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论文摘编
 末端主动变流量的水力工况平衡
   
   
   
                                作者: 崔笑千

一、热源主动变流量与末端主动变流量

   供热与空调系统循环水作为热媒介质,其流量的变化是因应负荷的变化。一般的说如果负荷的变化是随时一致等比的,流量的变化应随时一致等比。为节约循环泵电耗而采取热源主导变流量措施:多泵、少泵、大泵、小泵的配置变化、变速措施等。但其变流量为随室外温度参数连续变化或按日期分阶段改变流量。
   另一种变流量工况是今天主要讨论的问题。当末端负荷不成比例、随机变化,这时系统必须采用末端的流量调控措施。居住者对室内参数的要求通过控制手段(供热的温控阀、手控阀,空调的室内参数控制的电动调节阀)产生流量要求,末端流量需求的总和形成热源流量。这种变流量工况即为末端主导变流量。
   末端主导变流量在技术上有如下层次概念:
   1)流量变化取决于末端需求,热源循环泵控制设施不能预测流量的变化,但能感知流量的变化。
   2)某一时段末端负荷不发生明显变化,这一时段内循环泵的变速过程为定流量变扬程过程。即每一瞬时流量可能是变化的,但这种变化决定于末端要求。循环泵变速措施是在末端决定的流量基础上,在最小可行的扬程点运行,实现节能的目的。

二、末端主动变流量的工程意义

   供热工程在过去按建筑面积收取热费时,热用户没有主动改变负荷和流量的需求。有些大型供热工程为实现节能目的采取热源的流量调控措施,具有典型的热源主导变流量特征。
   在计热量收费的情况下,用户的热需求,不可能完全因应室外气象条件产生一致反应。学校、办公等类公用建筑会产生分时供热的需要,在夜间或节假日会部分或全部地取消热需求。严肃的热需求是居家的热需求,因此严肃的供热时段是夜间和节假日。这样,公用建筑和民居建筑的热负荷需求恰好是错峰发生的。凡此种种,都会使计量收费的供热系统形成末端主导变流量的水力工况特征。
   此前有专家学者考察过现在“计量收费”的供热系统,得出了“计量收费不变流量”的结论,因为资料里缺乏被考察系统的特征描述,我们只能推测其不变流量的原因:1)现在居住建筑供热质量没能达到用户的需求,用户不会降低流量去主动挨冻。正常人居家的室温要求在20~22 ℃ ,如果我们供热的品质只在20 ℃以下,用户不会为了节约热费而调降供热量,温控阀会开至最高状态,“时间通断法”的室温设定调至最高状态,用户的流量当然不会发生改变。2)很少有公用建筑实施分时供热方案,在室内十几小时没人时,室温依然保持着白天的状态。3)系统设施没有按用户主导变流量工况设置,少量用户的流量改变形成相邻用户流量的“负改变”,系统流量的改变量极小,甚至是不可观测的。计量收费只有在按需供热的市场经济模式下才能完整实现,只有在完善各方利益构造系统设施的前提下才能完整实现。在不能完整实现计量收费的工况下,考察现场的“变流量”问题是没有技术意义的。
   按末端主导变流量水力工况特征,构造水力工况控制系统,是实现按需采暖、商品化供热的技术基础设施之一。完整实现末端主导变流量前提下供热的供需双方才能实现市场经济的公平交易,才能有满足需求前提下的行为节能。按末端主导变流量构造供热系统才能让供热企业实现最低电耗的可能。计量收费时,最大热负荷不同时发生,如果采取了有效的末端主导变流量措施可以有效地调度流量需求,提高热源的供热能力,这也是计量收费对供热企业的最大利益所在。
   空调工程中每一空间的冷负荷不可能一致等比变化。但空调末端的输出负荷更大的取决于风量,而不是水量。有很多温湿度精度要求不高的工程以风量调节冷负荷,热源采取单泵,多泵运行,冬夏两套循环泵等热源主动变流量措施。在这里从效果、节能、冷源规模来阐述末端主动变流量的工程应用意义:
   1)空调效果
   对于医院制药厂等净化空调工程,为保证净化效果风量几乎是不可变的,只能采用末端主动变流量措施来改变末端负荷。
   对于一般舒适性空调,低负荷期单纯降低风量造成表冷器表面温度过低引起过量析湿,室内环境过于干燥,降低舒适性。第二点,风量的减少同时导致出口风温低,射流受浮力影响降低, 而风量减小和浮力降低,都会导致射流提前降落于居住者活动空间,造成低温高流速引起不舒适的感觉。而改变水流量能很好的解决这一问题。过去在高档次工程中采用三通调节方式,尽管解决了舒适性问题,但却放弃了节能和减小冷源规模的利益。
   2)节能
   首先,过量析湿一方面降低舒适性,另一方面也造成不必要的冷负荷增量。
   第二,冷机的自动卸载是在低水温工况实现的,实际未能实现冷机的最高效率。
   第三,不论水泵是否采取变速措施,小流量运行总是节能的。如果采用了变速措施,其节能效果会非常显著
   3)冷源规模
   只有采取了有效的末端主导变流量措施,才能实现负荷的有效调度。在此基础上才能充分考虑冷负荷同时发生几率,有效降低冷源规模,包括冷水机组和循环水泵。

