淺談供暖空調水系統效率優化策略

周謹

摘要：中國作為世界能源大國，電力能源消耗位居世界第二，有25%的來源于建筑能耗，其中暖通空調系統占了很大的比例。有效提高供暖空調水系統的效率，將在滿足人們生產生活需求的同時，起到節能減排的作用。為此，本文在概述供暖空調水系統工作特性的基礎上，詳細分析了提高供暖空調水系統效率的有效措施，并展望了供暖空調水系統節能的發展趨勢，為我國暖通空調技術的發展提供一定的理論基礎。

Abstract： China， as a big energy country in the world， has the second largest energy consumption in the world， and 25% of it comes from building energy consumption， of which the HVAC system accounts for a large proportion. Effectively improving the efficiency of the heating and air-conditioning water systems will play a role in saving energy and reducing emissions while satisfying people's production and living needs. For this reason， based on an overview of the operating characteristics of heating and air conditioning water systems， this paper analyzes in detail the effective measures to improve the efficiency of heating and air conditioning water system， and looks forward to the development trend of energy saving in heating and air conditioning water system， providing theoretical basis for the development of HVAC technology in China.

關鍵詞：供暖空調水系統；變流量；壓差控制；溫差控制

Key words： heating and air-conditioning water system； variable flow；differential pressure control；temperature difference control

中圖分類號：TU831.3+5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0154-02

0 引言

我國屬于發展中國家，同樣也屬于能耗大國，每年的建筑耗能約占電力能耗的25%，單位面積的建筑耗能遠高于其它發達國家。而據有關資料統計，在建筑能耗中，暖通空調系統的占比超過50%；而在暖通空調系統耗能中，大約有18%是由暖通空調系統中的循環泵消耗的。因此，減少供暖空調水系統耗能，提高供暖空調水系統的工作效率，是現階段建筑節能的重要關鍵之一。而供暖空調水系統優化節能一方面與技術優化有關，另一方面則涉及能源管理的方式。基于此，本文結合多年暖通空調設計經驗，詳細分析了供暖空調水系統節能運行、控制的相關措施，并展望了供暖空調水系統節能的發展趨勢，進一步促進暖通空調技術的發展。

1 目前我國供暖空調水系統運行現狀

目前，我國供暖空調采用水系統的供能形式主要包含由集中能源站供能的區域能源中心供能方式和建筑自帶能源機房的分散供能方式二種。

對建筑自帶能源機房的供能系統多采用定速水泵的一級泵系統，水系統流量調節多數是通過臺數調節來實現，即采用多臺循環泵并聯的方式，當負荷發生變化時，改變循環泵運行的數量，從而滿足負荷變化的需要。但是，這種方式對系統的流量調節只能階梯型的，無法做到無極調節。另外，由于水泵并聯運行，當運行臺數減少時，會造成管道特性曲線的偏移，因而循環泵流量偏大，實際水泵功率消耗大于設計工作點，從而加大了實際的輸送能耗，甚至會造成水泵電機過載。

對采用集中能源站供能的區域能源中心供能方式，其輸送到用戶側的水系統通常為變流量系統，通過對循環泵轉速的調節實現。根據區域供能的規模，采用二級泵系統甚至三級泵系統。這種系統在實際運行中，一般二級泵、三級泵都會采用變頻調速循環泵，根據用戶側的供回水壓差調節循環泵的工頻，從而減少循環泵能耗。但是對區域能源中心來說，其提供給用戶的供回水在接入用戶后往往不受其控制，因而末端壓差控制點通常只能設置在用戶供回水接口處，在很多工程中，為了管理方便甚至直接設置在能源機房內，此時由于壓差設定值本身離水系統揚程非常接近，因此通過變頻調速來減少流量的余地就非常小，常常起不到應有的節能效果。

2 供暖空調水系統的節能措施

2.1 采用變頻變流量系統

如前文所述，大量工程案例采用了定速水泵的一級泵系統，其流量調節為臺數調節，循環泵能耗普遍比較大，因此采用一級泵變流量系統（變速調節）將有效減少這一部分能耗。由于在一級泵變流量系統的設置中，不要求循環泵與冷機的一一對應，因此循環泵在并聯運行時更能夠發揮其變頻運行的優勢，同樣的流量，根據不同的管路特性曲線需求，進行不同數量的循環泵組合，實現最小的能耗。有研究指出，在一定條件下，通過多泵并聯變速運轉，相對于單泵運行而言，可以極大降低循環泵的耗能。而在變頻變流量系統中，并聯的循環泵部分運行時，同樣可以進行變頻調節，循環泵的工作點變化與管路特性曲線的契合度會更高，從而避免流量過大現象。

當然，在一級泵變流量系統的設計中，必須充分控制冷機蒸發器的流量變化范圍，避免出現蒸發器流量過小而凍結的情況，目前市場上主要的冷機產品，離心機組、螺桿機組的蒸發器最小流量一般都可以達到額定流量的50%以下，足以支持變頻變流量系統的正常運行，實現有效節能。

