動力分散式空調水系統運行特性研究

李遠斌 屠欣

中國建筑設計院有限公司

0 引言

降低冷熱水系統輸配能耗對建筑節(jié)能有著重要意義。在傳統水系統的設計中，輸配動力由一臺或一組集中設置的水泵提供，稱為動力集中系統[1]，泵的揚程根據最不利環(huán)路阻力確定，造成其它支路的資用壓力富余，對于這些富余的壓差，一般依靠增大阻力（閥門節(jié)流）的方法消耗，造成大量能源浪費，并且這種損失是不可避免的，輸配系統的規(guī)模越大，能耗浪費越嚴重。“以泵代閥[2-3]”這一新的設計理念推動了水系統動力的配置方式由集中轉向分散。對于這種新型水系統的動力配置方式，現有資料提出的名稱主要有動力分散式水系統[1]、分布式泵系統[4]及分布式變頻系統[5]。本文將其稱為動力分散式水系統，系統從根上轉變傳統的設計理念，在各用戶支路加裝變頻水泵代替閥門調節(jié)，減小甚至消除傳統設計中的閥門能耗，大大降低總輸配能耗。許多學者[5-8]對其在集中供熱中的應用作了研究。實際上，輸配能耗在供冷系統總能耗中占的比例大于其在供熱系統總能耗中所占的比例[9]，有些區(qū)域供冷系統由于輸配能耗太大而導致經濟性太差，而動力分散設計中的末端混水系統能實現輸配側“小流量、大溫差”運行和末端用戶側“大流量、小溫差”運行，大幅度降低輸配能耗并改善用戶熱舒適性，提高供冷系統的經濟性。可見，在區(qū)域供冷系統中，動力分散式水系統能顯示出更大的節(jié)能優(yōu)勢和應用前景。本文針對動力分散式冷凍水系統，采用實驗測試的方法著重研究該類系統能耗特性和水力穩(wěn)定性。

1 動力分散式系統介紹

1.1 分布加壓式系統

分布加壓式系統的特點是除了在冷源處設泵，在所有的分支也設水泵，各級水泵按動力接力的方式提供整個管網系統的輸配動力，基本實現動力按需供給，見圖1。

圖1 分布加壓式系統

1.2 末端混水系統

在供熱、供冷系統設計中，冷熱源所提供的冷熱水溫度不一定是末端設備所合適的溫度。當冷熱源供水溫度與末端設備需求不匹配時，傳統的做法有兩種：1）冷熱源與末端設備通過中間熱器換熱間接連接（方案一）；2）設置兩套管網系統，分別滿足不同末端對供水溫度的需求（方案二）。由于傳熱溫差的存在，方案一必然存在著一定的傳熱損失，而且中間換熱器也大大增加了系統初投資。方案二也存在系統初投資大的缺點。還可以采用將冷熱源供水與末端設備回水直接混合、無傳熱損失的直接連接方案，即末端混水系統，通過一套管網系統實現不同末端設備對供水溫度的不同需求及一次側“大溫差”輸送，大大降低了初投資并節(jié)省運行費用。在混水系統中，混水泵可裝設在供水管、回水管及平衡管上（圖2）。混水比u是一個非常重要的參數，是指進入混水裝置(混水泵)的二次網回水流量和一次網供水流量之比。

式中：Gh為二次網回水流量，m3/h；G1g為一次網供水流量，m3/h。

圖2 末端混水系統

2 實驗臺簡介

本文搭建如圖3所示的動力分散式水系統實驗臺（各設備參數設置接近實際工程），各輸配管段和設備的阻力由安裝在各管段上平衡閥的局部阻力替代，各管段和水泵參數見表1和表2。

圖3 實驗臺示意圖

表1 實驗臺各管段設計參數列表

表2 水泵參數列表

3 分析方法

3.1 能耗特性分析方法

為了消除水泵和電機效率等客觀因素對實驗結果的影響，本實驗以水泵的有效輸出功率作為能耗的評價指標。水泵的有效輸出功率計算公式為：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；G 為流量，m3/h；H為水泵的揚程，m；N為水泵的輸出功率，kW。

3.2 水力穩(wěn)定性分析方法

采用依次關閉各用戶支路，計算未關閉支路的流量及流量偏離系數的方法來進行水力穩(wěn)定性的對比和分析。對于第i個支路，當其它支路分別關閉時，流量偏離系數的平均值表示i支路的相對穩(wěn)定性。用各個支路的均值來表示輸配系統的相對穩(wěn)定性。

式中：K為系統的用戶支路數。

4 能耗測試結果與分析

4.1 兩種系統設計工況下能耗對比

水泵P2運行，P1、P3、P4及P5停機時，即為動力集中式系統。水泵P1、P3～P5運行，P2停機時，即為動力分布式系統。分別測試計算其設計工況下的能耗，見表3和表4。

