动力分散式空调水系统运行特性研究

李远斌 屠欣

中国建筑设计院有限公司

0 引言

降低冷热水系统输配能耗对建筑节能有着重要意义。在传统水系统的设计中，输配动力由一台或一组集中设置的水泵提供，称为动力集中系统[1]，泵的扬程根据最不利环路阻力确定，造成其它支路的资用压力富余，对于这些富余的压差，一般依靠增大阻力（阀门节流）的方法消耗，造成大量能源浪费，并且这种损失是不可避免的，输配系统的规模越大，能耗浪费越严重。“以泵代阀[2-3]”这一新的设计理念推动了水系统动力的配置方式由集中转向分散。对于这种新型水系统的动力配置方式，现有资料提出的名称主要有动力分散式水系统[1]、分布式泵系统[4]及分布式变频系统[5]。本文将其称为动力分散式水系统，系统从根上转变传统的设计理念，在各用户支路加装变频水泵代替阀门调节，减小甚至消除传统设计中的阀门能耗，大大降低总输配能耗。许多学者[5-8]对其在集中供热中的应用作了研究。实际上，输配能耗在供冷系统总能耗中占的比例大于其在供热系统总能耗中所占的比例[9]，有些区域供冷系统由于输配能耗太大而导致经济性太差，而动力分散设计中的末端混水系统能实现输配侧“小流量、大温差”运行和末端用户侧“大流量、小温差”运行，大幅度降低输配能耗并改善用户热舒适性，提高供冷系统的经济性。可见，在区域供冷系统中，动力分散式水系统能显示出更大的节能优势和应用前景。本文针对动力分散式冷冻水系统，采用实验测试的方法着重研究该类系统能耗特性和水力稳定性。

1 动力分散式系统介绍

1.1 分布加压式系统

分布加压式系统的特点是除了在冷源处设泵，在所有的分支也设水泵，各级水泵按动力接力的方式提供整个管网系统的输配动力，基本实现动力按需供给，见图1。

图1 分布加压式系统

1.2 末端混水系统

在供热、供冷系统设计中，冷热源所提供的冷热水温度不一定是末端设备所合适的温度。当冷热源供水温度与末端设备需求不匹配时，传统的做法有两种：1）冷热源与末端设备通过中间热器换热间接连接（方案一）；2）设置两套管网系统，分别满足不同末端对供水温度的需求（方案二）。由于传热温差的存在，方案一必然存在着一定的传热损失，而且中间换热器也大大增加了系统初投资。方案二也存在系统初投资大的缺点。还可以采用将冷热源供水与末端设备回水直接混合、无传热损失的直接连接方案，即末端混水系统，通过一套管网系统实现不同末端设备对供水温度的不同需求及一次侧“大温差”输送，大大降低了初投资并节省运行费用。在混水系统中，混水泵可装设在供水管、回水管及平衡管上（图2）。混水比u是一个非常重要的参数，是指进入混水装置(混水泵)的二次网回水流量和一次网供水流量之比。

式中：Gh为二次网回水流量，m3/h；G1g为一次网供水流量，m3/h。

图2 末端混水系统

2 实验台简介

本文搭建如图3所示的动力分散式水系统实验台（各设备参数设置接近实际工程），各输配管段和设备的阻力由安装在各管段上平衡阀的局部阻力替代，各管段和水泵参数见表1和表2。

图3 实验台示意图

表1 实验台各管段设计参数列表

表2 水泵参数列表

3 分析方法

3.1 能耗特性分析方法

为了消除水泵和电机效率等客观因素对实验结果的影响，本实验以水泵的有效输出功率作为能耗的评价指标。水泵的有效输出功率计算公式为：

式中：ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；G 为流量，m3/h；H为水泵的扬程，m；N为水泵的输出功率，kW。

3.2 水力稳定性分析方法

采用依次关闭各用户支路，计算未关闭支路的流量及流量偏离系数的方法来进行水力稳定性的对比和分析。对于第i个支路，当其它支路分别关闭时，流量偏离系数的平均值表示i支路的相对稳定性。用各个支路的均值来表示输配系统的相对稳定性。

