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論文摘編
 末端主動變流量的水力工況平衡
   
   
   
                                作者: 崔笑千

一、熱源主動變流量與末端主動變流量

   供熱與空調系統循環水作為熱媒介質,其流量的變化是因應負荷的變化。一般的說如果負荷的變化是隨時一致等比的,流量的變化應隨時一致等比。為節約循環泵電耗而采取熱源主導變流量措施:多泵、少泵、大泵、小泵的配置變化、變速措施等。但其變流量為隨室外溫度參數連續變化或按日期分階段改變流量。
   另一種變流量工況是今天主要討論的問題。當末端負荷不成比例、隨機變化,這時系統必須采用末端的流量調控措施。居住者對室內參數的要求通過控制手段(供熱的溫控閥、手控閥,空調的室內參數控制的電動調節閥)產生流量要求,末端流量需求的總和形成熱源流量。這種變流量工況即為末端主導變流量。
   末端主導變流量在技術上有如下層次概念:
   1)流量變化取決于末端需求,熱源循環泵控制設施不能預測流量的變化,但能感知流量的變化。
   2)某一時段末端負荷不發生明顯變化,這一時段內循環泵的變速過程為定流量變揚程過程。即每一瞬時流量可能是變化的,但這種變化決定于末端要求。循環泵變速措施是在末端決定的流量基礎上,在最小可行的揚程點運行,實現節能的目的。

二、末端主動變流量的工程意義

   供熱工程在過去按建筑面積收取熱費時,熱用戶沒有主動改變負荷和流量的需求。有些大型供熱工程為實現節能目的采取熱源的流量調控措施,具有典型的熱源主導變流量特征。
   在計熱量收費的情況下,用戶的熱需求,不可能完全因應室外氣象條件產生一致反應。學校、辦公等類公用建筑會產生分時供熱的需要,在夜間或節假日會部分或全部地取消熱需求。嚴肅的熱需求是居家的熱需求,因此嚴肅的供熱時段是夜間和節假日。這樣,公用建筑和民居建筑的熱負荷需求恰好是錯峰發生的。凡此種種,都會使計量收費的供熱系統形成末端主導變流量的水力工況特征。
   此前有專家學者考察過現在“計量收費”的供熱系統,得出了“計量收費不變流量”的結論,因為資料里缺乏被考察系統的特征描述,我們只能推測其不變流量的原因:1)現在居住建筑供熱質量沒能達到用戶的需求,用戶不會降低流量去主動挨凍。正常人居家的室溫要求在20~22 ℃ ,如果我們供熱的品質只在20 ℃以下,用戶不會為了節約熱費而調降供熱量,溫控閥會開至最高狀態,“時間通斷法”的室溫設定調至最高狀態,用戶的流量當然不會發生改變。2)很少有公用建筑實施分時供熱方案,在室內十幾小時沒人時,室溫依然保持著白天的狀態。3)系統設施沒有按用戶主導變流量工況設置,少量用戶的流量改變形成相鄰用戶流量的“負改變”,系統流量的改變量極小,甚至是不可觀測的。計量收費只有在按需供熱的市場經濟模式下才能完整實現,只有在完善各方利益構造系統設施的前提下才能完整實現。在不能完整實現計量收費的工況下,考察現場的“變流量”問題是沒有技術意義的。
   按末端主導變流量水力工況特征,構造水力工況控制系統,是實現按需采暖、商品化供熱的技術基礎設施之一。完整實現末端主導變流量前提下供熱的供需雙方才能實現市場經濟的公平交易,才能有滿足需求前提下的行為節能。按末端主導變流量構造供熱系統才能讓供熱企業實現最低電耗的可能。計量收費時,最大熱負荷不同時發生,如果采取了有效的末端主導變流量措施可以有效地調度流量需求,提高熱源的供熱能力,這也是計量收費對供熱企業的最大利益所在。
   空調工程中每一空間的冷負荷不可能一致等比變化。但空調末端的輸出負荷更大的取決于風量,而不是水量。有很多溫濕度精度要求不高的工程以風量調節冷負荷,熱源采取單泵,多泵運行,冬夏兩套循環泵等熱源主動變流量措施。在這里從效果、節能、冷源規模來闡述末端主動變流量的工程應用意義:
   1)空調效果
   對于醫院制藥廠等凈化空調工程,為保證凈化效果風量幾乎是不可變的,只能采用末端主動變流量措施來改變末端負荷。
   對于一般舒適性空調,低負荷期單純降低風量造成表冷器表面溫度過低引起過量析濕,室內環境過于干燥,降低舒適性。第二點,風量的減少同時導致出口風溫低,射流受浮力影響降低, 而風量減小和浮力降低,都會導致射流提前降落于居住者活動空間,造成低溫高流速引起不舒適的感覺。而改變水流量能很好的解決這一問題。過去在高檔次工程中采用三通調節方式,盡管解決了舒適性問題,但卻放棄了節能和減小冷源規模的利益。
   2)節能
   首先,過量析濕一方面降低舒適性,另一方面也造成不必要的冷負荷增量。
   第二,冷機的自動卸載是在低水溫工況實現的,實際未能實現冷機的最高效率。
   第三,不論水泵是否采取變速措施,小流量運行總是節能的。如果采用了變速措施,其節能效果會非常顯著
   3)冷源規模
   只有采取了有效的末端主導變流量措施,才能實現負荷的有效調度。在此基礎上才能充分考慮冷負荷同時發生幾率,有效降低冷源規模,包括冷水機組和循環水泵。