表3 動力集中系統設計工況能耗

表4 動力分布系統（非混水）設計工況能耗

從表3、4的數據可以看出，為了滿足最遠端支路3的資用壓頭，造成用戶支路1和2的資用壓頭大量富余，富余壓頭的比例分別48.72%和31.03%，輸配系統損失在調節(jié)閥上的無效能耗比例占14.2%，總運行能耗高達3.25 kW。動力分散式水系統中調節(jié)閥無效能耗的比例很低，僅占總運行能耗的4.21%。各級水泵提供的能量被充分有效利用，省去了大部分調節(jié)閥的能耗，總運行能耗為2.86 kW，和動力集中系統相比節(jié)能12%。

動力分布式水系統基本消除了各支路調節(jié)閥的無效能耗，實現循環(huán)動力的按需供給。在理論上，主泵和各加壓泵的揚程選擇無需任何余量，則可以完全消除系統中所有無效能耗；但在水泵的實際選型中，為確保可靠運行，均會留有一定的安全余量，故動力分式水系統仍需要依靠調節(jié)閥微調，水泵并不能完全代替調節(jié)閥的作用，因而系統也會存在一定的無效能耗，但比例很低。

4.2 兩種系統調節(jié)工況下能耗對比

流量的調節(jié)方式通常有閥門節(jié)流調節(jié)和水泵變頻調節(jié)兩種。本文分別測試動力集中系統在兩種調節(jié)方式下的運行能耗。對于動力分散式系統（非混水），測試其在以下三種運行模式下的運行能耗：1）主泵定速、用戶泵變頻調節(jié)；2）主泵和用戶泵變頻調節(jié)；3）主泵和用戶泵定速運行，支路節(jié)流調節(jié)。

圖4 兩種系統調節(jié)工況下的能耗對比

由圖4可以看出，對于動力集中式系統，變頻調節(jié)時能耗特性完全符合相似定律規(guī)律，部分負荷下水泵功率與設計工況下水泵功率之比與流量比呈三次方關系；而閥門節(jié)流調節(jié)在部分負荷時使無效能耗的比例急劇上升，水泵總功率遠大于變頻調節(jié)下的功率。對于動力分散式系統，模式三由于節(jié)流損失而抵消了其在設計工況下的節(jié)能優(yōu)勢，違背了“以泵代閥”的設計初衷。因此，動力分散系統中各級水泵適宜采用變速控制策略，避免閥門節(jié)流調節(jié)。相比于節(jié)流調節(jié)的動力集中系統，動力分散式水系統在模式一和二下均有較大的節(jié)能優(yōu)勢。對于模式一而言，實際應用中為了保證冷機的流量穩(wěn)定，主泵一般采用定速泵，但也會根據負荷的變化進行簡單的臺數控制，故實際節(jié)能效果會好于圖4中的節(jié)能效果。

若兩種系統均采用變頻調節(jié)方式，由于變頻調節(jié)不會改變無效能耗的比例，故動力分散式系統在調節(jié)工況下仍節(jié)能12%。在實際應用中考慮到需保證通過制冷機組的流量穩(wěn)定以及電機在低轉速下的效率較低等客觀因數，變頻調節(jié)的范圍有限，低負荷下仍需要采用閥門節(jié)流調節(jié)。目前，動力集中式系統多采用閥門節(jié)流調節(jié)，動力分散式系統采用模式一所述的調節(jié)方式更可行。

4.3 末端混水系統能耗測試

水泵P2、P3～P5運行，P1停機，用戶支路旁通蝶閥開啟，即為末端混水運行方式，調節(jié)各水泵轉速及平衡閥開度使系統平衡，選取混水比u為1。測試結果見表5。

表5 末端混水系統設計工況能耗

采用末端混水技術以后，實現輸配側小流量運行，使主泵的功率大幅度降低，且三個用戶回路幾乎沒有調節(jié)閥的無效能耗，因此系統總運行能耗由動力集中系統的3.25 kW下降到1.98 kW，節(jié)能39.08%。隨著混水比的增大，輸配側的流量還可以進一步減小，節(jié)能效果更顯著。

5 水力穩(wěn)定性測試結果與分析

5.1 兩種系統水力穩(wěn)定性對比

對于動力集中式系統，越靠近冷源的分支水力穩(wěn)定性越好，各用戶之間的水力干擾很強，水力穩(wěn)定性整體較差。

圖5 兩種系統水力穩(wěn)定性對比

從圖5可以看出，采用動力分散設計后，各個支路的水力穩(wěn)定性均有不同程度的提高，尤其對管網末端支路的水力穩(wěn)定性有明顯改善。可見，動力分散設計能有效提高系統的水力穩(wěn)定性。