式中：K为系统的用户支路数。

4 能耗测试结果与分析

4.1 两种系统设计工况下能耗对比

水泵P2运行，P1、P3、P4及P5停机时，即为动力集中式系统。水泵P1、P3～P5运行，P2停机时，即为动力分布式系统。分别测试计算其设计工况下的能耗，见表3和表4。

表3 动力集中系统设计工况能耗

表4 动力分布系统（非混水）设计工况能耗

从表3、4的数据可以看出，为了满足最远端支路3的资用压头，造成用户支路1和2的资用压头大量富余，富余压头的比例分别48.72%和31.03%，输配系统损失在调节阀上的无效能耗比例占14.2%，总运行能耗高达3.25 kW。动力分散式水系统中调节阀无效能耗的比例很低，仅占总运行能耗的4.21%。各级水泵提供的能量被充分有效利用，省去了大部分调节阀的能耗，总运行能耗为2.86 kW，和动力集中系统相比节能12%。

动力分布式水系统基本消除了各支路调节阀的无效能耗，实现循环动力的按需供给。在理论上，主泵和各加压泵的扬程选择无需任何余量，则可以完全消除系统中所有无效能耗；但在水泵的实际选型中，为确保可靠运行，均会留有一定的安全余量，故动力分式水系统仍需要依靠调节阀微调，水泵并不能完全代替调节阀的作用，因而系统也会存在一定的无效能耗，但比例很低。

4.2 两种系统调节工况下能耗对比

流量的调节方式通常有阀门节流调节和水泵变频调节两种。本文分别测试动力集中系统在两种调节方式下的运行能耗。对于动力分散式系统（非混水），测试其在以下三种运行模式下的运行能耗：1）主泵定速、用户泵变频调节；2）主泵和用户泵变频调节；3）主泵和用户泵定速运行，支路节流调节。

图4 两种系统调节工况下的能耗对比

由图4可以看出，对于动力集中式系统，变频调节时能耗特性完全符合相似定律规律，部分负荷下水泵功率与设计工况下水泵功率之比与流量比呈三次方关系；而阀门节流调节在部分负荷时使无效能耗的比例急剧上升，水泵总功率远大于变频调节下的功率。对于动力分散式系统，模式三由于节流损失而抵消了其在设计工况下的节能优势，违背了“以泵代阀”的设计初衷。因此，动力分散系统中各级水泵适宜采用变速控制策略，避免阀门节流调节。相比于节流调节的动力集中系统，动力分散式水系统在模式一和二下均有较大的节能优势。对于模式一而言，实际应用中为了保证冷机的流量稳定，主泵一般采用定速泵，但也会根据负荷的变化进行简单的台数控制，故实际节能效果会好于图4中的节能效果。

若两种系统均采用变频调节方式，由于变频调节不会改变无效能耗的比例，故动力分散式系统在调节工况下仍节能12%。在实际应用中考虑到需保证通过制冷机组的流量稳定以及电机在低转速下的效率较低等客观因数，变频调节的范围有限，低负荷下仍需要采用阀门节流调节。目前，动力集中式系统多采用阀门节流调节，动力分散式系统采用模式一所述的调节方式更可行。

4.3 末端混水系统能耗测试

水泵P2、P3～P5运行，P1停机，用户支路旁通蝶阀开启，即为末端混水运行方式，调节各水泵转速及平衡阀开度使系统平衡，选取混水比u为1。测试结果见表5。

表5 末端混水系统设计工况能耗

采用末端混水技术以后，实现输配侧小流量运行，使主泵的功率大幅度降低，且三个用户回路几乎没有调节阀的无效能耗，因此系统总运行能耗由动力集中系统的3.25 kW下降到1.98 kW，节能39.08%。随着混水比的增大，输配侧的流量还可以进一步减小，节能效果更显著。

