变流量水系统末端定压差控制方式探讨

刘瑞艳

【摘要】分析了变频变流量系统中节能效率不符合“三次幂”定律，而与具体的管网特征和控制方式有关。介绍变流量系统末端定压差控制方式的控制原理和优缺点，并比较介绍了末端定压差控制方式、供回水干管定压差控制和温差控制方式的不同使用条件。

【关键词】变流量水系统 末端定压差控制 水泵能耗

1引言

近年来，随着人们节能意识的加强以及变频器价格的下降，大量文献资料介绍变流量水系统（尤其是一次泵变流量水系统）的节能性，变频控制的变流量水系统的使用越来越普遍。但是由于有些设计者没有完全了解变流量水系统的运行控制原理，设计时不是按照具体工程的实际情况合理选择控制方式，而是随意地选择一种控制方式或是想当然的在定流量系统的基础上加上自动控制，在实际运行中造成水力失调、热力失调，控制特性变坏等问题，最终导致一些工程使用后达不到预期的效果。

2变流量系统不符合“三次幂”定律

对于闭式水系统，管网特性曲线是一条过原点的抛物线，而影响管网特性曲线形状的决定因素为阻抗S。S值越大，曲线越陡。当流量采用体积流量单位时，管段阻抗S的计算式为：

kg/m7

根据S的计算式可知，影响S值的参数有：摩擦阻力系数、管段长度l、直径（或当量直径）d、局部阻力系数ζ、流体密度。其中 取决于流态。由流体力学知，当流动处于阻力平方区时，仅与k/d（管段的相对粗糙度）有关。在给定管路条件下，若值可视为常数，则

S=f（l，di，k，ζ，） （1）

由式（1）知，当管网系统安装完毕，管长、管径、局部阻力系数在不改变阀门开度的情况下，都已为定数，即S为定值，对某一具体的管网，其管网特性就被确定。反之，一旦改变式（1）中的任一参数值，将改变管网特性。 [1]通过以上分析可知，对于某个已安装完毕的管网系统，只要不改变阀门，管网特性曲线阻抗S即为定值。一旦改变阀门开启度，管网特性曲线也随之发生改变。

根据文献[2]：由于空调末端设备是可变水阻力部件，因此循环水泵变频调速的工况点不是相似工况点，所以变流量运行时的节能效率不符合“三次幂”定律，而与具体的管网特征和控制方式有关。

3末端定压差控制方式的节能分析

水泵变流量控制，目前常用的方式有以下三种：a）末端（最不利）环路压差保持恒定的末端定压差控制b）供回水干管压差保持恒定的总干管压差控制c）供回水干管温差保持恒定（Δt=5℃）的温差控制。而末端定压差控制是目前最常用的控制方式。

由于恒压过程中阀门的自主调节，管路的特性曲线是随机变化的，并且流量不断重新分配。为了保证系统的正常运行，末端定压差控制方式的压差设定值一般取设计工况下最不利环路的压差值。这种做法无论工况怎样变化都能保证最不利环路设备的正常工作，因為最不利环路是最容易发生水利失调的部位，最不利环路保证了，其他之路也相应得到了保证，这是末端定压差控制的设计思路。

图3 末端定压差控制曲线

图3是水泵变速调节末端定压差控制曲线。S为末端恒压段前的管网特性曲线，S1为系统的控制曲线，L1、L2、L3为水泵在不同频率下的特性曲线，ΔP为控制压差。水泵扬程由恒定压差和可变压差两部分组成，恒定压差为压差传感器控制回路的压差，控制回路由盘管、和控制阀等组成，其压差值不随流量变化而变化；可变压差为输配管网压降，与管网流量平方成正比。管网曲线向上平移一个恒定压差△P即得控制曲线，系统的工作点为控制曲线与水泵特性曲线的交点，图中点a为设计工况工作点，则S就为系统在a点工作时的管网特性曲线，当流量降到Q2时，因为末端恒压控制，工作点为控制曲线与水泵特性曲线的交点，水泵变频到L2，工作点为b点，而理想工作点为水泵变频后特性曲线L3与设计工况时管网的特性曲线S的交点c，可见，恒压控制使系统的可变压差减少了，水泵的工作压力比理想的要高，控制曲线S1与系统曲线S之间的阴影区域就是由于恒压控制造成的能耗损失，恒定压差越小，系统由于末端恒压控制造成的损失越小。但是恒定压差过小使得控制信号的数值较小，控制精度和控制能力降低，就会影响到控制的效果，反之，控制压差越大，控制精度、调节性能越好，但节能效果却降低了。

4变流量系统中控制方式的选择与比较

末端定压差控制适用于系统较大，使用功能相同或相近的场合。但是对于国内办公楼和商业建筑中的80%以上的空调系统是风机盘管系统，风机盘管系统的水路基本不控制，或采用三通阀、电磁阀控制，部分负荷时系统压差基本不变，这对于压差信号的采集造成困难，导致控制的准确性较差，因而，风机盘管系统不适用压差控制。压差控制方式对于末端为空调处理机组的全空气系统的水路控制具有较好的节能性，由于这种空调系统的末端支路较少，且各支路的水流量变化较大，调节阀能随负荷变化在一定范围内精确调节。[3]

末端定压差控制虽然对系统具有良好的节能效果，但同时也存在以下缺点：1、系统调节阀的调节性能差，阀门特性畸变严重2、当水泵多台并联时，水泵特性曲线趋于平缓，流量变化较大时，水泵扬程变化很小，较小的压力变化很难反应出较大的流量变化，这就需要提高控制设备的灵敏度和精度，尤其当水泵的特性曲线为平缓型或并联台数较多时该问题尤为突出。

在实际工程中也常采用供回水干管定压差控制即压差传感器设在供回水干管间（通常设在泵房的分水器与集水器之间）。对于供回水干管定压差控制控制简单，布线方便（仅限于泵房），适用于较小的工程，而且对于最不利环路靠近冷源端，或系统由于使用功能差异而造成最不利环路不易确定的场合（如室外温度下降，大多数用户处于部分负荷下，而个别用户仍需保持设计流量而成为最不利环路）具有明显的优势。另外供回水干管定压差控制减轻了阀门特性畸变程度（因为提高压降不是因为关小阀门），提高了调节阀的调节性能。虽然供回水干管定压差控制相对于末端定压差控制减少了系统的节能潜力，但也有很多优点，实际工程中也较多采用。

结论

1. 变流量系统变速运行时的节能效率不符合“三次幂”定律，而与具体的管网特征和控制方式有关。

2. 末端定压差控制时水泵扬程不仅与负荷大小有关，还与负荷分布有关，系统的控制曲线根据负荷的不同分布情况在一定区间内变化。

3. 末端定压差控制适用于系统较大，使用功能相同或相近的场合，对于末端为空调处理机组的全空气系统的水路控制具有较好的节能性，不适用于风机盘管系统。

在设计系统时，不论是新建建筑还是已有建筑固定流量系统的改造，一定要兼顾各种条件，选用最适合的控制方式。

参考文献：

[1] 付祥钊 王岳人. 流体输配管网. 中国建筑出版社. 2001.9.第一版

[2] 李志浩. 2002年全国暖通空调制冷学术年会综述. 暖通空调. 2003（33）2.1～14