异程布置的冷冻水系统管网水力特性计算方法

刘雪峰　刘金平　陈星龙

摘要：

大型中央空调冷冻水系统管网水力特性精确计算是研究其优化设计和运行的必要条件，简化模型因计算误差大而无法应用于大型管网拓扑结构的水力计算。以异程布置的冷冻水系统为研究对象，在充分考虑末端支路温度调节阀调节特性的基础上，建立了管网水力特性精确数学模型，提出了虚拟流量的计算机逻辑算法。以10个AHU支路的异程式管网为仿真计算对象，计算该管网最小供回水压差以及不同供回水压差条件下的各支路温度调节阀开度和实际流量，计算结果符合异程式管网存在较大压力不平衡的固有特性。该计算方法能够确保计算收敛，实现了利用一个逻辑程序计算管网各种水力特性，为异程式管网水力特性研究提供了参考价值。

关键词：

冷冻水系统；异程布置；水力特性；计算方法

大型中央空调冷冻水系统管网水力特性计算属于多变量耦合的非线性问题，所有末端支路水力失调、部分末端支路水力失调以及所有末端支路水力可调是不同管网供回水压差条件下的3种运行状态，计算模型的变量类型和数量因管网供回水压差不同而不同，传统多变量迭代求解算法很难收敛，而简化末端支路连接管类型及阻抗的简化计算模型对于大型管网拓扑结构，计算误差很大，不利于研究管网调节稳定性和可靠性的物理机理。管网稳态流动计算模型在空调系统整体性能模拟计算中的应用，为管网阻力特性计算研究提供了思路，基于流体力学一元流动连续方程、能量方程及串并联管路流动规律，可以建立冷冻水系统阻力特性的简化模型，其适合于计算稳态条件下的冷冻水系统串并联阻抗，计算循环压力结果与实测值相吻合，表明并联计算法有一定可行性[12]。回路法和道路法流量调节计算方法的原理也被应用于供热空调系统管网水力计算，将管网中各管段流量和水泵工况点作为已知参数计算管段阻力，并通过算例说明了该方法的有效性，运用迭代法对空调与热水供热管网进行数值仿真，可以有效地解决管网热压的计算[35]。将冷冻水和冷却水管路不同管径下的不同流量所对应的比摩阻绘制成计算表，应用该计算表能快速、准确、方便进行空调水系统管路水力计算，并能找出管网中真正的最不利环路[68]。神经网络和遗传算法等数学方法为解决空调系统高度非线性问题成为可能，但往往忽略了空调系统自身的物理规律，末端设备温度调节阀的实时调节作用所引起的系统稳定性变化等诸多问题，需要充分考虑冷冻水系统不同负荷分布特性的运行调节特性[910]。以管网最远端压差为反馈信号进行控制是常见的节能运行方式，假设管网阻抗为定值，通过阻抗串并联原理逐次计算支路阻抗来确定压差控制目标值，同样没有考虑末端支路的调节作用[11]。而Hopfleld神经网络算法（HNN）应用于异程布置管网供回水温差与管网优化运行关联性研究，其前提就是假设所以末端支路水力可调，忽略了末端调节阀的物理特性[1213]。超高层建筑中央空调冷冻水系统难确定最不利回路压差，因此有工程技术人员通过在管网中某一位置设定监测点来推算管网最佳供回水压差，并认为监测点压差与管网最佳供回水压差成线性关系，从而简化管网水力计算模型，但忽略了管网支路负荷分布不平衡性对其所产生的影响[14]。

刘雪峰，等：异程布置的冷冻水系统管网水力特性计算方法

综上所述，假设两个相邻支管路连接干管压损忽略不计的简化算法，实际上简化了管网同程布置和异程布置的差异性，管网拓扑结构越复杂，计算误差越大，不利于研究大型管网变负荷调节特性。本文充分考虑末端支路调节特性，通过虚拟最远端支路流量，将复杂的管网水力计算，转换为变步长和二分法的单变量逻辑计算过程，可以得到冷冻水管网各种运行状态下支路实际流量及温度调节阀开度的近似精确解，为管网优化设计与运行提供了计算分析方法。

