摘要：通過(guò)5個(gè)工程實(shí)例，探討在供熱空調(diào)系統(tǒng)中利用變速風(fēng)機(jī)和變速泵代替調(diào)節(jié)用風(fēng)閥水閥實(shí)現(xiàn)風(fēng)和水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)的可能性。分析表明，這樣做可以節(jié)省運(yùn)行能耗，同時(shí)改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)的初投資一般也不會(huì)增加。水泵和風(fēng)機(jī)能耗約占供熱空調(diào)系統(tǒng)總能耗的40？這些能耗中的1/3左右被各種調(diào)節(jié)閥門(mén)所消耗，但這樣大的代價(jià)并沒(méi)有換來(lái)好的調(diào)節(jié)效果，反而導(dǎo)致系統(tǒng)中許多問(wèn)題發(fā)生。采用變速風(fēng)機(jī)和變速泵充當(dāng)調(diào)節(jié)手段，可節(jié)省這部分能耗，并可解決許多調(diào)節(jié)中的困難。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)節(jié)水系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)變速水泵變速風(fēng)機(jī)
1、引言
在暖通空調(diào)工程中，使用大量的風(fēng)閥水閥對(duì)系統(tǒng)中的風(fēng)量水量進(jìn)行調(diào)整，使其滿足所要求的工況。它們的調(diào)節(jié)原理是增加系統(tǒng)的阻力，以消耗泵或風(fēng)機(jī)提供的多余的壓頭，達(dá)到減少流量的目的。因此這些調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是以消耗風(fēng)機(jī)或水泵運(yùn)行能耗為代價(jià)的。目前暖通空調(diào)工程中愈來(lái)愈多地使用自動(dòng)控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)自控，許多風(fēng)閥水閥還要使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前質(zhì)量好的電動(dòng)水閥價(jià)格為幾千甚至上萬(wàn)元。電動(dòng)風(fēng)閥亦需要幾千元。電動(dòng)風(fēng)閥水閥的費(fèi)用常常占到自控系統(tǒng)總費(fèi)用的40％以上。能否改變系統(tǒng)的構(gòu)成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門(mén)，用其它方式實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)？風(fēng)機(jī)水泵與風(fēng)閥水閥是一一對(duì)應(yīng)的兩類(lèi)調(diào)節(jié)流量的設(shè)備。風(fēng)機(jī)水泵為流體提供動(dòng)力，而風(fēng)閥水閥則消耗流體多余的動(dòng)力。因此，若用風(fēng)機(jī)水泵代替風(fēng)閥水閥，不是在能量多余處加裝閥門(mén)，而是在能量不足處增裝水泵或風(fēng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。此時(shí)由于減少了調(diào)節(jié)閥，也就減少了閥門(mén)所消耗的能量，因此會(huì)減小運(yùn)行能耗。同時(shí)，目前可變轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)、水泵價(jià)格與相同流量的電動(dòng)風(fēng)閥、水閥價(jià)格接近，甚至更低，因此初投資也不會(huì)提高。從這一思路出發(fā)，本文先給出幾個(gè)用泵代閥的例子，然后進(jìn)一步討論這一方案對(duì)暖能空調(diào)工程的意義及要注意的問(wèn)題，以期引起大家的討論。
2、實(shí)例分析
2.1簡(jiǎn)單系統(tǒng)的流量控制
圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制循環(huán)流量的系統(tǒng)，泵P提供動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)水通過(guò)閥V、管道及用戶(hù)U間的循環(huán)。圖2給出當(dāng)閥全開(kāi)、泵的轉(zhuǎn)速n=n0時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)。此時(shí)，流量為G0，水泵工作效率為η0，即效率最高點(diǎn)。要使流量減小一半，一種方式是將閥門(mén)關(guān)小，使管網(wǎng)等效阻力特性曲線向左偏移，見(jiàn)圖2。此時(shí)泵的效率降低至η1，壓力升至p1。由于壓力升高，效率降低，因此盡管流量減少至一半，泵耗僅減少20％～30％，此時(shí)除閥門(mén)以外的管網(wǎng)部分由于其阻力特性不變，因此僅消耗壓降p0/4，剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在閥門(mén)上，它消耗了此時(shí)泵耗的80％，這就是為什么說(shuō)調(diào)節(jié)閥消耗了大部分水泵能耗的依據(jù)。此外，水泵工作點(diǎn)偏移造成的不穩(wěn)定、閥關(guān)小后大的節(jié)流和壓降引起的噪聲，都對(duì)系統(tǒng)有不良影響。
若保持不變，但將泵的轉(zhuǎn)速降至50％，圖2同時(shí)給出此時(shí)的工作狀況，這時(shí)管網(wǎng)的阻力特性曲線不變，泵的工作曲線下移，泵的工作效率仍將為η0，壓力p2為p0/4。這樣，減少流量后泵耗僅為原來(lái)的1/8，具有極顯著的節(jié)能效果。同時(shí)，由于泵的工作點(diǎn)及閥的位置均未變，因此系統(tǒng)工作穩(wěn)定，且不會(huì)有節(jié)流噪聲。
此簡(jiǎn)單例子說(shuō)明：
(1)當(dāng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用時(shí)，將消耗其所在支路的大部分流體動(dòng)力。并且由于改變了管網(wǎng)阻力特性，使管網(wǎng)中的動(dòng)力機(jī)械工作點(diǎn)偏移，在多數(shù)情況下這將導(dǎo)致效率下降。
(2)當(dāng)采用變速方式調(diào)節(jié)流量時(shí)，泵或風(fēng)機(jī)能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于系統(tǒng)阻力特性不變，泵或風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)不變，因此效率不變，泵、風(fēng)機(jī)及系統(tǒng)均可穩(wěn)定地工作。
(3)以調(diào)整泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整流量應(yīng)該是流量調(diào)節(jié)的最好手段。
2.2供熱水網(wǎng)
虛線以下部分為用戶(hù)所消耗的資用壓頭，而虛線以上部分則為閥門(mén)所消耗。若系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，泵選擇適當(dāng)，則最遠(yuǎn)端用戶(hù)處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開(kāi)，不多消耗能量。此時(shí)，若各用戶(hù)流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的阻力，對(duì)于n個(gè)用戶(hù)，閥門(mén)V1消耗的能量與用戶(hù)外管網(wǎng)所消耗的總能量的百分比EV1為：
