一次泵变流量系统中温差控制法及正确应用.docx

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一次泵变流量系统中温差控制法及正确应用

一次泵变流量系统中温差控制法及正确应用

一次泵变流量系统中温差控制法的正确应用

武汉市建筑设计院张再鹏陈焰华

武汉科技大学符永正

摘要:

指出能量守恒特性所反映的温差变化情况与热交换器静特性所反映的温差变化情况是相互矛盾的。

在定流量系统中，两者之间的矛盾是统一的，从单个末端设备来讲，温差按照热交换器静特性变化，从整体上讲，温差按照能量守恒特性变化。

在变流量系统中，当末端设备主要采用流量可调型阀门调节时，矛盾不能解决。

针对阀门的不同，给出了变流量系统正确的温差控制方法。

关键词:

热交换器静特性能量守恒特性变流量系统压差旁通

1概述

在定流量空调冷冻水系统中，人们对冷冻水供回水温差（以下简称温差）与负荷之间的变化关系取得了较一致的认识，即：

负荷减小时，温差将减小，负荷增大时，温差将增大。

该规律是从能量守恒层面给出的温差和与负荷之间的变化关系，简称为能量守恒特性。

工程实际也证明了温差是按照能量守恒特性变化的。

将该规律直接应用于一次泵变流量系统，当负荷减小时，温差将减小，根据该信号控制水泵减速，减小水流量，使系统按定温差变流量运行，从而实现了水系统的输送节能。

该控制方法即是众多文献所说的温差控制法[1～5]。

文献[1～4]还比较了温差控制法和其它控制方法的节能性，并取得了较一致的结论：

温差控制法的管网特性曲线是一个无背压的管网特性曲线，而压差控制法的管网特性曲线是一个有背压的管网特性曲线，因此温差控制法的节能性优于压差控制法。

由此可见，温差控制法是一个受到推崇的水泵控制方法。

但是能量守恒特性并不能反映末端设备的工作状况，并与末端设备的热交换器静特性所反映的温差变化情况不一致。

末端设备的工作状况就是末端设备的作用压差或者流量随负荷的变化情况。

热交换器静特性就是热交换器的换热量与流量之间的关系。

事实上，在变流量系统中，末端设备的工作状况不同于定流量系统，末端设备的热交换器静特性所反映的温差变化情况与能量守恒特性的温差变化情况正好相反。

将能量守恒特性直接应用于一次泵变流量系统，会使水泵的实际变化情况与预期的变化情况正好相反，并造成控制失败。

本文将解释定流量系统中，热交换器静特性与能量守恒特性之间的矛盾，并给出一次泵变流量系统中适用于不同场合的两种温差控制法，及其应注意的问题。

2热交换器静特性

本文所指热交换器是指末端设备中的加热器和表冷器，不包括冷热源侧的蒸发器和冷凝器。

热交换器静特性可以采用下列公式粗略计算[6]：

（1）

（2）

式中

——热水加热器和干式表冷器的相对换热量，即热交换器的换热量与设计工况换热量的比值；

——热水加热器和干式表冷器的静特性计算参数；

——热水加热器和干式表冷器的相对流量，即热交换器的流量与设计工况流量的比值；

——设计工况供水温度；

——设计工况回水温度；

——设计工况回风温度。

对于干式表冷器，当设计供回水温度为7℃/12℃，回风温度为27℃时，其热交换器静特性如图1所示。

可以看出，热交换器静特性是一条曲线。

当相对换热量小于1时，相对流量减小的速度比相对换热量减小的速度快；当相对换热量大于1时，相对流量增大的速度比相对换热量增大的速度快。

根据能量守恒得，相对负荷小于1时，温差大于设计温差，相对负荷大于1时，温差小于设计温差。

例如，当相对负荷为0.5时，温差为8.7℃，当相对负荷为2时，温差为2.7℃。

图1热水加热器和干式表冷器的静特性

3热交换器静特性与能量守恒特性之间的矛盾

比较热交换器静特性和能量守恒特性可以看出：

负荷减小时，热交换器静特性指出温差将增大，而能量守恒特性指出温差将减小，两种理论给出的温差随负荷的变化趋势正好相反。

