变速风机和变速泵代替调节用风阀的应用

通过5个工程实例，探讨在供热空调系统中利用变速风机和变速泵代替调节用风阀水阀实现风和水系统的调节的可能性。分析表明，这样做可以节省运行能耗，同时改善系统的调节品质，系统的初投资一般也不会增加。 变速风机和变速泵代替调节用风阀的应用。

　  水泵和风机能耗约占供热空调系统总能耗的40？这些能耗中的1/3左右被各种调节阀门所消耗，但这样大的代价并没有换来好的调节效果，反而导致系统中许多问题发生。采用变速风机和变速泵充当调节手段，可节省这部分能耗，并可解决许多调节中的困难。 

　　关键词：变频调节水系统风系统变速水泵变速风机 
　　1、引言 
　　在暖通空调工程中，使用大量的风阀水阀对系统中的风量水量进行调整，使其满足所要求的工况。它们的调节原理是增加系统的阻力，以消耗泵或风机提供的多余的压头，达到减少流量的目的。因此这些调节阀的调节作用是以消耗风机或水泵运行能耗为代价的。目前暖通空调工程中愈来愈多地使用自动控制系统。为实现自控，许多风阀水阀还要使用电动执行机构。 
　　目前质量好的电动水阀价格为几千甚至上万元。电动风阀亦需要几千元。电动风阀水阀的费用常常占到自控系统总费用的40%以上。能否改变系统的构成方式，减少使用这些既耗能、又昂贵的阀门，用其它方式实现对流量的调节？风机水泵与风阀水阀是一一对应的两类调节流量的设备。 
　　风机水泵为流体提供动力，而风阀水阀则消耗流体多余的动力。因此，若用风机水泵代替风阀水阀，不是在能量多余处加装阀门，而是在能量不足处增装水泵或风机，通过调节风机水泵的转速，同样可以实现对系统的流量调节。 
　　此时由于减少了调节阀，也就减少了阀门所消耗的能量，因此会减小运行能耗。同时，目前可变转速的风机、水泵价格与相同流量的电动风阀、水阀价格接近，甚至更低，因此初投资也不会提高。从这一思路出发，本文先给出几个用泵代阀的例子，然后进一步讨论这一方案对暖能空调工程的意义及要注意的问题，以期引起大家的讨论。 

　　2、实例分析 
　　2.1简单系统的流量控制 
　　一个简单的控制循环流量的系统，泵P提供动力以实现水通过阀V、管道及用户U间的循环。图2给出当阀全开、泵的转速n=n0时系统的工作点。此时，流量为G0，水泵工作效率为η0，即效率*高点。要使流量减小一半，一种方式是将阀门关小，使管网等效阻力特性曲线向左偏移，此时泵的效率降低至η1，压力升至p1。 
　　由于压力升高，效率降低，因此尽管流量减少至一半，泵耗仅减少20%～30%，此时除阀门以外的管网部分由于其阻力特性不变，因此仅消耗压降p0/4，剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在阀门上，它消耗了此时泵耗的80%，这就是为什么说调节阀消耗了大部分水泵能耗的依据。此外，水泵工作点偏移造成的不稳定、阀关小后大的节流和压降引起的噪声，都对系统有**影响。 
    若保持不变，但将泵的转速降至50%，图2同时给出此时的工作状况，这时管网的阻力特性曲线不变，泵的工作曲线下移，泵的工作效率仍将为η0，压力p2为p0/4。这样，减少流量后泵耗仅为原来的1/8，具有极显著的节能效果。同时，由于泵的工作点及阀的位置均未变，因此系统工作稳定，且不会有节流噪声。此简单例子说明： 
　　(1)当调节阀产生调节作用时，将消耗其所在支路的大部分流体动力。并且由于改变了管网阻力特性，使管网中的动力机械工作点偏移，在多数情况下这将导致效率下降。 
　　(2)当采用变速方式调节流量时，泵或风机能耗可与流量变化的三次方成正比。并且由于系统阻力特性不变，泵或风机的工作点不变，因此效率不变，泵、风机及系统均可稳定地工作。 
　　(3)以调整泵或风机的转速来调整流量应该是流量调节的*好手段。 