EV1＝(1/n)×((n-1)/n)
第k個(gè)閥門(mén)所消耗能量與用戶(hù)外管網(wǎng)總能耗的百分比EVk
EV1＝(1/n)×((n-1)/n)
前n-1個(gè)閥門(mén)共消耗的能量為：
當(dāng)熱用戶(hù)個(gè)數(shù)足夠多時(shí)，（n－1）／(2n)約等于50％，也就是消耗在外網(wǎng)的能耗約有一半被各支路的調(diào)節(jié)閥所消耗。一般用戶(hù)側(cè)真正需要的揚(yáng)程僅為循環(huán)泵揚(yáng)程的20％～30％，即外網(wǎng)消耗70％～80％。因此，總泵耗的35％～40％的能量被調(diào)節(jié)閥消耗掉。有時(shí)為安全起見(jiàn)，循環(huán)泵的揚(yáng)程還要選大些，然后再通過(guò)圖3中的閥門(mén)V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網(wǎng)中調(diào)節(jié)閥消耗一半以上的泵耗。
若改用連接熱水管網(wǎng)，在各用戶(hù)處安裝用戶(hù)回水加壓泵，代替調(diào)節(jié)閥，減小主循環(huán)泵的揚(yáng)程，使其只承擔(dān)熱源及一部分干管的壓降，用戶(hù)的壓降及另一部分干管壓降由各用戶(hù)內(nèi)的回水加壓泵提供。
此時(shí)無(wú)調(diào)節(jié)閥，因此也無(wú)調(diào)節(jié)閥損失的泵耗，用戶(hù)處各個(gè)回水加壓泵的揚(yáng)程應(yīng)仔細(xì)選擇。若選擇過(guò)大，再用閥門(mén)降低同樣會(huì)消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶(hù)所要求的流量，因此不再靠調(diào)節(jié)閥消耗泵耗，這樣，盡管多裝了許多泵，但運(yùn)行電耗將降低50％以上。
在這種情況下，若各用戶(hù)要求的流量變化頻繁，整個(gè)系統(tǒng)的總流量亦在較大范圍內(nèi)變化，總循環(huán)泵也可用變頻泵，并根據(jù)干管中部供回水壓差（見(jiàn)圖5、6中點(diǎn)A）來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，使該點(diǎn)壓差維持為零，則系統(tǒng)具有非常好的調(diào)節(jié)性能與節(jié)能效果。分析表明，當(dāng)采用如圖3常規(guī)的管網(wǎng)方式時(shí)，若由于某種原因，一半用戶(hù)關(guān)閉，不需要供水時(shí)，未關(guān)的用戶(hù)水量會(huì)增加，最大的流量可增加50％以上，而同樣的管網(wǎng)采用圖5的方式，并且對(duì)主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行上述方式的控制，則同樣情況下未關(guān)閉的用戶(hù)的水量增加最大的不超8％，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性大為改善。此方面的進(jìn)一步詳細(xì)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，這一方案準(zhǔn)備在已開(kāi)始施工的杭州熱電廠冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)中使用，各用戶(hù)為吸收式制冷機(jī)、生活熱水用換熱器，冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明，對(duì)于這種負(fù)荷大范圍變化的系統(tǒng)，采用這種方式，比常規(guī)方式節(jié)省泵的電耗62％，并改善了系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。同時(shí)還使整個(gè)系統(tǒng)壓力變化范圍減小，從而可降低管網(wǎng)承壓要求，處長(zhǎng)管網(wǎng)壽命。在各用戶(hù)處安裝調(diào)速泵所增加的費(fèi)用基本上可以從各用戶(hù)省掉的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及節(jié)省的用電增容費(fèi)中補(bǔ)齊，因此總投資可以不增加甚至有所降低。
2.3空調(diào)水系統(tǒng)
為減少水泵電耗，便于系統(tǒng)調(diào)節(jié)，許多系統(tǒng)采用兩級(jí)泵方式。泵組P1可根據(jù)要求的制冷機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)而啟停，其揚(yáng)程僅克服蒸發(fā)器阻力及冷凍站內(nèi)部分管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶(hù)的壓降。為了節(jié)能，P2有時(shí)還采用變速泵，根據(jù)用戶(hù)要求的流量調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)規(guī)則是維持最遠(yuǎn)端用戶(hù)處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻(xiàn)[2]中指出，P2采用變速泵后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣與流量的三次方成正比。假設(shè)冷水用戶(hù)所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50％，例如均為5m，則泵組P2的轉(zhuǎn)速就要按照使最末端壓差恒定為5m來(lái)控制。假設(shè)各用戶(hù)要求的流量均為最大流量的50％，則各用戶(hù)本身的調(diào)節(jié)閥都紛紛關(guān)小，此時(shí)末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變?yōu)?.25m，泵組P2所要求的壓降從原來(lái)的10m降至6.25m，流量雖降至一半，但泵的工作點(diǎn)左偏，效率降低，因此泵耗約為最大流量時(shí)的45％左右，而并非按照三次方規(guī)律所預(yù)測(cè)的12.5％。造成這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于各用戶(hù)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，消耗了多余的這部分能量。
此外，如果干管壓降占P2揚(yáng)程的一半，則如同上一例所分析，由于各用戶(hù)遠(yuǎn)近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶(hù)的調(diào)節(jié)閥所消耗。并且空調(diào)系統(tǒng)為了改善其調(diào)節(jié)性能，還希望調(diào)節(jié)閥兩側(cè)壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣，平均估計(jì)，即使采用變速泵，泵組P2的能量中也有60％以上被各個(gè)調(diào)節(jié)閥消耗掉。
按照前一例的思路，將各調(diào)節(jié)閥改為變頻泵，取消泵P2的新方案。按照這個(gè)方案運(yùn)行，當(dāng)制冷機(jī)要求的水量大于用戶(hù)需要的水量時(shí)的水壓圖；用戶(hù)要求的水量大于制冷機(jī)側(cè)水量時(shí)的水壓圖。采用這種方式將不再需要調(diào)節(jié)閥，由此可看出，對(duì)于大多數(shù)支路來(lái)說(shuō)，供回水干管間是負(fù)壓差，當(dāng)某臺(tái)空調(diào)機(jī)的水泵停止時(shí)，流量會(huì)自動(dòng)成為零。改變用戶(hù)處水泵的轉(zhuǎn)速，可以很好地實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。由于不再安裝任何調(diào)節(jié)閥，因此再?zèng)]有調(diào)節(jié)閥所造成的損失。當(dāng)流量減少一半時(shí)，用戶(hù)水泵的工作點(diǎn)將略有偏移，但能耗仍可降低80％以上。當(dāng)系統(tǒng)平均運(yùn)行流量為最大流量的70％時(shí)，可以計(jì)算出與采用變速泵P2的方式相比，各用戶(hù)泵電耗的總工程和不足泵P2電耗的35％。
