空调水系统节能与水力平衡优化设计的思考

谭　亮（东莞市建筑设计院，广东　东莞　523000）



空调水系统节能与水力平衡优化设计的思考

谭亮（东莞市建筑设计院，广东东莞523000）

中央空调水系统的能耗通常占整个空调系统能耗比重较大，空调水系统的节能也越来越受到重视。同时，空调水系统又存在着水力平衡的要求，也只有在保证水力平衡的条件下，空调水系统的节能才有实际意义。本文从空调水系统的典型形式出发，对空调水系统的水力平衡进行思考，并提出优化设计的方法，以实现空调水系统运行节能的目的。

空调水系统；水力平衡；节能；阀权度

引言

步入21世纪后，我国城市化进程加速推进，面临的环境及资源等问题越来越严重，建筑节能也越来越受到更多关注。由于空调能耗占建筑能耗比重很大，所以空调节能也成了建筑节能的一个关键。就目前的空调技术而言，单一空调设备节能潜力比较有限，但系统整体控制还有节能潜力可挖，尤其是当前许多实际空调工程水系统运行时由于水力失调的原因，即使采用了节能新技术，其节能性远达不到设计要求，因此对空调水系统水力平衡进行优化设计是很有必要的。

1　空调水系统水力平衡

水力失调是许多实际空调工程运行存在的通病。文献［1］将空调水力失调分为静态水力失调与动态水力失调两类，因此，对应的也有静态水力平衡与动态水力平衡两种形式的解决方法。

1.1静态水力平衡

静态水力平衡要求在设计工况下水系统运行参数能与设计值相吻合。以目前的技术水平来看，静态水力平衡已经不是太大问题，通过安装静态水力平衡阀等手段就能达到要求。

当然，对于空调水系统是否需要安装静态水力平衡阀也还是存在争议的，主要集中在以下两点：

（1）安装静态平衡阀增加了系统阻力，对节能不利，甚至不满足节能标准。

（2）与末端串联的静态平衡阀降低了末端电动调节阀的阀权度，降低了回路的动态水力平衡性能。

但从笔者看来，以上两点都不是问题。

（1）水力平衡的重要性要超过节能，水力失调的系统其节能性没有太多讨论价值。而安装了静态平衡阀的供回水管路可以省去安装检修用的截止阀，实际上阻力并未有明显的增大。同时，若是空调水系统设计不满足《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）有关耗电输冷比的要求，通常更深原因应该是整个水系统设计有问题，而不仅仅是安装了静态平衡阀而所致。

（2）未安装静态平衡阀时，控制阀全开，有些回路有利过流量而导致其他回路欠流量。有人提出这些支路可以通过关小末端电动调节阀的一部分阀位来达到设计流量，省去安装静态平衡阀；在此情况下，本身就要牺牲电动调节阀一定的控制性能来保证静态水力平衡，按公式计算出来的阀权度并未完全反映这种情况下阀门特性的偏离，而应该用实际阀权度［1］来讨论这个问题，后文将详述。

此外，某些动态平衡阀同时具有静态平衡阀的功能，若安装了此类阀门则可以省去安装静态平衡阀。

1.2动态水力平衡

对于定流量系统只需考虑静态水力平衡，对于变流量系统则还需考虑动态水力平衡。而在《民用建筑供暖通风与空调设计规范》中已经明确规定除设置一台冷水机组的小型工程可采用定流量系统外，其余皆应采用变流量系统。

变流量系统末端须设置电动阀门来调节水量 （本文不讨论通断阀），目前主要是采用电动两通阀。电动调节阀的控制性能是以定压方式给出的，但是，系统末端流量的调节会引起压力的变化，阀门调节会产生互相干扰，使阀门控制特性产生偏离，当阀门特性偏离程度较大时，阀门阀位微小的变化，冷量的输出变化却很大，此时，要想稳定的控制是不可能的，这会导致阀门频繁关启。动态水力平衡简单来说就是采用技术手段消除回路互扰，使控制阀两端压差不产生较大偏差。

但是，文献［1］提出并不存在绝对意义的动态水力平衡，并给出了阀门特性偏离的参考指标——阀权度β的定义：

式中：ΔPmin——调节阀全开时的压力损失（Pa）；

ΔP——调节阀所在支路资用压头（Pa）。

同时还指出，变流量系统中，只有所有调节阀阀权度为1才能完全实现动态水力平衡，实际工程中由于多种原因难以实现，或没有必要。

2　典型的空调水系统形式

前文提到只有变流量系统才能实现较为理想的静态与动态水力平衡，《民用建筑供暖通风与空调设计规范》中规定了两类变流量系统（限于篇幅本文仅讨论一级泵系统）：变流量系统（冷水机组定流量）、变流量系统（冷水机组变流量）。

2.1变流量系统（冷水机组定流量）

早期的空调工程由于冷机并不具有变流量的功能只能设计为变流量系统（冷水机组定流量），这种系统可以看成是二次泵变流量系统的简化版。系统供回水回路分为负荷侧与主机侧，主机侧定流量运行，负荷侧变流量运行，部分负荷时负荷侧多余水量通过总供回水管之间的旁通管转回主机侧。

此系统只能通过机组台数控制来节约水泵能耗，负荷变化在一定的范围水泵能耗是恒定的 （与机组负荷搭配有关），节能效果稍差。但如果从初投资的角度考虑，这种系统是具有优势的，目前应用还是很广泛。

