空调变水量控制的探讨 点击：2658 | 回复：8
发表于：2006-12-31 13:15:00
楼主
空调变水量控制的探讨
1 随着环境、能源形势的严峻，国际、国家的环境、能源政策法规越来越严厉，节能也就成为空调系统设计永恒的话题。本文从流体力学相似原理角度，分析了空调变水量系统中的水泵的能耗关系，发表了作者对变频水泵节能的一些观点，供同仁参考。
2 水泵的功耗与流量的三次方式成正比公式的由来
根据流体力学的相似原理，两种流动作到安全相似，必须满足几何相似、运动相似和动力相似[1]。以相似原理为指导，在风机、水泵、以及飞机制造行业，利用模型级进行新机种设计的方法也被广泛而有效的地使用。根据相似原理，可以推导出一台水泵或风机变速时流量、压头及功率和转速间的著名关系式(1)～(3)：
式中:
Q—水泵流量，m3／s;P—水泵压头，Pa；N—水泵轴功率，w；n—水泵转数，rpm；下标—0水泵额定工况下的参数；下标—1水泵在转数n 1下的参数。
在现行的空调工程中，如用双通阀的空调冷冻水系统，常常以供回水干管间的压差恒定为条件，使变频水泵输送的冷水量等于空调系统要求的冷水量，保证一个并联运行的空调器因负荷变化改变水量时，不影响到其他空调器的工作，既保证各空调器工作时不互相干扰。又如，在现行的供水系统，一般采用水塔、或无塔上水器等定压供水系统。在定压供水系统中工作的变频水泵，当转数改变时，不满足相似理论中的运动相似、动力相似的条件(仅满足几何相似)，水泵的变工况不和额定工况相似，因此在讨论空调变水量系统的节能问题时，不加分析、贸然采用从相似理论推导出来的公式(3)，并做出在空调变水量系统中，变频水泵轴功率和其转数的三次方成正比的推论，这势必误导读者，造成变频技术在空调变流量系统推广应用时概念的混乱。
3 定压供水系统变频泵功耗的计算公式
无疑，采用空调变水量系统是节能的，但节能关系式绝不象某些文章中说的，水泵的轴功耗和其转数的三次方成正比(如公式(3)所示)。在空调变水量系统中，主供水、回水干管间的压差ΔP=常数，水泵变速时工况不和其额定工况相似，计算水泵变速时性能是不能用公式(1)～(3)。那么，如何计算定压供水系统变频水泵不同转数时的性能特别是人们关心的能耗呢?作者认为，应用水电比拟法可以解决此问题。
水电比拟理论[2]认为，水在管道中的流动特性，和电荷在电路中的流动特性相似，两种流动可以用一组相同的微分方程来描述。水电比拟理论中，水路中的流量Q相当于电路中的电流I，水路中的压力降ΔP相当于电路中的电压降ΔU，水路中的容积相当于电路中的电容，水路中的压差恒定控制装置相当于电路中的稳压器，要求供水系统中水压恒定的道理和要求供电系统中电压恒定的道理相同，只不过恒定的水压是随不同的供水系统而变，而恒定的电压却是国标统一规定的等等。因此，电路中的一些计算方法就可在水路中应用。水路中克服流动阻力的功耗Np我们简称为阻力功耗。可以供用欧姆定理，用公式(4)计算：
Np=Q＊△P W(4)
式中：Q—水路中的流量，m3/s；
△P—水路中的压力降，Pa；
从公式(4)可以看出，对于ΔP=常数的定压供水系统，供水系统的阻力功耗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。实质上，公式(4)就是水路中的能量方程，ΔP的物理含义表示单位时间内，输送1m3的水的能耗，当ΔP=常数时，供水系统的工耗Np只和流量的一次方成正比。这点非常容易理解，在ΔP=常数的定压供水系统并联运行的空调机和在电压恒定供电系统运行的用电器一样，用电器的功耗和通过其的电流的一次方成正比，空调机的水力功耗也和通过其的流量的一次方成正比。显然，公式(4)是具有普遍意义的，它既适用于整个管路阻力功耗的分析，也适用于水路中某个元件阻力功耗的分析。
通常，人们关心的是水泵的总输入功率Nt，Nt和管路中阻力功耗Np有以下关系：
N t=Np/η w(5)
式中：η=η p＊η m＊η e (6)
η—水泵总效率；