再分析這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)由于某種原因，一些用戶(hù)關(guān)閉，一些用戶(hù)調(diào)小，總流量降低50％時(shí)，干管壓降減少，泵的轉(zhuǎn)速未變化的用戶(hù)的流量最大增加幅度約為10％～20％，與泵的性能曲線形狀有關(guān)。這時(shí)只要將轉(zhuǎn)速相應(yīng)地減少，即可維持原流量。采用這種方式，用各個(gè)小變頻泵代替一組大變頻泵，由于總功率降低20％～30％，因此價(jià)格不會(huì)增加。采用新方案后，還省掉各個(gè)空調(diào)機(jī)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，因此初投資將降低。
2.4空氣處理室
常見(jiàn)的可變新風(fēng)量的空氣處理室。為了充分利用新風(fēng)，希望能夠通過(guò)調(diào)整3個(gè)風(fēng)閥來(lái)改變新回風(fēng)比，實(shí)現(xiàn)要求的送風(fēng)參數(shù)。由于空氣被排風(fēng)機(jī)從房間抽回后，要經(jīng)風(fēng)閥A排至大氣，因此點(diǎn)a處必須為正壓，而外界新風(fēng)又要經(jīng)過(guò)風(fēng)閥B進(jìn)入空氣處理室，因此點(diǎn)b處必須是負(fù)壓。a、b兩點(diǎn)間的壓差將等于新風(fēng)閥B和新風(fēng)風(fēng)道的壓降與排風(fēng)閥A和排風(fēng)風(fēng)道壓降之和。若新風(fēng)道新風(fēng)閥和排風(fēng)道排風(fēng)閥的壓降分別為100Pa則a、b間的壓降為200Pa。這樣大的壓差僅依靠一個(gè)風(fēng)閥C來(lái)調(diào)節(jié)很困難。因此，這樣的系統(tǒng)實(shí)際上很難真正實(shí)現(xiàn)新回風(fēng)比連續(xù)可調(diào)。由于3個(gè)風(fēng)閥的位置不協(xié)調(diào)，使a、b兩點(diǎn)間的壓降很難保持不變，這樣還導(dǎo)致實(shí)際的總風(fēng)量隨3個(gè)風(fēng)閥的調(diào)整而變化，當(dāng)全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)，總風(fēng)量有時(shí)可比最小新風(fēng)時(shí)小10％以上。
根據(jù)風(fēng)機(jī)代替風(fēng)閥的思路，可以設(shè)計(jì)空氣處理室。將原來(lái)的回風(fēng)機(jī)改為可以變速的排風(fēng)機(jī)。送風(fēng)機(jī)F1克服空氣處理室設(shè)備及送、回風(fēng)道的阻力。點(diǎn)a處為負(fù)壓，其數(shù)值為回風(fēng)道的壓降。單獨(dú)調(diào)整新風(fēng)閥B或排風(fēng)機(jī)F2的轉(zhuǎn)速，可改變a點(diǎn)的壓力，從而改變室內(nèi)正壓度；同時(shí)調(diào)整F2的轉(zhuǎn)速和閥A的開(kāi)度，則可以準(zhǔn)確地調(diào)整新回風(fēng)比，而不影響總風(fēng)量。圖中的單向?qū)Я魅~片用來(lái)防止新風(fēng)進(jìn)入后與回風(fēng)混和，一部分由排風(fēng)機(jī)排走，保證a處空氣向b處流動(dòng)，而無(wú)氣流倒流的現(xiàn)象。當(dāng)空調(diào)室的新風(fēng)和排風(fēng)道較長(zhǎng)或斷面較小、阻力較大時(shí)，采用這種方式還可以徹底解決圖11方式的新風(fēng)量難以增大的問(wèn)題。只要新風(fēng)風(fēng)道的壓降小于回風(fēng)風(fēng)道的壓降，就可以實(shí)現(xiàn)從最小新風(fēng)至全新風(fēng)的連續(xù)有效的調(diào)節(jié)。
這一方式的缺點(diǎn)是：當(dāng)回風(fēng)風(fēng)道阻力較大時(shí)點(diǎn)a負(fù)壓降大，于是要求排風(fēng)機(jī)F2即使在小風(fēng)量時(shí)（如最小新風(fēng)時(shí)）也要有較大的壓頭以克服點(diǎn)a處的負(fù)壓。這與變轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)的特性不一致。出于這一點(diǎn)，還可以采用，用4臺(tái)風(fēng)機(jī)分別擔(dān)當(dāng)送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)和送新風(fēng)的任務(wù)。這時(shí)，圖中的點(diǎn)a處壓力與大氣壓相同，送風(fēng)機(jī)克服送風(fēng)風(fēng)道及空氣處理室設(shè)備的阻力，回風(fēng)機(jī)F2克服回風(fēng)道的阻力，排風(fēng)機(jī)F3和新風(fēng)機(jī)F4可以為一臺(tái)電機(jī)連接同步運(yùn)轉(zhuǎn)的變速風(fēng)機(jī)。改變其轉(zhuǎn)速即可改變新風(fēng)與回風(fēng)比。此時(shí)的新回風(fēng)比嚴(yán)格與F3、F4的轉(zhuǎn)速成正比。房間正壓度可用設(shè)在回風(fēng)風(fēng)道或送風(fēng)風(fēng)道上的風(fēng)閥來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)好后總送量量將維持不變。新回風(fēng)比則完全由F3、F4的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，它們的改變對(duì)總風(fēng)量及房間內(nèi)壓力無(wú)任何影響。
但實(shí)際的運(yùn)行能耗反而小于圖11的常規(guī)系統(tǒng)及圖12的雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。這是由于它不再有常規(guī)系統(tǒng)中混風(fēng)閥C和圖12系統(tǒng)中的新風(fēng)閥節(jié)流能耗。與常規(guī)系統(tǒng)相比，在全新風(fēng)時(shí)，圖13中風(fēng)機(jī)F4與F1的壓力之和與常規(guī)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)壓力相同。這樣，圖13中4臺(tái)風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率應(yīng)與同樣風(fēng)量常規(guī)系統(tǒng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的電機(jī)功耗不變，而圖13系統(tǒng)的F3、F4低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，功耗降低。對(duì)圖12所示系統(tǒng)而言，如果新風(fēng)風(fēng)道及排風(fēng)風(fēng)道阻力與圖13相同，則最大新風(fēng)時(shí)，二者能耗相同，而當(dāng)最小新風(fēng)時(shí)，圖12的排風(fēng)機(jī)為了將空氣從a點(diǎn)附近的負(fù)壓區(qū)排至室外，仍需用提供較高壓頭，使得工作點(diǎn)偏移，效率下降，而圖13中點(diǎn)a永遠(yuǎn)為零壓，F(xiàn)3、F4工作點(diǎn)不變，最小新風(fēng)時(shí)能耗要低些。
2.5變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）
