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、能源形勢的嚴峻，國際、國家的環(huán)境、能源政策法規(guī)越來越嚴厲，節(jié)能也就成為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計永恒的話題。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)表了作者對變頻水泵節(jié)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(jù)流體力學(xué)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(dǎo)，在風(fēng)機、水泵、以及飛機制造行業(yè)，利用模型級進行新機種設(shè)計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)出一臺水泵或風(fēng)機變速時流量、壓頭及功率和轉(zhuǎn)速間的有名關(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—0水泵額定工況下的參數(shù)；下標—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，保證一個并聯(lián)運行的空調(diào)器因負荷變化改變水量時，不影響到其他空調(diào)器的工作，既保證各空調(diào)器工作時不互相干擾。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，當轉(zhuǎn)數(shù)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(diào)變水量系統(tǒng)的節(jié)能問題時，不加分析、貿(mào)然采用從相似理論推導(dǎo)出來的公式(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)用時概念的混亂。3　定壓供水系統(tǒng)變頻泵功耗的計算公式   無疑，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(tǒng)變頻水泵不同轉(zhuǎn)數(shù)時的性能特別是人們關(guān)心的能耗呢?作者認為，應(yīng)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(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標統(tǒng)一規(guī)定的等等。因此，電路中的一些計算方法就可在水路中應(yīng)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(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間內(nèi)，輸送1m3的水的能耗，當ΔP=常數(shù)時，供水系統(tǒng)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(shù)的定壓供水系統(tǒng)并聯(lián)運行的空調(diào)機和在電壓恒定供電系統(tǒng)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(diào)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(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(guān)η m=090－099；η e—電機效率，和電機結(jié)構(gòu)、容量有關(guān)，η e=075－0994　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)負荷下降時，減小冷凍水量，同時按一定規(guī)律減小主供回水干管間的壓差ΔP，檢查各個空調(diào)機冷凍水閥的開度。當壓差ΔP下降的比使得80％空調(diào)機的冷凍水閥全開時，就認為系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)，可以取得*大的節(jié)能效果，它的節(jié)能機理是*大限度的減小冷凍水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失。當然，*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，也要檢測各個冷凍水調(diào)節(jié)閥的開度甚至流量，在控制技術(shù)十分發(fā)達的今天，*小壓差法變水量控制系統(tǒng)是不難實現(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，只適用于完全相似的工況。2)在實際的定壓供水系統(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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