η p—水泵当时工况效率，ηp=085左右；
η m—机械传动效率，和水泵和电机连接方式有关η m=090－099；
η e—电机效率，和电机结构、容量有关，η e=075－099
4 水路中的最小压差节能控制法
从上述分析定压供水系统的采用变频水泵节能效果并不象某些文章中说的，之所以这样，是采用传统的控制方法必须满足ΔP=常数的约束条件所致。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压降和水路或水路元件中的水的流速V平方成正比，足见水路中水流速正确选择的重要性。从公式(7)也可得出减小ΔP的途径，如水路中尽量选用通流面积相同、润周为最小的圆管以减少摩擦面积；选用内表面光滑的管材，减小阻力系数λ；设计精心，尽量减小元件的局部阻力损失等。为了在变水量供水系统中取得最大节能效果，必须探索一些新的控制方法。笔者认为，如借用变风量控制系统中的最小静压控制法思想[3]，使变水量供水系统中的ΔP不再保持不变是可行的。具体做法是：在空调系统负荷下降时，减小冷冻水量，同时按一定规律减小主供回水干管间的压差ΔP，检查各个空调机冷冻水阀的开度。当压差ΔP下降的比使得80％空调机的冷冻水阀全开时，就认为系统此时的压差ΔP是最小压差。当然冷冻水阀全开的定义可由自控系统设计者给出，如当冷冻水阀的开度达到75％以上时，就认为此阀全开了。采用最小压差法变水量控制系统，可以取得最大的节能效果，它的节能机理是最大限度的减小冷冻水调节阀的节流损失。当然，最小压差法变水量控制系统和最小静压法变风量控制系统一样，也要检测各个冷冻水调节阀的开度甚至流量，在控制技术十分发达的今天，最小压差法变水量控制系统是不难实现的。
5 结论
1)变频水泵的功耗和其流量的三次方成正比的关系，只适用于完全相似的工况。
2)在实际的定压供水系统中，变频水泵的功耗只和其流量的一次方成正比。
3)定压供水系统中，采用最小压差变水量控制系统，可以取得最大输水节能效果。
1 随着环境、能源形势的严峻，国际、国家的环境、能源政策法规越来越严厉，节能也就成为空调系统设计永恒的话题。本文从流体力学相似原理角度，分析了空调变水量系统中的水泵的能耗关系，发表了作者对变频水泵节能的一些观点，供同仁参考。
2 水泵的功耗与流量的三次方式成正比公式的由来
根据流体力学的相似原理，两种流动作到安全相似，必须满足几何相似、运动相似和动力相似[1]。以相似原理为指导，在风机、水泵、以及飞机制造行业，利用模型级进行新机种设计的方法也被广泛而有效的地使用。根据相似原理，可以推导出一台水泵或风机变速时流量、压头及功率和转速间的著名关系式(1)～(3)：
式中:
Q—水泵流量，m3／s;P—水泵压头，Pa；N—水泵轴功率，w；n—水泵转数，rpm；下标—0水泵额定工况下的参数；下标—1水泵在转数n 1下的参数。
在现行的空调工程中，如用双通阀的空调冷冻水系统，常常以供回水干管间的压差恒定为条件，使变频水泵输送的冷水量等于空调系统要求的冷水量，保证一个并联运行的空调器因负荷变化改变水量时，不影响到其他空调器的工作，既保证各空调器工作时不互相干扰。又如，在现行的供水系统，一般采用水塔、或无塔上水器等定压供水系统。在定压供水系统中工作的变频水泵，当转数改变时，不满足相似理论中的运动相似、动力相似的条件(仅满足几何相似)，水泵的变工况不和额定工况相似，因此在讨论空调变水量系统的节能问题时，不加分析、贸然采用从相似理论推导出来的公式(3)，并做出在空调变水量系统中，变频水泵轴功率和其转数的三次方成正比的推论，这势必误导读者，造成变频技术在空调变流量系统推广应用时概念的混乱。
3 定压供水系统变频泵功耗的计算公式
无疑，采用空调变水量系统是节能的，但节能关系式绝不象某些文章中说的，水泵的轴功耗和其转数的三次方成正比(如公式(3)所示)。在空调变水量系统中，主供水、回水干管间的压差ΔP=常数，水泵变速时工况不和其额定工况相似，计算水泵变速时性能是不能用公式(1)～(3)。那么，如何计算定压供水系统变频水泵不同转数时的性能特别是人们关心的能耗呢?作者认为，应用水电比拟法可以解决此问题。