采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，在每個(gè)房間送風(fēng)口裝VAV末端裝置，根據(jù)房間溫度調(diào)整末端裝置內(nèi)風(fēng)閥的開(kāi)度以改變房間的送風(fēng)量，從而滿足各房間不同的環(huán)境要求，適應(yīng)各房間的熱負(fù)荷變化。
為了使總風(fēng)量也能相應(yīng)變化，總的送排風(fēng)機(jī)亦采用變頻風(fēng)機(jī)，并根據(jù)最末端風(fēng)道內(nèi)的壓力調(diào)整轉(zhuǎn)速，保證各VAV裝置有足夠的資用壓頭。一些工程人員及研究者認(rèn)為[3]，這樣做當(dāng)最末端僅需要一部分風(fēng)量時(shí)，VAV裝置需要關(guān)小，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨之降低，導(dǎo)致各VAV裝置都關(guān)小，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨之降低，導(dǎo)致各VAV裝置都關(guān)小，風(fēng)機(jī)能量很大一部分都消耗在風(fēng)閥上，建議將參考測(cè)壓點(diǎn)前移至距末端1/3總長(zhǎng)度處。這樣做有時(shí)在各房間均希望大風(fēng)量送風(fēng)時(shí)，末端又不能保證足夠的壓頭。并且，如同前面討論的那樣，風(fēng)閥的目的是調(diào)節(jié)風(fēng)量，要使其具有良好的調(diào)節(jié)特性，就需要使它的壓降占支管總壓降的較大比例。而這就必然增加風(fēng)閥所消耗的能量，同時(shí)還增加了由于風(fēng)閥兩側(cè)壓降形成的噪聲。此點(diǎn)再怎樣通過(guò)改變控制方式也難以徹底改善。按照風(fēng)機(jī)代替風(fēng)閥的思路，在末端裝置中用風(fēng)機(jī)代替風(fēng)閥，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)整風(fēng)量，就可以徹底解決這一問(wèn)題。
實(shí)際上，空氣處理可采用上例中的多風(fēng)機(jī)方式。主送風(fēng)機(jī)仍采用變速風(fēng)機(jī)，但它僅承擔(dān)空氣處理室及一部分風(fēng)道的壓降，其轉(zhuǎn)速可以根據(jù)主送風(fēng)道內(nèi)接近第一個(gè)送風(fēng)口處（點(diǎn)Q）的靜壓來(lái)控制，維持該點(diǎn)壓力為大氣壓，從該點(diǎn)至各房間的壓降由末端裝置內(nèi)的風(fēng)機(jī)來(lái)承擔(dān)。某個(gè)房間送風(fēng)口內(nèi)風(fēng)機(jī)停止時(shí)，由于送風(fēng)道內(nèi)為負(fù)壓，因此逆止閥自動(dòng)關(guān)閉。風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后，房間送風(fēng)量隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加，并以接近于線性的規(guī)律變化。由于消除了各VAV裝置中調(diào)節(jié)風(fēng)閥的能耗，因此可以計(jì)算出各風(fēng)機(jī)總能耗比原來(lái)的送風(fēng)機(jī)降低10％以上。此種小功率變頻器和風(fēng)機(jī)的價(jià)格與電動(dòng)風(fēng)閥基本相同，而系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能則大為改觀。
3、結(jié)論
本文通過(guò)暖通空調(diào)工程中的5個(gè)例子說(shuō)明采用變速風(fēng)機(jī)、水泵替代部分調(diào)節(jié)用風(fēng)閥、水閥的方法及其優(yōu)點(diǎn)。從上述的簡(jiǎn)單分析中可以看出，采用這一方式既可獲得較大的省能效果，又可以改善控制調(diào)節(jié)效果，增加的初投資也不會(huì)太大。因此應(yīng)該是一種值得注意和考慮的新方式。
調(diào)節(jié)閥的作用是增加阻力，以消耗多余部分壓頭，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的作用，調(diào)節(jié)閥所消耗的壓力占總的壓力損失比例愈大，調(diào)節(jié)性能愈好。這樣，要獲得調(diào)節(jié)性能與能耗成為一對(duì)不可兼顧的矛盾。采用變速風(fēng)機(jī)或變速泵充當(dāng)調(diào)節(jié)裝置，是通過(guò)減少向系統(tǒng)投入的能量來(lái)減少能量，這就有可能通過(guò)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而不增加能耗，同時(shí)獲得節(jié)能和調(diào)節(jié)性能好的效果。
工程設(shè)計(jì)必須考慮富余量，以保證在實(shí)際情況發(fā)生各種變化時(shí)系統(tǒng)仍可達(dá)到要求的參數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為了消除這些富余量，又要靠閥去調(diào)整，由此造成浪費(fèi)。采用變速泵或變速風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)也留有富余量，但在運(yùn)行時(shí)不是靠閥而是靠降低轉(zhuǎn)速來(lái)消除這些富余量。轉(zhuǎn)速降低后電耗減小，因而這些富余量并未消耗掉，避免了浪費(fèi)。
常規(guī)方式下選擇風(fēng)機(jī)或水泵時(shí)，揚(yáng)程必須按照最不利支路選擇，由最遠(yuǎn)支路或用戶(hù)要求資用壓頭最大的支路來(lái)確定。這一支路的流量可能僅為系統(tǒng)總流量的很小一部分。為了這一小部分流量選用大揚(yáng)程，其它流量也只好通過(guò)泵或風(fēng)機(jī)來(lái)達(dá)到同樣的揚(yáng)程，再由閥門(mén)消耗，既造成調(diào)節(jié)的困難，又浪費(fèi)能量。用變速風(fēng)機(jī)或水泵代替調(diào)節(jié)閥，每個(gè)支路所要求的揚(yáng)程由該支路的風(fēng)機(jī)和水泵單獨(dú)解決，不是統(tǒng)一加大后再分別消耗掉，而是哪里需要多少哪里局部加多少。這樣自然就獲得了好的調(diào)節(jié)效果和節(jié)能效果。
泵和風(fēng)機(jī)所耗能源在暖通空調(diào)消耗的能源中占很大部份，供暖運(yùn)行能耗的15％～25％為水泵電耗（按價(jià)格計(jì)算），空調(diào)運(yùn)行能耗35％～45％為風(fēng)機(jī)水泵能耗。在這部分風(fēng)機(jī)水泵能耗中，40％以上又被各種調(diào)節(jié)閥門(mén)所消耗，采用本文討論的方式，有可能將調(diào)節(jié)閥所消耗能量的很大一部分節(jié)省下來(lái)，因此這一方式有重要的節(jié)能意義。
采用這一方式，由于所要求的系統(tǒng)流動(dòng)狀況、流量分配方式等都不變，因此風(fēng)道、水管的設(shè)計(jì)可以不變，但系統(tǒng)的壓力分布有很大變化，在選擇這些局部支路的變速風(fēng)機(jī)、變速泵時(shí)，要仔細(xì)計(jì)算，使其壓力一流量曲線與系統(tǒng)的要求相匹配。從而保證在不同的運(yùn)行工況下，這些泵或風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)僅在允許使用的范圍內(nèi)變化。
