成化控制，而且將融入網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的快速共享，實(shí)現(xiàn)信息的飛速傳輸。從而讓控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。

3.2 實(shí)現(xiàn)最佳的工作點(diǎn)運(yùn)行

對(duì)能源中心供能的系統(tǒng)，水系統(tǒng)變流量運(yùn)行的壓差控制設(shè)施出于管理上的需要很難設(shè)置在系統(tǒng)最末端，有時(shí)候出于無奈只得設(shè)置在能源機(jī)房?jī)?nèi)，此時(shí)由于壓差控制點(diǎn)位置不佳，固定的設(shè)定值將會(huì)造成循環(huán)泵變頻幅度過小而起不到節(jié)能的作用。那么此時(shí)能否在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上，形成流量—壓差的關(guān)系曲線，并利用這一聯(lián)鎖關(guān)系，通過系統(tǒng)流量對(duì)末端壓差進(jìn)行估算。從而對(duì)壓差控制點(diǎn)的實(shí)際壓差需求進(jìn)行估算，并據(jù)此對(duì)額定流量情況下的壓差設(shè)定值進(jìn)行下浮處理，從而真正達(dá)到最佳的系統(tǒng)工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵減頻運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。

當(dāng)然這一設(shè)想需要對(duì)水系統(tǒng)的特性曲線進(jìn)行深入的研究，并考慮到最不利環(huán)路（可能不止一個(gè)）的多種可能性，以及計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，但應(yīng)該是一個(gè)可以研究發(fā)展的方向。

4 小結(jié)

中國(guó)作為能耗大國(guó)，建筑產(chǎn)業(yè)也是國(guó)家的重要支柱。隨著能源成本的不斷提高，提高能源利用效率，已然成為了當(dāng)下各行各業(yè)競(jìng)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵所在。在此背景下，如何降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，一直是暖通從業(yè)人員研究的重點(diǎn)，尤其是新型能源的不斷涌現(xiàn)，對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提出了更高的要求?；诖?，本文在概述供暖空調(diào)水系統(tǒng)工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了提高供暖空調(diào)水系統(tǒng)效率的有效措施，并展望了供暖空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)暖通空調(diào)技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。

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