通過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)閥門所消耗，但這樣大的代價(jià)并沒有換來好的調(diào)節(jié)效果，反而導(dǎo)致系統(tǒng)中許多問題發(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。
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，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，而是在能量不足處增裝水泵或風(fēng)機(jī)，通過調(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
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)水通過閥V、管道及用戶U間的循環(huán)。圖2給出當(dāng)閥全開、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，一種方式是將閥門關(guān)小，使管網(wǎng)等效阻力特性曲線向左偏移，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均消耗在閥門上，它消耗了此時(shí)泵耗的80％，這就是為什么說調(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％，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)
若系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，泵選擇適當(dāng)，則最遠(yuǎn)端用戶處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開，不多消耗能量。此時(shí)，若各用戶流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門全開時(shí)的阻力，對(duì)于n個(gè)用戶，閥門V1消耗的能量與用戶外管網(wǎng)所消耗的總能量的百分比EV1為：
EV1＝(1／n)×((n-1)／n)
第k個(gè)閥門所消耗能量與用戶外管網(wǎng)總能耗的百分比EVk
EV1＝(1／n)×((n-1)／n)
前n-1個(gè)閥門共消耗的能量為：
當(dāng)熱用戶個(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，循環(huán)泵的揚(yáng)程還要選大些，然后再通過圖3中的閥門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。
若改用圖5方式連接熱水管網(wǎng)，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，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，用戶的壓降及另一部分干管壓降由各用戶內(nèi)的回水加壓泵提供，則其水壓圖見圖6。
此時(shí)無調(diào)節(jié)閥，因此也無調(diào)節(jié)閥損失的泵耗，用戶處各個(gè)回水加壓泵的揚(yáng)程應(yīng)仔細(xì)選擇。若選擇過大，再用閥門降低同樣會(huì)消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶所要求的流量，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（見圖5、6中點(diǎn)A）來控制其轉(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，一半用戶關(guān)閉，不需要供水時(shí)，未關(guān)的用戶水量會(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)分析見文獻(xiàn)[1]，這一方案準(zhǔn)備在已開始施工的杭州熱電廠冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)中使用，各用戶為吸收式制冷機(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。在各用戶處安裝調(diào)速泵所增加的費(fèi)用基本上可以從各用戶省掉的電動(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，如圖7。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的壓降。為了節(jié)能，P2有時(shí)還采用變速泵，根據(jù)用戶要求的流量調(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來控制。假設(shè)各用戶要求的流量均為最大流量的50％，則各用戶本身的調(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，由于各用戶遠(yuǎn)近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶的調(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。
再分析這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)由于某種原因，一些用戶關(guān)閉，一些用戶調(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。