在用戶(hù)支路上增加了這么多的動(dòng)力設(shè)備，是否會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，增加維修工作量？目前較容易找到高質(zhì)量的風(fēng)機(jī)水泵，可以長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。還有些分檔變速的水泵，通過(guò)改變繞阻來(lái)改變轉(zhuǎn)速，價(jià)格低，可靠性高。相反，目前電動(dòng)風(fēng)閥、水閥的可靠性低于風(fēng)機(jī)、水泵，是暖通空調(diào)系統(tǒng)中故障率最高的設(shè)備之一。因此，將閥改為泵或風(fēng)機(jī)后，可靠性應(yīng)有所增加。在一些關(guān)鍵部位，還可加裝備用風(fēng)機(jī)和備用泵，故障時(shí)可及時(shí)轉(zhuǎn)換。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)節(jié)水系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)變速水泵變速風(fēng)機(jī)
1、引言
在暖通空調(diào)工程中，使用大量的風(fēng)閥水閥對(duì)系統(tǒng)中的風(fēng)量水量進(jìn)行調(diào)整，使其滿足所要求的工況。它們的調(diào)節(jié)原理是增加系統(tǒng)的阻力，以消耗泵或風(fēng)機(jī)提供的多余的壓頭，達(dá)到減少流量的目的。因此這些調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是以消耗風(fēng)機(jī)或水泵運(yùn)行能耗為代價(jià)的。目前暖通空調(diào)工程中愈來(lái)愈多地使用自動(dòng)控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)自控，許多風(fēng)閥水閥還要使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前質(zhì)量好的電動(dòng)水閥價(jià)格為幾千甚至上萬(wàn)元。電動(dòng)風(fēng)閥亦需要幾千元。電動(dòng)風(fēng)閥水閥的費(fèi)用常常占到自控系統(tǒng)總費(fèi)用的40％以上。能否改變系統(tǒng)的構(gòu)成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門(mén)，用其它方式實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)？風(fēng)機(jī)水泵與風(fēng)閥水閥是一一對(duì)應(yīng)的兩類(lèi)調(diào)節(jié)流量的設(shè)備。風(fēng)機(jī)水泵為流體提供動(dòng)力，而風(fēng)閥水閥則消耗流體多余的動(dòng)力。因此，若用風(fēng)機(jī)水泵代替風(fēng)閥水閥，不是在能量多余處加裝閥門(mén)，而是在能量不足處增裝水泵或風(fēng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。此時(shí)由于減少了調(diào)節(jié)閥，也就減少了閥門(mén)所消耗的能量，因此會(huì)減小運(yùn)行能耗。同時(shí)，目前可變轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)、水泵價(jià)格與相同流量的電動(dòng)風(fēng)閥、水閥價(jià)格接近，甚至更低，因此初投資也不會(huì)提高。從這一思路出發(fā)，本文先給出幾個(gè)用泵代閥的例子，然后進(jìn)一步討論這一方案對(duì)暖能空調(diào)工程的意義及要注意的問(wèn)題，以期引起大家的討論。
2、實(shí)例分析
2.1簡(jiǎn)單系統(tǒng)的流量控制
圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制循環(huán)流量的系統(tǒng)，泵P提供動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)水通過(guò)閥V、管道及用戶(hù)U間的循環(huán)。圖2給出當(dāng)閥全開(kāi)、泵的轉(zhuǎn)速n=n0時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)。此時(shí)，流量為G0，水泵工作效率為η0，即效率最高點(diǎn)。要使流量減小一半，一種方式是將閥門(mén)關(guān)小，使管網(wǎng)等效阻力特性曲線向左偏移，見(jiàn)圖2。此時(shí)泵的效率降低至η1，壓力升至p1。由于壓力升高，效率降低，因此盡管流量減少至一半，泵耗僅減少20％～30％，此時(shí)除閥門(mén)以外的管網(wǎng)部分由于其阻力特性不變，因此僅消耗壓降p0/4，剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在閥門(mén)上，它消耗了此時(shí)泵耗的80％，這就是為什么說(shuō)調(diào)節(jié)閥消耗了大部分水泵能耗的依據(jù)。此外，水泵工作點(diǎn)偏移造成的不穩(wěn)定、閥關(guān)小后大的節(jié)流和壓降引起的噪聲，都對(duì)系統(tǒng)有不良影響。
若保持不變，但將泵的轉(zhuǎn)速降至50％，圖2同時(shí)給出此時(shí)的工作狀況，這時(shí)管網(wǎng)的阻力特性曲線不變，泵的工作曲線下移，泵的工作效率仍將為η0，壓力p2為p0/4。這樣，減少流量后泵耗僅為原來(lái)的1/8，具有極顯著的節(jié)能效果。同時(shí)，由于泵的工作點(diǎn)及閥的位置均未變，因此系統(tǒng)工作穩(wěn)定，且不會(huì)有節(jié)流噪聲。
此簡(jiǎn)單例子說(shuō)明：
(1)當(dāng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用時(shí)，將消耗其所在支路的大部分流體動(dòng)力。并且由于改變了管網(wǎng)阻力特性，使管網(wǎng)中的動(dòng)力機(jī)械工作點(diǎn)偏移，在多數(shù)情況下這將導(dǎo)致效率下降。
(2)當(dāng)采用變速方式調(diào)節(jié)流量時(shí)，泵或風(fēng)機(jī)能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于系統(tǒng)阻力特性不變，泵或風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)不變，因此效率不變，泵、風(fēng)機(jī)及系統(tǒng)均可穩(wěn)定地工作。
(3)以調(diào)整泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整流量應(yīng)該是流量調(diào)節(jié)的最好手段。
2.2供熱水網(wǎng)
虛線以下部分為用戶(hù)所消耗的資用壓頭，而虛線以上部分則為閥門(mén)所消耗。若系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，泵選擇適當(dāng)，則最遠(yuǎn)端用戶(hù)處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開(kāi)，不多消耗能量。此時(shí)，若各用戶(hù)流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的阻力，對(duì)于n個(gè)用戶(hù)，閥門(mén)V1消耗的能量與用戶(hù)外管網(wǎng)所消耗的總能量的百分比EV1為：
EV1＝(1/n)×((n-1)/n)
第k個(gè)閥門(mén)所消耗能量與用戶(hù)外管網(wǎng)總能耗的百分比EVk
EV1＝(1/n)×((n-1)/n)
前n-1個(gè)閥門(mén)共消耗的能量為：