对于变流量系统（冷水机组定流量）的控制，规范推荐采用压差控制供回水干管之间旁通管上的电动调节阀的方式。

2.2变流量系统（冷水机组变流量）

随着制冷机组变流量运行技术有了新进展，在主机选用具有变流量运行功能的型号时，为了最大限度的节约水泵能耗，主机侧的定频泵可以改为变频泵实现主机侧亦变流量运行，旁通管仅在系统运行水量低于主机最小流量限值时才投入使用。

变流量系统（冷水机组变流量）的控制方式比较多，包括压差、温差、流量等方式。通常情况下，压差控制方式响应快、稳定性好、最具优越性，而压差控制又可分为干管定压差、末端定压差及变压差三种方式，其中末端定压差方式是规范推荐采用的方式，但问题是最不利末端的辨识困难，以及最不利水力末端与最不利热力末端的不一致可能会导致部分末端欠流量；变压差控制方式理论上最为节能，但是这种方式需要系统每个末端都设置压力传感器，控制过于复杂，初投资又过大；而干管定压差的控制方式相对而言简便易行，目前变流量系统（冷水机组变流量）的控制方式还是以干管定压差调节变频水泵转速的方式应用最广［2］。

3　水力平衡优化设计的思考

前文已述及，目前空调工程静态水力平衡基本不是问题，而对于动态水力平衡，文献［1］和《民规》第9.2.5条都提出调节阀设计选型时，使其阀权度在一定的取值范围能保证阀门的调节质量与系统稳定性。

但文献［2］认为阀权度的定义是以支路资用压差恒定得出的，而实际空调水系统通常都是变压差支路，如果低负荷运行，支路资用压力上升，阀门全开时支路就已经超流量，这种情况下阀门的调节特性是更严重偏离的。计算的阀权度却因为调节阀全开的作用压差与支路实际压差等比例改变保持恒定。因此，提出优化的设计参数——实际阀权度βs来描述阀门特性的偏离。实际阀权度比阀权度更具设计参考价值。

式中：ΔP0——调节阀全开并且为设计流量时的压力损失（Pa）；

ΔPS——调节阀所在支路实际总压力损失（Pa）。

文献［2］还提出最小阀权度的概念，其指出在负荷极低时，管道与附件的压力降可以忽略不计，调节阀的压差为水泵扬程，定义最小阀权度为：

式中：ΔP0——调节阀全开并且为设计流量时的压力损失（Pa）；

H——水泵扬程（Pa）。

认为设计支路的调节阀的最小阀权度必须大于0.25。当水系统支路阀门的最小阀权度小于0.25时，一旦系统总负荷与该支路负荷同时降至较低时，该支路的阀门调节基本上处于失控状态。

对于文献［2］的观点，笔者部分赞同，但也有不同看法。同时，受此启发笔者提出优化方法。

（1）当变流量系统采用末端定压差控制方式时，系统的定压点在末端，系统负荷降低时，各支路的资用压差是下降的，而不是上升为水泵扬程，阀门的控制特性反而是向有利控制方向偏离（末端控制阀有可能全开欠流量，但这是系统设计的问题）。这种情况下，按规范直接采用阀权度作为调节阀选型的参考并无太大问题。

（2）当变流量系统采用以干管定压差控制方式时，系统定压点在主机侧与负荷侧的分界处，系统负荷降低时，各支路末端调节阀的调节最大压差应接近干管定压点的压差，即设计工况时水泵扬程减去主机侧水阻，以此重新定义最小阀权度为：

式中：ΔP0——调节阀全开并且为设计流量时的压力损失（Pa）；

H——水泵扬程（Pa）；

ΔPZ——设计工况时，主机侧总压力损失（Pa）。

其限值仍为0.25。所以，当变流量系统采用以干管定压差控制方式时，若校核支路调节阀发现其不满足最小阀权度要求时，对该支路应采用定压技术措施或选用一体阀等方法来解决。

4　结论

（1）空调水系统节能潜力很大，但实际工程中空调水系统的水力失调降低了节能技术应用的效果。

（2）空调水系统采用静态水力平衡阀来满足静态水力平衡要求，具有实用性，存在的一些争议并不构成明显影响。

（3）阀权度的概念对于动态水力平衡而言不够完善，建议设计时兼顾参考文献［2］提出的实际阀权度。

（4）空调水系统动态水力平衡应根据系统控制方式的不同来确定支路的控制阀门的选型或附加技术措施的应用。变流量系统采用末端定压差控制方式，其支路可直接参照规范的阀权度取值范围来选用控制阀，当变流量系统采用干管定压差控制方式，其支路控制阀应在满足规范对阀权度的取值要求的同时，校核是否满足本文定义的最小阀权度要求，若不满足，则建议采取相应的技术措施。

［1］陆耀庆.《实用供热空调设计手册》［M］.中国建筑工业出版社，2008.

［2］罗伯特.帕蒂琼，著.杨国荣，胡仰耆，译.《全面水力平衡——暖通空调水力系统设计与应用手册》［M］.中国建筑工业出版社，2007.

［3］徐 伟，等编.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南［M］.中国建筑工业出版社，2012.

［4］赵天怡.空调冷冻水系统变压差设定值优化控制方法［D］.黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.

［5］范存养，杨国荣，叶大法，编著.高层建筑空调设计及工程实录［M］.中国建筑工业出版社，2013.

谭 亮（1984-），男，注册公用设备工程师，注册咨询工程师，硕士研究生，主要从事暖通空调与节能技术工作。

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2095-2066（2016）11-0081-02

2016-3-8