三、末端主動變流量的動態水力工況平衡和壓差控制閥的應用

   末端主導變流量的負荷變化前提決定了該系統水力工況特征。支線、支干線管路不會同時出現設計流量狀態,干線管路永遠不會有設計流量狀態。用累加設計流量的方法做選取管徑的計算是可取的方法,因為干支線管徑偏大選取會加大水力工況穩定性,同時相對地降低循環水泵的電力消耗。但是,基于設計流量狀態的水力平衡分析就失去了工程應用意義。從水力工況分析的角度講有靜態水力工況和動態水力工況,靜態水力工況分析和調節的技術核心是水力工況平衡,而動態水力工況分析和調節都與“平衡”概念無關。
末端主導變流量的水力工況控制應著眼在如下問題:
   1) 每一個末端,不論與熱源遠近,都能在資用壓頭充分時達到設計流量,但不超出設計流量;
   2) 水力工況穩定性最大化,每一個末端自主地改變流量,自主的流量不被其它末端流量調節變化所影響;
   3) 穩定和提高調節控制用閥的閥權度,使電動調節閥、溫度控制閥及手動控制閥能方便靈敏地調節流量;
   4) 熱源循環泵的工況變化不影響末端的流量,使循環泵的變速過程沒有往復搜索地單向完成。
末端主導變流量的主要控制手段是空調末端或換熱站的二通電動調節閥,供熱用戶室內的溫度控制閥、手動調節閥。但此類閥門只能實現變流量的目的,不能依靠它實現遠近不同的水力工況平衡。否則就意味著近端調節閥在設計流量下就處在非滿開度狀態,而小流量處于不可控狀態。其次在開機時和負荷上升期出現室溫實現的遠近時序,這個時序過程也可能很長。
   溫度控制的電動調節閥、室內的溫控閥和手動閥在系統水力工況變化時都不能立即做出反應,屬于準靜態阻力元件。要實現上述末端主導變流量的水力工況目的,只有依靠自力式壓差控制閥。
遠近不平衡問題屬于靜態水力工況問題,或者說是水力平衡問題。其解決手段很多,如縮小管徑,采用靜態平衡閥。但這些純靜態平衡手段,對于末端主導變流量的動態水力控制是沒有意義的,甚至有不利影響:如降低閥權度,使電動調節閥、溫度控制閥的調節特性惡化;不能改善甚至降低水力工況穩定性;水泵調速和電動調節閥交互作用,不能使變速過程單向完成。
   由于此類系統多數情況下熱源的最大流量會遠小于末端設計流量的總和,靜態平衡措施根本無法做流量初分配操作。即或熱源流量滿足末端的流量總和這種靜態平衡對運行狀態也毫無意義。例如:供熱的一個較近端的入戶口用靜態平衡閥,如用戶需求壓差是20 kPa 資用壓差是220 kPa 靜態平衡閥設計流量狀態(流量初分配狀態)阻力應是200 kPa 一半用戶關閉時其阻力或許下降至100多kPa 剩余用戶的壓差要上升120%以上,流量或許上升百分之六七十而被迫超供。
   自力式壓差閥的流量初分配過程為:關閉某些分支線使循環泵流量滿足被調分支線的設計流量總和。操作被調分支上的流量調節閥(調動調節閥、溫控閥、手動調節)到全開狀態。測試末端流量,通過調節控制壓差值使末端流量達到設計流量值。循環步驟逐分支完成流量初分配操作。
   這種流量初分配調試結果意味著每一末端裝置不論遠近,都可以實現設計流量,不可能超出設計流量。而末端的小流量需求由流量調節閥自動控制完成或手動完成。這意味著自力式壓差控制必需是壓差可調的。每一個暖通工程師都清楚我們無法告知末端裝置設計流量的實際阻力真實值。而壓差可調范圍最低應能從10 kPa調節至100 kPa。
   另外需要附帶說明的是在末端有自力式壓差控制閥的前提下,可以合理的縮小近端支線的管徑,以節約管材。在有壓差控制閥的前提下,縮徑措施既不會降低閥權度,也不會影響水力工況穩定性。在末端有自力式壓差控制閥的前提下,不必要在任何管線上刻意構造同程系統。

四、末端主動變流量時的水泵變速控制

   末端主動變流量水泵的變速過程不是變流量而是變揚程過程。其變速信號取值只能是遠端壓差信號,如果系統沒有絕對的最不利回路時可取用一些次不利回路的遠端壓差作為變速 信號。其控制邏輯為所有遠端壓差大于設定值水泵降速,任意壓差小于設定值水泵增速。在北歐的供熱技術文獻中表述為“用3~8個遠端壓差信號控制循環水泵轉速”,在《ITT小紅學校》中,對空調循環泵變速控制也有詳盡闡述。
采用遠端壓差信號的原因有兩個:一是近端壓差變化率低,不利于變速控制。二是遠于壓差控制點的支線流量降低時,控制點的實際需要壓差小于控制點的設定壓差。也就是這種情況水泵有進一步降速可能性。而最遠點壓差控制變速使水泵降速節能的可能達到最大化。

 

 
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