2.2 合理設置壓差控制點

對于變流量系統來說，壓差控制點的位置決定了水系統變頻運行的節能潛力。

如圖1所示，在變流量系統中，在冷熱源、空調末端均相同的情況下，分別在A、B、C三個位置設置壓差控制點。假設循環泵的揚程為30m，A、B、C三個位置在額定工況下的壓差分別為22m、18m、10m。因此，如果分別以這三個點為依據進行循環泵的變頻控制將會得到完全不同的結果。

很明顯，如果選取A點作為壓差控制點，當系統流量減小，A點壓差小于22m時，循環泵將不會再減頻，因此循環泵的變頻幅度是最小的；而選取C點作為壓差控制點時，系統流量減少，只要保證C點的10m壓差，循環泵的減頻幅度將是最大的。所以在供暖空調水系統設計中，應將變流量系統（含二級泵、三級泵系統）的壓差控制點盡可能設置在系統的最末端，避免設置在能源機房內。

2.3 引入溫差控制

在實際的工程案例中，由于各種各樣的原因，會出現大流量、小溫差現象，有些是因為冷熱源、循環泵的附加系數過大，有些是因為末端的控制出現問題，還有一個原因是當并聯運行的循環泵只有部分運行時（其實是供暖空調系統的常態），循環泵工作點發生偏移，系統流量超過實際需求的流量。都會造成大流量、小溫差現象。這時，如果在控制邏輯中引入溫差控制，將會有效解決這一頑疾。

溫差控制是在保證系統供水溫度不變的情況下，檢測回水溫度，計算供回水溫差，并將其與設定值進行比較，計算出偏差，然后根據這一偏差通過控制器對相關控制閥門進行控制，控制循環泵變頻，達到節能的目的。

但如果在一級泵變流量系統中，直接采用溫差控制法對循環泵的變頻進行控制，則有可能出現以下情況：當循環泵根據檢測回水溫度發現水溫差偏小，并據此開始減頻，在減小系統流量時，整個系統的壓差同步開始減小（幅度更大），此時有可能原來部分正常運行的末端流量開始不足，反而會引起系統震蕩，總體相互干擾過大。

因此，可以將溫差控制作為壓差控制的補充，整體變流量系統仍采用壓差控制，但對不同的末端或不同的水系統支路設置調節閥，根據這些末端或支路的回水溫度檢測其供回水溫差，當溫差偏小時，適當減小調節閥的開度，從而控制整個水系統的流量。目前在市場上，已經出現一些專門針對末端設備的流量調節閥附帶溫差控制邏輯，可以有效解決大流量、小溫差的頑疾，值得進行推廣。

3 供暖空調水系統發展展望

3.1 自控水平的逐步提高

隨著電子技術、計算機技術的發展，傳統的PID控制系統逐漸被智能化控制理論所替代，形成高級的控制手段，不僅能夠適應不同環境、不同負荷下、不同工況下的運行，而且能夠實現回路最優控制，使暖通控制系統每個環節的工作都能達到最佳，尤其是嵌入式微處理系統的出現，使得暖通控制系統具有一定的適應性和自主學習的功能。因此，在供暖空調控制系統中，進一步引入先進的控制邏輯，對負荷、流量的需求進行預判，設置前饋控制，減少震蕩，可以提高整個系統的穩定性和可靠性。

另一方面，隨著電子信息化程度的不斷提升，暖通控制系統不僅僅實現了自動化控制、集成化控制，而且將融入網絡信息技術，實現信息的快速共享，實現信息的飛速傳輸。從而讓控制系統更加穩定、可靠。

3.2 實現最佳的工作點運行

對能源中心供能的系統，水系統變流量運行的壓差控制設施出于管理上的需要很難設置在系統最末端，有時候出于無奈只得設置在能源機房內，此時由于壓差控制點位置不佳，固定的設定值將會造成循環泵變頻幅度過小而起不到節能的作用。那么此時能否在對整個系統深入研究的基礎上，形成流量—壓差的關系曲線，并利用這一聯鎖關系，通過系統流量對末端壓差進行估算。從而對壓差控制點的實際壓差需求進行估算，并據此對額定流量情況下的壓差設定值進行下浮處理，從而真正達到最佳的系統工作點，實現循環泵減頻運行，達到節能的目的。

當然這一設想需要對水系統的特性曲線進行深入的研究，并考慮到最不利環路（可能不止一個）的多種可能性，以及計算機模擬預測技術的應用，但應該是一個可以研究發展的方向。

4 小結

中國作為能耗大國，建筑產業也是國家的重要支柱。隨著能源成本的不斷提高，提高能源利用效率，已然成為了當下各行各業競爭取勝的關鍵所在。在此背景下，如何降低暖通空調系統的運行能耗，一直是暖通從業人員研究的重點，尤其是新型能源的不斷涌現，對暖通空調系統的設計優化提出了更高的要求。基于此，本文在概述供暖空調水系統工作特點的基礎上，詳細分析了提高供暖空調水系統效率的有效措施，并展望了供暖空調水系統節能的發展趨勢，為我國暖通空調技術的發展提供一定的理論基礎。

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