很显然，热交换器静特性所反映的温差随负荷的变化趋势也是符合能量守恒定律的，但为什么与能量守恒特性相矛盾呢？

两者之间的矛盾是由末端设备的工作状况和旁通控制造成的。

4定流量系统中热交换器静特性与能量守恒特性的统一

根据空调冷热源侧的流量是否变化，将空调冷冻水系统分为定流量系统和变流量系统。

定流量系统就是冷热源侧流量恒定的系统，变流量系统就是冷热源侧流量变化的系统。

因此传统的一次泵定流量系统和二次泵变流量系统都属于定流量系统，而一次泵变流量系统属于变流量系统。

在定流量系统中，如果用户侧的流量是变化的，则为了平衡用户侧和冷热源侧的流量，系统需要设置旁通管，使部分供水未经过末端设备而直接回到冷热源。

在冷热源侧，负荷减小时，流量不变，根据能量守恒得温差将减小，温差变化情况与能量守恒特性一致。

在用户侧，负荷减小时，流量减小的速度比换热量减小的速度快，根据能量守恒得温差将增大，温差变化情况正是热交换器静特性所反映的温差变化情况。

在旁通管与回水管的接管处，用户侧回水与旁通流量相混合，并最终使总管的温差减小。

在定流量系统中，末端设备采用通断控制型调节阀调节时（例如风机盘管采用电动二通阀调节），末端设备的工作状况如下：

通断控制型调节阀只有通和断两种状态，通状态所占时间与负荷成正比，末端设备较多时，任意时刻阀门开启率（任意时刻处于通状态的调节阀数与总调节阀数的比值）与负荷成正比。

当负荷减小时，阀门开启率减小，用户侧的流量和管路阻力损失将减小，作用在各支路或者末端设备的作用压差将增大，因此处于通状态的支路或者末端设备的流量和换热量将增大，供回水温差将减小。

虽然此时处于通状态的支路或者末端设备的换热量是增大的，但是通过增加该支路或者末端设备处于断状态的时间，减少处于通状态的时间，依然可以实现换热量与负荷的一致变化。

从以上分析可以看出，在定流量系统中，受以上两种因素的综合影响，热交换器静特性与能量守恒特性是统一的。

从单个末端设备来讲，温差按照热交换器静特性变化，从整体上讲，温差按照能量守恒特性变化。

5变流量系统中热交换器静特性与能量守恒特性的矛盾

变流量系统中，用户侧和冷热源侧的流量都是变化的。

当末端设备全部或者主要采用流量可调型阀门时，该系统可以不用旁通管平衡两侧的流量或者旁通流量很小。

因此，部分负荷时，总管的温差就是用户侧的温差，并按照用户侧的温差变化速度增大，或者总管的温差因旁通流量而增速略有减小，但是温差变化趋势还是增大，该系统的温差变化情况与热交换器静特性所反映的温差变化情况一致。

当变流量系统按照能量守恒特性设计温差控制时，部分负荷下，水泵将增速，与预期的变化情况正好相反。

当变流量系统的末端设备主要采用通断控制型阀门调节时，负荷减小，阀门开启率也减小，作用在各支路或者末端设备的作用压差将增大，因此处于通状态的支路或者末端设备的流量将增大，温差将减小。

温差变化情况与能量守恒特性一致，因此此时采用概述中所说的温差控制方法是可行的。

以上两种情况说明，变流量系统采用温差控制法不能一概而论。

变流量系统受调节阀类型的影响，表现出两种完全相反的温差变化趋势。

在进行温差控制设计时，需要区别对待。

两种完全相反的变化趋势需要采用两种不同的温差控制方法。

6温差控制法在一次泵变流量系统中的合理应用

温差控制法应用于一次泵变流量系统时，需要根据上诉两种完全相反的变化趋势采用两种不同的温差控制方法，即：

末端设备主要采用流量可调性阀门调节的温差控制法和末端设备主要采用通断控制型阀门调节的温差控制法，以下分别简称为控制方式1和控制方式2。

6.1控制方式1

当末端设备主要采用流量可调性阀门调节时，部分负荷下，流量的减小速度比换热量的减小速度快，而温差控制法的控制结果是使流量的减小速度与换热量的减小速度相同，因此用户侧和冷热源侧的流量是不一致变化的，系统中需要设置旁通管，并采用压差信号控制旁通流量。