三、末端主动变流量的动态水力工况平衡和压差控制阀的应用

   末端主导变流量的负荷变化前提决定了该系统水力工况特征。支线、支干线管路不会同时出现设计流量状态,干线管路永远不会有设计流量状态。用累加设计流量的方法做选取管径的计算是可取的方法,因为干支线管径偏大选取会加大水力工况稳定性,同时相对地降低循环水泵的电力消耗。但是,基于设计流量状态的水力平衡分析就失去了工程应用意义。从水力工况分析的角度讲有静态水力工况和动态水力工况,静态水力工况分析和调节的技术核心是水力工况平衡,而动态水力工况分析和调节都与“平衡”概念无关。
末端主导变流量的水力工况控制应着眼在如下问题:
   1) 每一个末端,不论与热源远近,都能在资用压头充分时达到设计流量,但不超出设计流量;
   2) 水力工况稳定性最大化,每一个末端自主地改变流量,自主的流量不被其它末端流量调节变化所影响;
   3) 稳定和提高调节控制用阀的阀权度,使电动调节阀、温度控制阀及手动控制阀能方便灵敏地调节流量;
   4) 热源循环泵的工况变化不影响末端的流量,使循环泵的变速过程没有往复搜索地单向完成。
末端主导变流量的主要控制手段是空调末端或换热站的二通电动调节阀,供热用户室内的温度控制阀、手动调节阀。但此类阀门只能实现变流量的目的,不能依靠它实现远近不同的水力工况平衡。否则就意味着近端调节阀在设计流量下就处在非满开度状态,而小流量处于不可控状态。其次在开机时和负荷上升期出现室温实现的远近时序,这个时序过程也可能很长。
   温度控制的电动调节阀、室内的温控阀和手动阀在系统水力工况变化时都不能立即做出反应,属于准静态阻力元件。要实现上述末端主导变流量的水力工况目的,只有依靠自力式压差控制阀。
远近不平衡问题属于静态水力工况问题,或者说是水力平衡问题。其解决手段很多,如缩小管径,采用静态平衡阀。但这些纯静态平衡手段,对于末端主导变流量的动态水力控制是没有意义的,甚至有不利影响:如降低阀权度,使电动调节阀、温度控制阀的调节特性恶化;不能改善甚至降低水力工况稳定性;水泵调速和电动调节阀交互作用,不能使变速过程单向完成。
   由于此类系统多数情况下热源的最大流量会远小于末端设计流量的总和,静态平衡措施根本无法做流量初分配操作。即或热源流量满足末端的流量总和这种静态平衡对运行状态也毫无意义。例如:供热的一个较近端的入户口用静态平衡阀,如用户需求压差是20 kPa 资用压差是220 kPa 静态平衡阀设计流量状态(流量初分配状态)阻力应是200 kPa 一半用户关闭时其阻力或许下降至100多kPa 剩余用户的压差要上升120%以上,流量或许上升百分之六七十而被迫超供。
   自力式压差阀的流量初分配过程为:关闭某些分支线使循环泵流量满足被调分支线的设计流量总和。操作被调分支上的流量调节阀(调动调节阀、温控阀、手动调节)到全开状态。测试末端流量,通过调节控制压差值使末端流量达到设计流量值。循环步骤逐分支完成流量初分配操作。
   这种流量初分配调试结果意味着每一末端装置不论远近,都可以实现设计流量,不可能超出设计流量。而末端的小流量需求由流量调节阀自动控制完成或手动完成。这意味着自力式压差控制必需是压差可调的。每一个暖通工程师都清楚我们无法告知末端装置设计流量的实际阻力真实值。而压差可调范围最低应能从10 kPa调节至100 kPa。
   另外需要附带说明的是在末端有自力式压差控制阀的前提下,可以合理的缩小近端支线的管径,以节约管材。在有压差控制阀的前提下,缩径措施既不会降低阀权度,也不会影响水力工况稳定性。在末端有自力式压差控制阀的前提下,不必要在任何管线上刻意构造同程系统。

四、末端主动变流量时的水泵变速控制

   末端主动变流量水泵的变速过程不是变流量而是变扬程过程。其变速信号取值只能是远端压差信号,如果系统没有绝对的最不利回路时可取用一些次不利回路的远端压差作为变速 信号。其控制逻辑为所有远端压差大于设定值水泵降速,任意压差小于设定值水泵增速。在北欧的供热技术文献中表述为“用3~8个远端压差信号控制循环水泵转速”,在《ITT小红学校》中,对空调循环泵变速控制也有详尽阐述。
采用远端压差信号的原因有两个:一是近端压差变化率低,不利于变速控制。二是远于压差控制点的支线流量降低时,控制点的实际需要压差小于控制点的设定压差。也就是这种情况水泵有进一步降速可能性。而最远点压差控制变速使水泵降速节能的可能达到最大化。

 

 
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