1冷冻水系统异程布置形式

冷冻水系统管网异程布置是常见的一种管网结构形式，其结构简单，投资较小，拓扑结构如

2.4计算方法及逻辑

2.4.1计算最小供回水压差冷冻水系统管网最小供回水压差即为满足所有末端支路流量要求的最小供回水压差，至少保证有一个末端支路温度调节阀开度Kvalve_temp_n=1，且支路实际流量等于实际需求流量，这时管网冷冻水输送的动力功耗最小。已知管网负荷分布，将管网最远端支路实际流量（Gbranch_virtual）假设为虚拟变量进行迭代计算，利用变步长和二分法迭代计算方法进行计算机逻辑计算编程。在计算过程中，如果虚拟流量小于该支路实际需求流量，则虚拟流量等于该支路实际流量；如果虚拟流量大于或等于该支路实际需求流量，则该支路实际需求流量等于该支路实际流量，最远端支路虚拟流量与实际需求流量的差值则等价转换为温度调节阀两端压差，可以表示为：

其等同于最远端支路流量与管网供回水压差为单一函数关系式，由管网最远端到最近端逐次进行水力计算，根据单变量迭代求解的算法，就可以得到每个支路温度调节阀开度、支路压差、冷冻水流量以及管网供回水压差，计算逻辑如图2所示：

图2冷冻水管网最小供回水压差计算逻辑图

2.4.2管网水力特性计算变压差控制作为冷冻水系统节能运行的方式之一其水力特性精确求解为深入研究其调节稳定性和可调性提供理论计算方法，是管网优化设计和运行的基础。如果冷冻水管网所有末端支路水力可调，管网负荷分布与管网最小供回水压差为单值函数关系。当管网供回水压差大于最小供回水压差时，管网各支路流量在温度调节阀调节作用下维持恒定，改变的是温度调节阀的开度；当管网供回水压差小于最小供回水压差时，管网各支路流量存在部分或全部水力失调现象，水力失调的支路其温度调节阀开度始终为1，改变的是该支路冷冻水流量。在已知管网各个支路理论需求流量条件下，根据管网实际供回水压差，利用变步长和二分法迭代计算方法，虚拟管网最远端支路实际流量Gbranch_virtual进行迭代计算，从而可以得到已知管网供回水压差条件下的末端支路温度调节阀开度、压差以及实际流量，计算逻辑如图3所示：

图3根据供回水压差求解流量的计算逻辑图

3实例计算

3.1计算参数与条件

以异程布置的冷冻水管网为仿真计算对象，管网共并联了10个AHU节点，每个末端支路的冷冻水实际需求流量已知，末端支路温度调节阀为比例积分线性阀门，管网结构如图1所示，冷冻水管网节点的计算参数如表1所示。

3.2计算结果

3.2.1所有末端支路水力可调根据图2和图3的计算逻辑，利用VB编程软件编写了计算程序。根据计算结果，该均匀负荷分布的冷冻水管网最小供回水压差为ΔpAB_min=128 035 Pa，图4反映了最小供回水压差条件下的各末端支路温度调节阀开度变化规律，最远端支路温度调节阀开度Kvalve_temp_1=1，越靠近管网供回水总管端，温度调节阀开度越小，由远端支路及近端支路，温度调节阀开度由急剧减少过渡至缓慢减少阶段，说明了异程布置的管网支路压差不平衡性很大，这正是异程布置形式管网的典型特点，符合异程布置的冷冻水管网变压差控制更容易引起远端AHU热湿处理能力急剧下降的工程现象。根据图5和图6所示，当ΔpAB>ΔpAB_min时，管网末端支路温度调节阀开度Kvalve_temp_1<1，末端支路冷冻水流量不变，供回水压差越大，支路温度调节阀开度的差异性越小，支路压差不平衡性减少；当ΔpAB<ΔpAB_min时，随管网供回水压差不断减少，末端支路从最远端开始依次进入水力失调运行状态，支路水力失调运行状态下的冷冻水流量随供回水压差减少而减少。冷冻水管网总流量随管网供回水压差减少而减少，且变化幅度越来越大，如图7所示。以上计算分析跟异程布置管网实际运行特性吻合，反映了异程布置管网压差不平衡性特性，说明计算结果是可靠的。