水电比拟理论[2]认为，水在管道中的流动特性，和电荷在电路中的流动特性相似，两种流动可以用一组相同的微分方程来描述。水电比拟理论中，水路中的流量Q相当于电路中的电流I，水路中的压力降ΔP相当于电路中的电压降ΔU，水路中的容积相当于电路中的电容，水路中的压差恒定控制装置相当于电路中的稳压器，要求供水系统中水压恒定的道理和要求供电系统中电压恒定的道理相同，只不过恒定的水压是随不同的供水系统而变，而恒定的电压却是国标统一规定的等等。因此，电路中的一些计算方法就可在水路中应用。水路中克服流动阻力的功耗Np我们简称为阻力功耗。可以供用欧姆定理，用公式(4)计算：
Np=Q＊△P W(4)
式中：Q—水路中的流量，m3/s；
△P—水路中的压力降，Pa；
从公式(4)可以看出，对于ΔP=常数的定压供水系统，供水系统的阻力功耗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。实质上，公式(4)就是水路中的能量方程，ΔP的物理含义表示单位时间内，输送1m3的水的能耗，当ΔP=常数时，供水系统的工耗Np只和流量的一次方成正比。这点非常容易理解，在ΔP=常数的定压供水系统并联运行的空调机和在电压恒定供电系统运行的用电器一样，用电器的功耗和通过其的电流的一次方成正比，空调机的水力功耗也和通过其的流量的一次方成正比。显然，公式(4)是具有普遍意义的，它既适用于整个管路阻力功耗的分析，也适用于水路中某个元件阻力功耗的分析。
通常，人们关心的是水泵的总输入功率Nt，Nt和管路中阻力功耗Np有以下关系：
N t=Np/η w(5)
式中：η=η p＊η m＊η e (6)
η—水泵总效率；
η p—水泵当时工况效率，ηp=085左右；
η m—机械传动效率，和水泵和电机连接方式有关η m=090－099；
η e—电机效率，和电机结构、容量有关，η e=075－099
4 水路中的最小压差节能控制法
从上述分析定压供水系统的采用变频水泵节能效果并不象某些文章中说的，之所以这样，是采用传统的控制方法必须满足ΔP=常数的约束条件所致。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压降和水路或水路元件中的水的流速V平方成正比，足见水路中水流速正确选择的重要性。从公式(7)也可得出减小ΔP的途径，如水路中尽量选用通流面积相同、润周为最小的圆管以减少摩擦面积；选用内表面光滑的管材，减小阻力系数λ；设计精心，尽量减小元件的局部阻力损失等。为了在变水量供水系统中取得最大节能效果，必须探索一些新的控制方法。笔者认为，如借用变风量控制系统中的最小静压控制法思想[3]，使变水量供水系统中的ΔP不再保持不变是可行的。具体做法是：在空调系统负荷下降时，减小冷冻水量，同时按一定规律减小主供回水干管间的压差ΔP，检查各个空调机冷冻水阀的开度。当压差ΔP下降的比使得80％空调机的冷冻水阀全开时，就认为系统此时的压差ΔP是最小压差。当然冷冻水阀全开的定义可由自控系统设计者给出，如当冷冻水阀的开度达到75％以上时，就认为此阀全开了。采用最小压差法变水量控制系统，可以取得最大的节能效果，它的节能机理是最大限度的减小冷冻水调节阀的节流损失。当然，最小压差法变水量控制系统和最小静压法变风量控制系统一样，也要检测各个冷冻水调节阀的开度甚至流量，在控制技术十分发达的今天，最小压差法变水量控制系统是不难实现的。
5 结论
1)变频水泵的功耗和其流量的三次方成正比的关系，只适用于完全相似的工况。
2)在实际的定压供水系统中，变频水泵的功耗只和其流量的一次方成正比。
3)定压供水系统中，采用最小压差变水量控制系统，可以取得最大输水节能效果。
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