空調變水量控制的探討
空調變水量控制的探討 1  隨著環境、能源形勢的嚴峻，國際、國家的環境、能源政策法規越來越嚴厲，節能也就成為空調系統設計永恒的話題。本文從流體力學相似原理角度，分析了空調變水量系統中的水泵的能耗關系，發表了作者對變頻水泵節能的一些觀點，供同仁參考。2 水泵的功耗與流量的三次方式成正比公式的由來根據流體力學的相似原理，兩種流動作到**相似，必須滿足幾何相似、運動相似和動力相似[1]。以相似原理為指導，在風機、水泵、以及飛機制造行業，利用模型級進行新機種設計的方法也被廣泛而有效的地使用。根據相似原理，可以推導出一臺水泵或風機變速時流量、壓頭及功率和轉速間的有名關系式(1)～(3)：式中:Q—水泵流量，m3／s;P—水泵壓頭，Pa；N—水泵軸功率，w；n—水泵轉數，rpm；下標—0水泵額定工況下的參數；下標—1水泵在轉數n 1下的參數。  在現行的空調工程中，如用雙通閥的空調冷凍水系統，常常以供回水干管間的壓差恒定為條件，使變頻水泵輸送的冷水量等于空調系統要求的冷水量，保證一個并聯運行的空調器因負荷變化改變水量時，不影響到其他空調器的工作，既保證各空調器工作時不互相干擾。又如，在現行的供水系統，一般采用水塔、或無塔上水器等定壓供水系統。在定壓供水系統中工作的變頻水泵，當轉數改變時，不滿足相似理論中的運動相似、動力相似的條件(僅滿足幾何相似)，水泵的變工況不和額定工況相似，因此在討論空調變水量系統的節能問題時，不加分析、貿然采用從相似理論推導出來的公式(3)，并做出在空調變水量系統中，變頻水泵軸功率和其轉數的三次方成正比的推論，這勢必誤導讀者，造成變頻技術在空調變流量系統推廣應用時概念的混亂。3　定壓供水系統變頻泵功耗的計算公式   無疑，采用空調變水量系統是節能的，但節能關系式絕不象某些文章中說的，水泵的軸功耗和其轉數的三次方成正比(如公式(3)所示)。在空調變水量系統中，主供水、回水干管間的壓差ΔP=常數，水泵變速時工況不和其額定工況相似，計算水泵變速時性能是不能用公式(1)～(3)。那么，如何計算定壓供水系統變頻水泵不同轉數時的性能特別是人們關心的能耗呢?作者認為，應用水電比擬法可以解決此問題。   水電比擬理論[2]認為，水在管道中的流動特性，和電荷在電路中的流動特性相似，兩種流動可以用一組相同的微分方程來描述。水電比擬理論中，水路中的流量Q相當于電路中的電流I，水路中的壓力降ΔP相當于電路中的電壓降ΔU，水路中的容積相當于電路中的電容，水路中的壓差恒定控制裝置相當于電路中的穩壓器，要求供水系統中水壓恒定的道理和要求供電系統中電壓恒定的道理相同，只不過恒定的水壓是隨不同的供水系統而變，而恒定的電壓卻是國標統一規定的等等。因此，電路中的一些計算方法就可在水路中應用。水路中克服流動阻力的功耗Np我們簡稱為阻力功耗。可以供用歐姆定理，用公式(4)計算：Np=Q＊△P W(4)式中：Q—水路中的流量，m3/s；△P—水路中的壓力降，Pa；   從公式(4)可以看出，對于ΔP=常數的定壓供水系統，供水系統的阻力功耗Np只和流量的一次方成正比，而不是和流量的三次方成正比。實質上，公式(4)就是水路中的能量方程，ΔP的物理含義表示單位時間內，輸送1m3的水的能耗，當ΔP=常數時，供水系統的工耗Np只和流量的一次方成正比。這點非常容易理解，在ΔP=常數的定壓供水系統并聯運行的空調機和在電壓恒定供電系統運行的用電器一樣，用電器的功耗和通過其的電流的一次方成正比，空調機的水力功耗也和通過其的流量的一次方成正比。顯然，公式(4)是具有普遍意義的，它既適用于整個管路阻力功耗的分析，也適用于水路中某個元件阻力功耗的分析。通常，人們關心的是水泵的總輸入功率Nt，Nt和管路中阻力功耗Np有以下關系：N t=Np/η w(5)式中：η=η p＊η m＊η e (6)η—水泵總效率；η p—水泵當時工況效率，ηp=085左右；η m—機械傳動效率，和水泵和電機連接方式有關η m=090－099；η e—電機效率，和電機結構、容量有關，η e=075－0994　水路中的*小壓差節能控制法   從上述分析定壓供水系統的采用變頻水泵節能效果并不象某些文章中說的，之所以這樣，是采用傳統的控制方法必須滿足ΔP=常數的約束條件所致。水路阻力ΔP可由公式(7)表示：   由公式(7)可看出，水路或水路中元件上的壓降和水路或水路元件中的水的流速V平方成正比，足見水路中水流速正確選擇的重要性。從公式(7)也可得出減小ΔP的途徑，如水路中盡量選用通流面積相同、潤周為*小的圓管以減少摩擦面積；選用內表面光滑的管材，減小阻力系數λ；設計精心，盡量減小元件的局部阻力損失等。為了在變水量供水系統中取得*大節能效果，必須探索一些新的控制方法。筆者認為，如借用變風量控制系統中的*小靜壓控制法思想[3]，使變水量供水系統中的ΔP不再保持不變是可行的。具體做法是：在空調系統負荷下降時，減小冷凍水量，同時按一定規律減小主供回水干管間的壓差ΔP，檢查各個空調機冷凍水閥的開度。當壓差ΔP下降的比使得80％空調機的冷凍水閥全開時，就認為系統此時的壓差ΔP是*小壓差。當然冷凍水閥全開的定義可由自控系統設計者給出，如當冷凍水閥的開度達到75％以上時，就認為此閥全開了。采用*小壓差法變水量控制系統，可以取得*大的節能效果，它的節能機理是*大限度的減小冷凍水調節閥的節流損失。當然，*小壓差法變水量控制系統和*小靜壓法變風量控制系統一樣，也要檢測各個冷凍水調節閥的開度甚至流量，在控制技術十分發達的今天，*小壓差法變水量控制系統是不難實現的。5　結論1)變頻水泵的功耗和其流量的三次方成正比的關系，只適用于完全相似的工況。2)在實際的定壓供水系統中，變頻水泵的功耗只和其流量的一次方成正比。3)定壓供水系統中，采用*小壓差變水量控制系統，可以取得*大輸水節能效果。
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