5 水力稳定性测试结果与分析

5.1 两种系统水力稳定性对比

对于动力集中式系统，越靠近冷源的分支水力稳定性越好，各用户之间的水力干扰很强，水力稳定性整体较差。

图5 两种系统水力稳定性对比

从图5可以看出，采用动力分散设计后，各个支路的水力稳定性均有不同程度的提高，尤其对管网末端支路的水力稳定性有明显改善。可见，动力分散设计能有效提高系统的水力稳定性。

5.2 零压差点位置对水力稳定性影响

对于动力分散式系统，由于主循环泵只提供管网系统部分的输配动力，其它所需动力由各分布式水泵补充，使得输配干管上必然存在一个供回水压差为零的点——零压差点。各级水泵扬程的匹配方案与零压差点是一一对应的。改变零压差点位置后测试系统水力稳定性，见图6。

图6 零压差点位置对水力稳定性影响

从图6可以看出，随着零压差点与冷热源距离增大，系统的水力稳定性先逐渐变好，而后又慢慢恶化，当零压差点在干管中部位置附近时，流量偏离系数有极小值，水力稳定性最优。因此从水力稳定性角度出发，零压差点应选择在管网干管中部位置。

5.3 平衡管设置对水力稳定性影响

由上述计算结果可以看出，对于主泵和用户泵直接串联的系统，水泵之间的相互干扰严重，各支路的流量偏离程度在15%以上。为了减小各级泵间的水力干扰，在各级水泵间增加平衡管2-9。水力稳定性分析结果见图7。

图7 平衡管对水力稳定性影响

从图7可看出，设置平衡管2-9后，由于平衡管两端的压降几乎趋近于零，主泵和用户泵之间没有压力的传递，可以说在水力上被分开了，相互间的干扰大大减弱。三个用户支路的流量偏离系数均有很大程度的减小，大大提高了水力稳定性。而当在每个用户支路分别设置平衡管 (本实验台通过开启用户支路旁通蝶阀实现)，用户支路的流量偏离系数几乎等于1，此时的水力稳定性最优。

5.4 阻抗分布对水力稳定性影响

针对用户支路2和3的水力稳定性相对较差，将管段3-4和7-8上的调节阀全开，两管段上的压降由设计参数下的2 m降低为0.5 m。测试计算系统水力稳定性，见图8。

图8 阻抗分布对水力稳定性影响

从图8可以看出，减小用户支路1之后的干管阻抗，支路1的稳定性基本不变；支路2和支路3的水力稳定性均有一定程度的提高。可见，减小干管阻力、增加末端阻力能有效提高水力稳定性。

5.5 流量调节方式对水力稳定性影响

供暖空调水系统主要有节流调节和变频调节两种流量调节方式；节流调节又可分为干管节流和支管节流调节。本实验分别采用三种调节方式将用户支路流量调节到设计流量的75%，测试计算各支路水力稳定性，见图9。

图9 流量调节方式对水力稳定性影响

从图9可以看出，变频调节对系统水力定性影响不大，干管节流调节严重恶化系统水力稳定性，支路节流调节能有效提高系统水力稳定性；因此，在工程应用中，应尽量将调节阀安装在用户分支上，如果有必要进行一定的节流调节，应该优先采用支管节流。

6 结语

和动力集中式系统相比，动力分散式水系统在设计工况下节能12%，在调节工况下也有相当大的节能优势，节约的部分就是动力集中系统中所有调节阀的能耗。末端混水系统能实现高能耗的输配侧“小流量、大温差”运行和相对较低能耗且稳定的末端用户侧“大流量、小温差”运行，设计工况下相对动力集中式系统的节能率为39.08%。

动力分散设计能有效提高系统水力稳定性；在主和加压泵泵之间增加平衡管、减小输配干管阻力、将压差点选取在干管中部位置均能有效改善动力分式系统水力稳定性；变频调节对动力分散式系统水稳定性影响不大，支路节流调节能在一定程度上提系统的水力稳定性。干管节流调节将严重恶化系统水力稳定性。因此，在工程应用中应优采用变速控制策略，若不得以需要节流调节，则应避免干管节流。