空調(diào)變水量控制的探討
空調(diào)變水量控制的探討 1 隨著環(huán)境、能源形勢(shì)的嚴(yán)峻，國(guó)際、國(guó)家的環(huán)境、能源政策法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)厲，節(jié)能也就成為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)永恒的話題。本文從流體力學(xué)相似原理角度，分析了空調(diào)變水量系統(tǒng)中的水泵的能耗關(guān)系，發(fā)表了作者對(duì)變頻水泵節(jié)能的一些觀點(diǎn)，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(lái)根據(jù)流體力學(xué)的相似原理，兩種流動(dòng)作到安全相似，必須滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似[1]。以相似原理為指導(dǎo)，在風(fēng)機(jī)、水泵、以及飛機(jī)制造行業(yè)，利用模型級(jí)進(jìn)行新機(jī)種設(shè)計(jì)的方法也被廣泛而有效的地使用。根據(jù)相似原理，可以推導(dǎo)出一臺(tái)水泵或風(fēng)機(jī)變速時(shí)流量、壓頭及功率和轉(zhuǎn)速間的杰出關(guān)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(zhuǎn)數(shù)，rpm；下標(biāo)—0水泵額定工況下的參數(shù)；下標(biāo)—1水泵在轉(zhuǎn)數(shù)n 1下的參數(shù)。 在現(xiàn)行的空調(diào)工程中，如用雙通閥的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，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(diào)系統(tǒng)要求的冷水量，保證一個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的空調(diào)器因負(fù)荷變化改變水量時(shí)，不影響到其他空調(diào)器的工作，既保證各空調(diào)器工作時(shí)不互相干擾。又如，在現(xiàn)行的供水系統(tǒng)，一般采用水塔、或無(wú)塔上水器等定壓供水系統(tǒng)。在定壓供水系統(tǒng)中工作的變頻水泵，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)改變時(shí)，不滿足相似理論中的運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)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(diào)變水量系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題時(shí)，不加分析、貿(mào)然采用從相似理論推導(dǎo)出來(lái)的公式(3)，并做出在空調(diào)變水量系統(tǒng)中，變頻水泵軸功率和其轉(zhuǎn)數(shù)的三次方成正比的推論，這勢(shì)必誤導(dǎo)讀者，造成變頻技術(shù)在空調(diào)變流量系統(tǒng)推廣應(yīng)用時(shí)概念的混亂。3 定壓供水系統(tǒng)變頻泵功耗的計(jì)算公式 無(wú)疑，采用空調(diào)變水量系統(tǒng)是節(jié)能的，但節(jié)能關(guān)系式絕不象某些文章中說(shuō)的，水泵的軸功耗和其轉(zhuǎn)數(shù)的三次方成正比(如公式(3)所示)。在空調(diào)變水量系統(tǒng)中，主供水、回水干管間的壓差ΔP=常數(shù)，水泵變速時(shí)工況不和其額定工況相似，計(jì)算水泵變速時(shí)性能是不能用公式(1)～(3)。那么，如何計(jì)算定壓供水系統(tǒng)變頻水泵不同轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的性能特別是人們關(guān)心的能耗呢?作者認(rèn)為，應(yīng)用水電比擬法可以解決此問(wèn)題。 水電比擬理論[2]認(rèn)為，水在管道中的流動(dòng)特性，和電荷在電路中的流動(dòng)特性相似，兩種流動(dòng)可以用一組相同的微分方程來(lái)描述。水電比擬理論中，水路中的流量Q相當(dāng)于電路中的電流I，水路中的壓力降ΔP相當(dāng)于電路中的電壓降ΔU，水路中的容積相當(dāng)于電路中的電容，水路中的壓差恒定控制裝置相當(dāng)于電路中的穩(wěn)壓器，要求供水系統(tǒng)中水壓恒定的道理和要求供電系統(tǒng)中電壓恒定的道理相同，只不過(guò)恒定的水壓是隨不同的供水系統(tǒng)而變，而恒定的電壓卻是國(guó)標(biāo)統(tǒng)一規(guī)定的等等。因此，電路中的一些計(jì)算方法就可在水路中應(yīng)用。水路中克服流動(dòng)阻力的功耗Np我們簡(jiǎn)稱為阻力功耗?？梢怨┯脷W姆定理，用公式(4)計(jì)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(duì)于ΔP=常數(shù)的定壓供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)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(shí)質(zhì)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(shí)間內(nèi)，輸送1m3的水的能耗，當(dāng)ΔP=常數(shù)時(shí)，供水系統(tǒng)的工耗Np只和流量的一次方成正比。這點(diǎn)非常容易理解，在ΔP=常數(shù)的定壓供水系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的空調(diào)機(jī)和在電壓恒定供電系統(tǒng)運(yùn)行的用電器一樣，用電器的功耗和通過(guò)其的電流的一次方成正比，空調(diào)機(jī)的水力功耗也和通過(guò)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(gè)管路阻力功耗的分析，也適用于水路中某個(gè)元件阻力功耗的分析。通常，人們關(guān)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(guān)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(dāng)時(shí)工況效率，ηp=085左右；η m—機(jī)械傳動(dòng)效率，和水泵和電機(jī)連接方式有關(guān)η m=090－099；η e—電機(jī)效率，和電機(jī)結(jié)構(gòu)、容量有關(guān)，η e=075－0994 水路中的*小壓差節(jié)能控制法 從上述分析定壓供水系統(tǒng)的采用變頻水泵節(jié)能效果并不象某些文章中說(shuō)的，之所以這樣，是采用傳統(tǒng)的控制方法必須滿足ΔP=常數(shù)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(rùn)周為*小的圓管以減少摩擦面積；選用內(nèi)表面光滑的管材，減小阻力系數(shù)λ；設(shè)計(jì)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(tǒng)中取得*大節(jié)能效果，必須探索一些新的控制方法。筆者認(rèn)為，如借用變風(fēng)量控制系統(tǒng)中的*小靜壓控制法思想[3]，使變水量供水系統(tǒng)中的ΔP不再保持不變是可行的。具體做法是：在空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷下降時(shí)，減小冷凍水量，同時(shí)按一定規(guī)律減小主供回水干管間的壓差ΔP，檢查各個(gè)空調(diào)機(jī)冷凍水閥的開度。當(dāng)壓差ΔP下降的比使得80％空調(diào)機(jī)的冷凍水閥全開時(shí)，就認(rèn)為系統(tǒng)此時(shí)的壓差ΔP是*小壓差。當(dāng)然冷凍水閥全開的定義可由自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)者給出，如當(dāng)冷凍水閥的開度達(dá)到75％以上時(shí)，就認(rèn)為此閥全開了。采用*小壓差法變水量控制系統(tǒng)，可以取得*大的節(jié)能效果，它的節(jié)能機(jī)理是*大限度的減小冷凍水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失。當(dāng)然，*小壓差法變水量控制系統(tǒng)和*小靜壓法變風(fēng)量控制系統(tǒng)一樣，也要檢測(cè)各個(gè)冷凍水調(diào)節(jié)閥的開度甚至流量，在控制技術(shù)十分發(fā)達(dá)的今天，*小壓差法變水量控制系統(tǒng)是不難實(shí)現(xiàn)的。5 結(jié)論1)變頻水泵的功耗和其流量的三次方成正比的關(guān)系，只適用于*相似的工況。2)在實(shí)際的定壓供水系統(tǒng)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(tǒng)中，采用*小壓差變水量控制系統(tǒng)，可以取得*大輸水節(jié)能效果。
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