旁通管可以设置在供回水干管之间，也可以设置在最不利支路的两端。

图2是旁通管设置在最不利支路的两端时，控制方式1的工作原理图。

系统根据干管内的供回水温差信号控制水泵变频，并根据最不利支路2两端的压差信号平衡温差。

该系统的工作原理：

当负荷为设计负荷时，旁通管内流量为0，冷热源侧和用户侧的流量都是设计流量，水泵以设计转速运行。

此时最不利支管2两端的作用压差为△P，并取该值为控制旁通流量的设定值。

干管内供回水温差为△T，并取该值为控制水泵变频的设定值。

当负荷减小时，阀门减小开度，使作用在支路2两端的压差增大。

根据该信号，控制部分流量流过旁通管，保持支路2两端的作用压差恒定和系统总流量基本不变。

同时由于总流量不变，负荷减小，所以干管内供回水温差将减小。

根据该信号，控制水泵减速，使流过旁通管的流量也相应地减小，并最终使干管内供回水温差恢复到△T值。

图2压差旁通原理图

6.2控制方式2

当末端设备主要采用通断控制型阀门调节时，温差变化情况与能量守恒特性一致，因此控制方式2就是概述中所说的温差控制方法。

7控制方式2的水力平衡问题

控制方式2中需要注意水力平衡问题。

控制方式2中，负荷减小时，温差具有减小趋势，因此该系统进行水力平衡时，必须保留温差的这一变化趋势。

如果温差的变化趋势是增大或者不变，控制方式2将不能正常工作。

对系统进行动态水力平衡，消除各支路之间的相互干扰，例如采用动态平衡电动二通阀，将使该阀门的流量调节部件始终在定压差下工作，部分负荷时，末端设备的流量不会增大，因此温差将保持不变，该控制方法将失效。

当温差具有减小的变化趋势，但是在控制方式2的作用下，温差不能恢复到设定值，该控制方式依然不可行。

例如在每层的水平干管处设置压差平衡阀，各支路采用通断控制型阀门，水平干管供回水管之间的压差保持不变。

负荷减小时，水平干管的流量将减小，各支路的作用压差将增大，温差将减小，并不能恢复到设定值，此时该控制方法将失效。

该系统需要进行静态水力平衡，并采用水力稳定性好的管网形式。

系统不进行静态水力平衡，将使部分支路的作用压差始终大于设计压差，温差将始终小于设计温差，并最终使设计温差跟着减小，不利于系统的节能运行。

8结论

能量守恒特性不能直接应用于变流量系统的温差控制，错误的应用会产生事与愿违的控制结果。

能量守恒特性所反映的温差变化情况与热交换器静特性所反映的温差变化情况是相互矛盾的。

在定流量系统中，这种矛盾可以得到统一。

从单个末端设备来讲，温差按照热交换器静特性变化，从整体上讲，温差按照能量守恒特性变化。

但是在变流量系统中，当末端设备主要采用流量可调性阀门调节时，从整体上讲，温差不能按照能量守恒特性变化，因此采用能量守恒特性推出的温差控制法将失效。

该系统需要设置旁通管，并采用压差信号控制旁通流量。

在压差旁通与温差控制的共同作用下，温差控制法才能实现。

在变流量系统中，当末端设备主要采用通断控制型阀门调节时，对系统进行静态水力平衡，而不必采用动态水力平衡，系统各支路的温差和干管温差都将按照能量守恒特性变化，可以直接采用能量守恒特性推出的温差控制法。

参考文献

[1]孙一坚.空调水系统变流量节能控制（续1）：

水流量变化对空调系统运行的影响.暖通空调，2004，34（7）：

60－62

[2]孙一坚，潘尤贵.空调水系统变流量节能控制（续2）：

变频调速水泵的合理应用.暖通空调，2005，35（10）：

90－92

[3]李彬，肖永全，李德英，等.变流量空调水系统的节能探讨.暖通空调，2006，36

（1）：

132－136

[4]伍小亭，芦岩.循环水泵变频调速运行实例研究.暖通空调，2006，36（8）：

25－32

[5]李苏泷.一次泵系统冷水变流量节能控制研究.暖通空调，2006，36（7）：

72－75

[6]施俊良.调节阀的选择.北京：

中国建筑工业出版社，1986