5.2 零壓差點位置對水力穩(wěn)定性影響

對于動力分散式系統，由于主循環(huán)泵只提供管網系統部分的輸配動力，其它所需動力由各分布式水泵補充，使得輸配干管上必然存在一個供回水壓差為零的點——零壓差點。各級水泵揚程的匹配方案與零壓差點是一一對應的。改變零壓差點位置后測試系統水力穩(wěn)定性，見圖6。

圖6 零壓差點位置對水力穩(wěn)定性影響

從圖6可以看出，隨著零壓差點與冷熱源距離增大，系統的水力穩(wěn)定性先逐漸變好，而后又慢慢惡化，當零壓差點在干管中部位置附近時，流量偏離系數有極小值，水力穩(wěn)定性最優(yōu)。因此從水力穩(wěn)定性角度出發(fā)，零壓差點應選擇在管網干管中部位置。

5.3 平衡管設置對水力穩(wěn)定性影響

由上述計算結果可以看出，對于主泵和用戶泵直接串聯的系統，水泵之間的相互干擾嚴重，各支路的流量偏離程度在15%以上。為了減小各級泵間的水力干擾，在各級水泵間增加平衡管2-9。水力穩(wěn)定性分析結果見圖7。

圖7 平衡管對水力穩(wěn)定性影響

從圖7可看出，設置平衡管2-9后，由于平衡管兩端的壓降幾乎趨近于零，主泵和用戶泵之間沒有壓力的傳遞，可以說在水力上被分開了，相互間的干擾大大減弱。三個用戶支路的流量偏離系數均有很大程度的減小，大大提高了水力穩(wěn)定性。而當在每個用戶支路分別設置平衡管 (本實驗臺通過開啟用戶支路旁通蝶閥實現)，用戶支路的流量偏離系數幾乎等于1，此時的水力穩(wěn)定性最優(yōu)。

5.4 阻抗分布對水力穩(wěn)定性影響

針對用戶支路2和3的水力穩(wěn)定性相對較差，將管段3-4和7-8上的調節(jié)閥全開，兩管段上的壓降由設計參數下的2 m降低為0.5 m。測試計算系統水力穩(wěn)定性，見圖8。

圖8 阻抗分布對水力穩(wěn)定性影響

從圖8可以看出，減小用戶支路1之后的干管阻抗，支路1的穩(wěn)定性基本不變；支路2和支路3的水力穩(wěn)定性均有一定程度的提高。可見，減小干管阻力、增加末端阻力能有效提高水力穩(wěn)定性。

5.5 流量調節(jié)方式對水力穩(wěn)定性影響

供暖空調水系統主要有節(jié)流調節(jié)和變頻調節(jié)兩種流量調節(jié)方式；節(jié)流調節(jié)又可分為干管節(jié)流和支管節(jié)流調節(jié)。本實驗分別采用三種調節(jié)方式將用戶支路流量調節(jié)到設計流量的75%，測試計算各支路水力穩(wěn)定性，見圖9。

圖9 流量調節(jié)方式對水力穩(wěn)定性影響

從圖9可以看出，變頻調節(jié)對系統水力定性影響不大，干管節(jié)流調節(jié)嚴重惡化系統水力穩(wěn)定性，支路節(jié)流調節(jié)能有效提高系統水力穩(wěn)定性；因此，在工程應用中，應盡量將調節(jié)閥安裝在用戶分支上，如果有必要進行一定的節(jié)流調節(jié)，應該優(yōu)先采用支管節(jié)流。

6 結語

和動力集中式系統相比，動力分散式水系統在設計工況下節(jié)能12%，在調節(jié)工況下也有相當大的節(jié)能優(yōu)勢，節(jié)約的部分就是動力集中系統中所有調節(jié)閥的能耗。末端混水系統能實現高能耗的輸配側“小流量、大溫差”運行和相對較低能耗且穩(wěn)定的末端用戶側“大流量、小溫差”運行，設計工況下相對動力集中式系統的節(jié)能率為39.08%。

動力分散設計能有效提高系統水力穩(wěn)定性；在主和加壓泵泵之間增加平衡管、減小輸配干管阻力、將壓差點選取在干管中部位置均能有效改善動力分式系統水力穩(wěn)定性；變頻調節(jié)對動力分散式系統水穩(wěn)定性影響不大，支路節(jié)流調節(jié)能在一定程度上提系統的水力穩(wěn)定性。干管節(jié)流調節(jié)將嚴重惡化系統水力穩(wěn)定性。因此，在工程應用中應優(yōu)采用變速控制策略，若不得以需要節(jié)流調節(jié)，則應避免干管節(jié)流。