動(dòng)態(tài)水力平衡對(duì)實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)精確自控的重要性

【摘要】許多人認(rèn)為只要采用足夠好的自控系統(tǒng)，諸如流量分配不均、壓力不穩(wěn)定等水力失調(diào)問(wèn)題就可以得到較好的控制，其實(shí)不然。不管是多么先進(jìn)的自控系統(tǒng)，能否正常工作以實(shí)現(xiàn)人們預(yù)期的精確的溫、濕度控制的重要前提，就是空調(diào)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)水力平衡。本文通過(guò)控制閥閥權(quán)度的概念，建立具體模型的計(jì)算，來(lái)論證動(dòng)態(tài)水力平衡對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)完美精確的自動(dòng)控制的重要性和應(yīng)用方法。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)水力平衡;自動(dòng)控制;控制閥閥權(quán)度;資用壓頭

為什么說(shuō)即使是應(yīng)用了目前最先進(jìn)技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)也經(jīng)常達(dá)不到所要求的舒適度控制效果，這并不是因?yàn)樽钥叵到y(tǒng)本身的不完善，而是在大多數(shù)情況下，問(wèn)題的根本在于自控系統(tǒng)所要控制的對(duì)象本身，也就是傳輸冷（熱）量的媒介——冷（熱）水系統(tǒng)的水力工況！即換言之，那么我們也應(yīng)該從對(duì)水力工況的控制，也就是動(dòng)態(tài)水力平衡的角度來(lái)找到解決方案。

1、控制閥閥權(quán)度

為了表征和衡量控制閥調(diào)節(jié)特性偏移的程度以及后文的論證，我們?cè)賮?lái)介紹一個(gè)“閥權(quán)度”的概念。我們定義控制閥，如電動(dòng)調(diào)節(jié)（兩通）閥的閥權(quán)度為β，

即閥權(quán)度=控制閥全開(kāi)并流過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)的閥門兩端壓差/控制閥關(guān)閉時(shí)兩端的壓差（即該環(huán)路的資用壓頭）。從定義可知閥權(quán)度是一個(gè)介于0～1的數(shù)字，它反映了當(dāng)控制閥從全開(kāi)到全關(guān)時(shí)，有多少額外壓差作用在閥門兩端，額外壓差增加的越多，閥權(quán)度越小，閥門的調(diào)節(jié)特性偏離理想特性——控制閥供應(yīng)商所提供的閥門工作曲線的程度越嚴(yán)重，實(shí)際調(diào)節(jié)特性也就越差。例如，閥權(quán)度β=0.25，表示閥門趨于關(guān)閉時(shí)，有相當(dāng)于4倍的閥門全開(kāi)正常工作時(shí)的壓差作用在控制閥兩端上！通俗點(diǎn)解釋，當(dāng)控制閥關(guān)閉時(shí)，是因?yàn)槲覀兿虢档土髁?，可?dāng)閥門關(guān)小時(shí)，閥門兩端所增大的壓差又會(huì)加快流過(guò)閥門流體的流速，會(huì)產(chǎn)生增加流量的趨勢(shì)，所以控制閥不能真正將流量降低到“所需值”，即控制閥的調(diào)節(jié)特性發(fā)生了改變！一般來(lái)講，我們建議控制閥的閥權(quán)度不應(yīng)小于0.5，最小不能小于0.25。

我們的暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的大部分時(shí)間里，系統(tǒng)所需承擔(dān)的負(fù)荷不超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%，而50%的負(fù)荷意味著什么呢？從一般末端設(shè)備（風(fēng)機(jī)盤管或散熱器）的“熱交換量vs流量”曲線可知（參見(jiàn)圖1），50%的負(fù)荷僅需要約20%的設(shè)計(jì)水流量，而由? ? ? ? ? ? ? ，20%的流量?jī)H產(chǎn)生4%的壓降，這意味著在系統(tǒng)輸配側(cè)水管路、空調(diào)設(shè)備上的壓力損耗僅為設(shè)計(jì)工況的4%！

為了更好的量化和分析問(wèn)題，以典型空調(diào)水系統(tǒng)工況建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)計(jì)算說(shuō)明。在我們所要討論的環(huán)路中，在設(shè)計(jì)工況下盤管阻力20kpa，從水泵至該環(huán)路的管路損失為65kpa，假設(shè)設(shè)計(jì)工況下我們所選的控制閥兩端的工作壓差為15kpa，則從水泵至該點(diǎn)所需的資用壓頭為20+15+65=100kpa。

首先，設(shè)計(jì)工況時(shí)，即該控制閥的最優(yōu)閥權(quán)度。按照定義，分子即是我們所設(shè)的15kpa;再看分母，此時(shí)，系統(tǒng)中其他閥門全開(kāi)，僅有此控制閥趨于關(guān)閉時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流量影響很小，根據(jù)，消耗在從水泵至該回路之前管路上的壓損變化很小，可忽略，那么作用在該控制閥上的壓頭約為100-65=35kpa，則理論上我們可獲得控制閥的閥權(quán)度β=15/35≈0.43，似乎是一個(gè)可以接受的值。

再看一下在50%負(fù)荷情況下此控制閥的閥權(quán)度將如何變化。如前文中論述，我們以常規(guī)的末端空調(diào)設(shè)備為例，系統(tǒng)在50%負(fù)荷情況下設(shè)備及管路中的總流量?jī)H為設(shè)計(jì)流量的20%左右，相應(yīng)地，此時(shí)消耗在系統(tǒng)管路以及末端設(shè)備上的壓損僅為設(shè)計(jì)工況時(shí)的4%，即（65+20）*4%=3.4kpa，那么此時(shí)控制閥趨于關(guān)閉時(shí)作用在其上的實(shí)際壓頭將增大至100-3.4=96.6kpa！實(shí)際閥權(quán)度β=15/96.6≈0.155<0.25！如此低的閥權(quán)度將意味著“振蕩控制”的問(wèn)題將出現(xiàn)！我們付出昂貴代價(jià)所獲得的自控系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的控制效果！而且這種問(wèn)題將可能在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的50%-70%中出現(xiàn)！

結(jié)論：

以往，人們過(guò)于單方面依賴自控系統(tǒng)的作用，而忽視了自控系統(tǒng)所要控制的水系統(tǒng)本身問(wèn)題的復(fù)雜性，即水力不平衡所造成危害的嚴(yán)重性。只有合理地應(yīng)用水力平衡措施，才是提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和節(jié)約能耗的有效途徑。

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作者簡(jiǎn)介：

王煥海，男，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究院工程碩士導(dǎo)師，天合新源（天津）能源科技有限公司副總經(jīng)理。瑞典Tour & Andersson水力學(xué)院亞太區(qū)講師;住建部中德技術(shù)合作“中國(guó)北方地區(qū)既有建筑節(jié)能改造”項(xiàng)目巡講專家;主持“歐盟援助亞洲（Switch-Asia）-天津開(kāi)發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)共生項(xiàng)目”“天津開(kāi)發(fā)區(qū)公共建筑能耗在線監(jiān)測(cè)”等國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目。