當(dāng)熱用戶(hù)個(gè)數(shù)足夠多時(shí)，（n－1）／(2n)約等于50％，也就是消耗在外網(wǎng)的能耗約有一半被各支路的調(diào)節(jié)閥所消耗。一般用戶(hù)側(cè)真正需要的揚(yáng)程僅為循環(huán)泵揚(yáng)程的20％～30％，即外網(wǎng)消耗70％～80％。因此，總泵耗的35％～40％的能量被調(diào)節(jié)閥消耗掉。有時(shí)為安全起見(jiàn)，循環(huán)泵的揚(yáng)程還要選大些，然后再通過(guò)圖3中的閥門(mén)V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網(wǎng)中調(diào)節(jié)閥消耗一半以上的泵耗。
若改用連接熱水管網(wǎng)，在各用戶(hù)處安裝用戶(hù)回水加壓泵，代替調(diào)節(jié)閥，減小主循環(huán)泵的揚(yáng)程，使其只承擔(dān)熱源及一部分干管的壓降，用戶(hù)的壓降及另一部分干管壓降由各用戶(hù)內(nèi)的回水加壓泵提供。
此時(shí)無(wú)調(diào)節(jié)閥，因此也無(wú)調(diào)節(jié)閥損失的泵耗，用戶(hù)處各個(gè)回水加壓泵的揚(yáng)程應(yīng)仔細(xì)選擇。若選擇過(guò)大，再用閥門(mén)降低同樣會(huì)消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶(hù)所要求的流量，因此不再靠調(diào)節(jié)閥消耗泵耗，這樣，盡管多裝了許多泵，但運(yùn)行電耗將降低50％以上。
在這種情況下，若各用戶(hù)要求的流量變化頻繁，整個(gè)系統(tǒng)的總流量亦在較大范圍內(nèi)變化，總循環(huán)泵也可用變頻泵，并根據(jù)干管中部供回水壓差（見(jiàn)圖5、6中點(diǎn)A）來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，使該點(diǎn)壓差維持為零，則系統(tǒng)具有非常好的調(diào)節(jié)性能與節(jié)能效果。分析表明，當(dāng)采用如圖3常規(guī)的管網(wǎng)方式時(shí)，若由于某種原因，一半用戶(hù)關(guān)閉，不需要供水時(shí)，未關(guān)的用戶(hù)水量會(huì)增加，最大的流量可增加50％以上，而同樣的管網(wǎng)采用圖5的方式，并且對(duì)主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行上述方式的控制，則同樣情況下未關(guān)閉的用戶(hù)的水量增加最大的不超8％，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性大為改善。此方面的進(jìn)一步詳細(xì)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，這一方案準(zhǔn)備在已開(kāi)始施工的杭州熱電廠冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)中使用，各用戶(hù)為吸收式制冷機(jī)、生活熱水用換熱器，冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明，對(duì)于這種負(fù)荷大范圍變化的系統(tǒng)，采用這種方式，比常規(guī)方式節(jié)省泵的電耗62％，并改善了系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。同時(shí)還使整個(gè)系統(tǒng)壓力變化范圍減小，從而可降低管網(wǎng)承壓要求，處長(zhǎng)管網(wǎng)壽命。在各用戶(hù)處安裝調(diào)速泵所增加的費(fèi)用基本上可以從各用戶(hù)省掉的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及節(jié)省的用電增容費(fèi)中補(bǔ)齊，因此總投資可以不增加甚至有所降低。
2.3空調(diào)水系統(tǒng)
為減少水泵電耗，便于系統(tǒng)調(diào)節(jié)，許多系統(tǒng)采用兩級(jí)泵方式。泵組P1可根據(jù)要求的制冷機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)而啟停，其揚(yáng)程僅克服蒸發(fā)器阻力及冷凍站內(nèi)部分管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶(hù)的壓降。為了節(jié)能，P2有時(shí)還采用變速泵，根據(jù)用戶(hù)要求的流量調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)規(guī)則是維持最遠(yuǎn)端用戶(hù)處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻(xiàn)[2]中指出，P2采用變速泵后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣與流量的三次方成正比。假設(shè)冷水用戶(hù)所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50％，例如均為5m，則泵組P2的轉(zhuǎn)速就要按照使最末端壓差恒定為5m來(lái)控制。假設(shè)各用戶(hù)要求的流量均為最大流量的50％，則各用戶(hù)本身的調(diào)節(jié)閥都紛紛關(guān)小，此時(shí)末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變?yōu)?.25m，泵組P2所要求的壓降從原來(lái)的10m降至6.25m，流量雖降至一半，但泵的工作點(diǎn)左偏，效率降低，因此泵耗約為最大流量時(shí)的45％左右，而并非按照三次方規(guī)律所預(yù)測(cè)的12.5％。造成這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于各用戶(hù)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，消耗了多余的這部分能量。
此外，如果干管壓降占P2揚(yáng)程的一半，則如同上一例所分析，由于各用戶(hù)遠(yuǎn)近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶(hù)的調(diào)節(jié)閥所消耗。并且空調(diào)系統(tǒng)為了改善其調(diào)節(jié)性能，還希望調(diào)節(jié)閥兩側(cè)壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣，平均估計(jì)，即使采用變速泵，泵組P2的能量中也有60％以上被各個(gè)調(diào)節(jié)閥消耗掉。
按照前一例的思路，將各調(diào)節(jié)閥改為變頻泵，取消泵P2的新方案。按照這個(gè)方案運(yùn)行，當(dāng)制冷機(jī)要求的水量大于用戶(hù)需要的水量時(shí)的水壓圖；用戶(hù)要求的水量大于制冷機(jī)側(cè)水量時(shí)的水壓圖。采用這種方式將不再需要調(diào)節(jié)閥，由此可看出，對(duì)于大多數(shù)支路來(lái)說(shuō)，供回水干管間是負(fù)壓差，當(dāng)某臺(tái)空調(diào)機(jī)的水泵停止時(shí)，流量會(huì)自動(dòng)成為零。改變用戶(hù)處水泵的轉(zhuǎn)速，可以很好地實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。由于不再安裝任何調(diào)節(jié)閥，因此再?zèng)]有調(diào)節(jié)閥所造成的損失。當(dāng)流量減少一半時(shí)，用戶(hù)水泵的工作點(diǎn)將略有偏移，但能耗仍可降低80％以上。當(dāng)系統(tǒng)平均運(yùn)行流量為最大流量的70％時(shí)，可以計(jì)算出與采用變速泵P2的方式相比，各用戶(hù)泵電耗的總工程和不足泵P2電耗的35％。
再分析這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)由于某種原因，一些用戶(hù)關(guān)閉，一些用戶(hù)調(diào)小，總流量降低50％時(shí)，干管壓降減少，泵的轉(zhuǎn)速未變化的用戶(hù)的流量最大增加幅度約為10％～20％，與泵的性能曲線形狀有關(guān)。這時(shí)只要將轉(zhuǎn)速相應(yīng)地減少，即可維持原流量。采用這種方式，用各個(gè)小變頻泵代替一組大變頻泵，由于總功率降低20％～30％，因此價(jià)格不會(huì)增加。采用新方案后，還省掉各個(gè)空調(diào)機(jī)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，因此初投資將降低。
2.4空氣處理室
常見(jiàn)的可變新風(fēng)量的空氣處理室。為了充分利用新風(fēng)，希望能夠通過(guò)調(diào)整3個(gè)風(fēng)閥來(lái)改變新回風(fēng)比，實(shí)現(xiàn)要求的送風(fēng)參數(shù)。由于空氣被排風(fēng)機(jī)從房間抽回后，要經(jīng)風(fēng)閥A排至大氣，因此點(diǎn)a處必須為正壓，而外界新風(fēng)又要經(jīng)過(guò)風(fēng)閥B進(jìn)入空氣處理室，因此點(diǎn)b處必須是負(fù)壓。a、b兩點(diǎn)間的壓差將等于新風(fēng)閥B和新風(fēng)風(fēng)道的壓降與排風(fēng)閥A和排風(fēng)風(fēng)道壓降之和。若新風(fēng)道新風(fēng)閥和排風(fēng)道排風(fēng)閥的壓降分別為100Pa則a、b間的壓降為200Pa。這樣大的壓差僅依靠一個(gè)風(fēng)閥C來(lái)調(diào)節(jié)很困難。因此，這樣的系統(tǒng)實(shí)際上很難真正實(shí)現(xiàn)新回風(fēng)比連續(xù)可調(diào)。由于3個(gè)風(fēng)閥的位置不協(xié)調(diào)，使a、b兩點(diǎn)間的壓降很難保持不變，這樣還導(dǎo)致實(shí)際的總風(fēng)量隨3個(gè)風(fēng)閥的調(diào)整而變化，當(dāng)全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)，總風(fēng)量有時(shí)可比最小新風(fēng)時(shí)小10％以上。
根據(jù)風(fēng)機(jī)代替風(fēng)閥的思路，可以設(shè)計(jì)空氣處理室。將原來(lái)的回風(fēng)機(jī)改為可以變速的排風(fēng)機(jī)。送風(fēng)機(jī)F1克服空氣處理室設(shè)備及送、回風(fēng)道的阻力。點(diǎn)a處為負(fù)壓，其數(shù)值為回風(fēng)道的壓降。單獨(dú)調(diào)整新風(fēng)閥B或排風(fēng)機(jī)F2的轉(zhuǎn)速，可改變a點(diǎn)的壓力，從而改變室內(nèi)正壓度；同時(shí)調(diào)整F2的轉(zhuǎn)速和閥A的開(kāi)度，則可以準(zhǔn)確地調(diào)整新回風(fēng)比，而不影響總風(fēng)量。圖中的單向?qū)Я魅~片用來(lái)防止新風(fēng)進(jìn)入后與回風(fēng)混和，一部分由排風(fēng)機(jī)排走，保證a處空氣向b處流動(dòng)，而無(wú)氣流倒流的現(xiàn)象。當(dāng)空調(diào)室的新風(fēng)和排風(fēng)道較長(zhǎng)或斷面較小、阻力較大時(shí)，采用這種方式還可以徹底解決圖11方式的新風(fēng)量難以增大的問(wèn)題。只要新風(fēng)風(fēng)道的壓降小于回風(fēng)風(fēng)道的壓降，就可以實(shí)現(xiàn)從最小新風(fēng)至全新風(fēng)的連續(xù)有效的調(diào)節(jié)。
這一方式的缺點(diǎn)是：當(dāng)回風(fēng)風(fēng)道阻力較大時(shí)點(diǎn)a負(fù)壓降大，于是要求排風(fēng)機(jī)F2即使在小風(fēng)量時(shí)（如最小新風(fēng)時(shí)）也要有較大的壓頭以克服點(diǎn)a處的負(fù)壓。這與變轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)的特性不一致。出于這一點(diǎn)，還可以采用，用4臺(tái)風(fēng)機(jī)分別擔(dān)當(dāng)送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)和送新風(fēng)的任務(wù)。這時(shí)，圖中的點(diǎn)a處壓力與大氣壓相同，送風(fēng)機(jī)克服送風(fēng)風(fēng)道及空氣處理室設(shè)備的阻力，回風(fēng)機(jī)F2克服回風(fēng)道的阻力，排風(fēng)機(jī)F3和新風(fēng)機(jī)F4可以為一臺(tái)電機(jī)連接同步運(yùn)轉(zhuǎn)的變速風(fēng)機(jī)。改變其轉(zhuǎn)速即可改變新風(fēng)與回風(fēng)比。此時(shí)的新回風(fēng)比嚴(yán)格與F3、F4的轉(zhuǎn)速成正比。房間正壓度可用設(shè)在回風(fēng)風(fēng)道或送風(fēng)風(fēng)道上的風(fēng)閥來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)好后總送量量將維持不變。新回風(fēng)比則完全由F3、F4的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，它們的改變對(duì)總風(fēng)量及房間內(nèi)壓力無(wú)任何影響。
但實(shí)際的運(yùn)行能耗反而小于圖11的常規(guī)系統(tǒng)及圖12的雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。這是由于它不再有常規(guī)系統(tǒng)中混風(fēng)閥C和圖12系統(tǒng)中的新風(fēng)閥節(jié)流能耗。與常規(guī)系統(tǒng)相比，在全新風(fēng)時(shí)，圖13中風(fēng)機(jī)F4與F1的壓力之和與常規(guī)系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)壓力相同。這樣，圖13中4臺(tái)風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率應(yīng)與同樣風(fēng)量常規(guī)系統(tǒng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的電機(jī)功耗不變，而圖13系統(tǒng)的F3、F4低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，功耗降低。對(duì)圖12所示系統(tǒng)而言，如果新風(fēng)風(fēng)道及排風(fēng)風(fēng)道阻力與圖13相同，則最大新風(fēng)時(shí)，二者能耗相同，而當(dāng)最小新風(fēng)時(shí)，圖12的排風(fēng)機(jī)為了將空氣從a點(diǎn)附近的負(fù)壓區(qū)排至室外，仍需用提供較高壓頭，使得工作點(diǎn)偏移，效率下降，而圖13中點(diǎn)a永遠(yuǎn)為零壓，F(xiàn)3、F4工作點(diǎn)不變，最小新風(fēng)時(shí)能耗要低些。
2.5變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）
采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，在每個(gè)房間送風(fēng)口裝VAV末端裝置，根據(jù)房間溫度調(diào)整末端裝置內(nèi)風(fēng)閥的開(kāi)度以改變房間的送風(fēng)量，從而滿足各房間不同的環(huán)境要求，適應(yīng)各房間的熱負(fù)荷變化。
為了使總風(fēng)量也能相應(yīng)變化，總的送排風(fēng)機(jī)亦采用變頻風(fēng)機(jī)，并根據(jù)最末端風(fēng)道內(nèi)的壓力調(diào)整轉(zhuǎn)速，保證各VAV裝置有足夠的資用壓頭。一些工程人員及研究者認(rèn)為[3]，這樣做當(dāng)最末端僅需要一部分風(fēng)量時(shí)，VAV裝置需要關(guān)小，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨之降低，導(dǎo)致各VAV裝置都關(guān)小，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨之降低，導(dǎo)致各VAV裝置都關(guān)小，風(fēng)機(jī)能量很大一部分都消耗在風(fēng)閥上，建議將參考測(cè)壓點(diǎn)前移至距末端1/3總長(zhǎng)度處。這樣做有時(shí)在各房間均希望大風(fēng)量送風(fēng)時(shí)，末端又不能保證足夠的壓頭。并且，如同前面討論的那樣，風(fēng)閥的目的是調(diào)節(jié)風(fēng)量，要使其具有良好的調(diào)節(jié)特性，就需要使它的壓降占支管總壓降的較大比例。而這就必然增加風(fēng)閥所消耗的能量，同時(shí)還增加了由于風(fēng)閥兩側(cè)壓降形成的噪聲。此點(diǎn)再怎樣通過(guò)改變控制方式也難以徹底改善。按照風(fēng)機(jī)代替風(fēng)閥的思路，在末端裝置中用風(fēng)機(jī)代替風(fēng)閥，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)整風(fēng)量，就可以徹底解決這一問(wèn)題。
實(shí)際上，空氣處理可采用上例中的多風(fēng)機(jī)方式。主送風(fēng)機(jī)仍采用變速風(fēng)機(jī)，但它僅承擔(dān)空氣處理室及一部分風(fēng)道的壓降，其轉(zhuǎn)速可以根據(jù)主送風(fēng)道內(nèi)接近第一個(gè)送風(fēng)口處（點(diǎn)Q）的靜壓來(lái)控制，維持該點(diǎn)壓力為大氣壓，從該點(diǎn)至各房間的壓降由末端裝置內(nèi)的風(fēng)機(jī)來(lái)承擔(dān)。某個(gè)房間送風(fēng)口內(nèi)風(fēng)機(jī)停止時(shí)，由于送風(fēng)道內(nèi)為負(fù)壓，因此逆止閥自動(dòng)關(guān)閉。風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后，房間送風(fēng)量隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加，并以接近于線性的規(guī)律變化。由于消除了各VAV裝置中調(diào)節(jié)風(fēng)閥的能耗，因此可以計(jì)算出各風(fēng)機(jī)總能耗比原來(lái)的送風(fēng)機(jī)降低10％以上。此種小功率變頻器和風(fēng)機(jī)的價(jià)格與電動(dòng)風(fēng)閥基本相同，而系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能則大為改觀。
3、結(jié)論
本文通過(guò)暖通空調(diào)工程中的5個(gè)例子說(shuō)明采用變速風(fēng)機(jī)、水泵替代部分調(diào)節(jié)用風(fēng)閥、水閥的方法及其優(yōu)點(diǎn)。從上述的簡(jiǎn)單分析中可以看出，采用這一方式既可獲得較大的省能效果，又可以改善控制調(diào)節(jié)效果，增加的初投資也不會(huì)太大。因此應(yīng)該是一種值得注意和考慮的新方式。
調(diào)節(jié)閥的作用是增加阻力，以消耗多余部分壓頭，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的作用，調(diào)節(jié)閥所消耗的壓力占總的壓力損失比例愈大，調(diào)節(jié)性能愈好。這樣，要獲得調(diào)節(jié)性能與能耗成為一對(duì)不可兼顧的矛盾。采用變速風(fēng)機(jī)或變速泵充當(dāng)調(diào)節(jié)裝置，是通過(guò)減少向系統(tǒng)投入的能量來(lái)減少能量，這就有可能通過(guò)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而不增加能耗，同時(shí)獲得節(jié)能和調(diào)節(jié)性能好的效果。
工程設(shè)計(jì)必須考慮富余量，以保證在實(shí)際情況發(fā)生各種變化時(shí)系統(tǒng)仍可達(dá)到要求的參數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為了消除這些富余量，又要靠閥去調(diào)整，由此造成浪費(fèi)。采用變速泵或變速風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)也留有富余量，但在運(yùn)行時(shí)不是靠閥而是靠降低轉(zhuǎn)速來(lái)消除這些富余量。轉(zhuǎn)速降低后電耗減小，因而這些富余量并未消耗掉，避免了浪費(fèi)。
常規(guī)方式下選擇風(fēng)機(jī)或水泵時(shí)，揚(yáng)程必須按照最不利支路選擇，由最遠(yuǎn)支路或用戶(hù)要求資用壓頭最大的支路來(lái)確定。這一支路的流量可能僅為系統(tǒng)總流量的很小一部分。為了這一小部分流量選用大揚(yáng)程，其它流量也只好通過(guò)泵或風(fēng)機(jī)來(lái)達(dá)到同樣的揚(yáng)程，再由閥門(mén)消耗，既造成調(diào)節(jié)的困難，又浪費(fèi)能量。用變速風(fēng)機(jī)或水泵代替調(diào)節(jié)閥，每個(gè)支路所要求的揚(yáng)程由該支路的風(fēng)機(jī)和水泵單獨(dú)解決，不是統(tǒng)一加大后再分別消耗掉，而是哪里需要多少哪里局部加多少。這樣自然就獲得了好的調(diào)節(jié)效果和節(jié)能效果。
泵和風(fēng)機(jī)所耗能源在暖通空調(diào)消耗的能源中占很大部份，供暖運(yùn)行能耗的15％～25％為水泵電耗（按價(jià)格計(jì)算），空調(diào)運(yùn)行能耗35％～45％為風(fēng)機(jī)水泵能耗。在這部分風(fēng)機(jī)水泵能耗中，40％以上又被各種調(diào)節(jié)閥門(mén)所消耗，采用本文討論的方式，有可能將調(diào)節(jié)閥所消耗能量的很大一部分節(jié)省下來(lái)，因此這一方式有重要的節(jié)能意義。
采用這一方式，由于所要求的系統(tǒng)流動(dòng)狀況、流量分配方式等都不變，因此風(fēng)道、水管的設(shè)計(jì)可以不變，但系統(tǒng)的壓力分布有很大變化，在選擇這些局部支路的變速風(fēng)機(jī)、變速泵時(shí)，要仔細(xì)計(jì)算，使其壓力一流量曲線與系統(tǒng)的要求相匹配。從而保證在不同的運(yùn)行工況下，這些泵或風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)僅在允許使用的范圍內(nèi)變化。
在用戶(hù)支路上增加了這么多的動(dòng)力設(shè)備，是否會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，增加維修工作量？目前較容易找到高質(zhì)量的風(fēng)機(jī)水泵，可以長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。還有些分檔變速的水泵，通過(guò)改變繞阻來(lái)改變轉(zhuǎn)速，價(jià)格低，可靠性高。相反，目前電動(dòng)風(fēng)閥、水閥的可靠性低于風(fēng)機(jī)、水泵，是暖通空調(diào)系統(tǒng)中故障率最高的設(shè)備之一。因此，將閥改為泵或風(fēng)機(jī)后，可靠性應(yīng)有所增加。在一些關(guān)鍵部位，還可加裝備用風(fēng)機(jī)和備用泵，故障時(shí)可及時(shí)轉(zhuǎn)換。