　　2.2供热水网 
　　若系统设计合理，泵选择适当，则*远端用户处的余压恰好为它所需要的压头，阀V5全开，不多消耗能量。此时，若各用户流量相等，彼此距离相等，主干管上比摩阻相同且忽略阀门全开时的阻力，对于n个用户，阀门V1消耗的能量与用户外管网所消耗的总能量的百分比EV1为： 

　　EV1＝(1/n)×((n-1)/n) 
　　第k个阀门所消耗能量与用户外管网总能耗的百分比EVk 
　　EV1＝(1/n)×((n-1)/n) 
　　前n-1个阀门共消耗的能量为： 
　　当热用户个数足够多时，(n-1)／(2n)约等于50%，也就是消耗在外网的能耗约有一半被各支路的调节阀所消耗。一般用户侧真正需要的扬程仅为循环泵扬程的20%～30%，即外网消耗70%～80%。因此，总泵耗的35%～40%的能量被调节阀消耗掉。有时为**起见，循环泵的扬程还要选大些，然后再通过图3中的阀门V0将多余部分消耗掉。由此使一般供暖用热水网中调节阀消耗一半以上的泵耗。 
　　若改用图5方式连接热水管网，在各用户处安装用户回水加压泵，代替调节阀，减小主循环泵的扬程，使其只承担热源及一部分干管的压降，用户的压降及另一部分干管压降由各用户内的回水加压泵提供，则其水压图见图6。 
　　此时无调节阀，因此也无调节阀损失的泵耗，用户处各个回水加压泵的扬程应仔细选择。若选择过大，再用阀门降低同样会消耗能量。但如果安装变速泵则可以通过调整转速来实现各个用户所要求的流量，因此不再靠调节阀消耗泵耗，这样，尽管多装了许多泵，但运行电耗将降低50%以上。 
　　在这种情况下，若各用户要求的流量变化频繁，整个系统的总流量亦在较大范围内变化，总循环泵也可用变频泵，并根据干管中部供回水压差(见图5、6中点A)来控制其转速，使该点压差维持为零，则系统具有非常好的调节性能与节能效果。分析表明，当采用如图3常规的管网方式时，若由于某种原因，一半用户关闭，不需要供水时，未关的用户水量会增加，*大的流量可增加50%以上，而同样的管网采用图5的方式，并且对主循环泵的转速进行上述方式的控制，则同样情况下未关闭的用户的水量增加*大的不超8%，系统的水力稳定性大为改善。  
    ���方面的进一步详细分析见文献[1]，这一方案准备在已开始施工的杭州热电厂冷热联供热网中使用，各用户为吸收式制冷机、生活热水用换热器，冬季则为建筑供暖及生活热水。分析表明，对于这种负荷大范围变化的系统，采用这种方式，比常规方式节省泵的电耗62%，并改善了系统的水力稳定性。同时还使整个系统压力变化范围减小，从而可降低管网承压要求，处长管网寿命。在各用户处安装调速泵所增加的费用基本上可以从各用户省掉的电动调节阀及节省的用电增容费中补齐，因此总投资可以不增加甚至有所降低。 

　　2.3空调水系统 
　　为减少水泵电耗，便于系统调节，许多系统采用两级泵方式，如图7。泵组P1可根据要求的制冷机的运行台数而启停，其扬程仅克服蒸发器阻力及冷冻站内部分管路的压降，泵组P2则克服干管及冷水用户的压降。为了节能，P2有时还采用变速泵，根据用户要求的流量调节泵的转速，调节规则是维持*远端用户处的供回水压差为额定的资用压头。文献[2]中指出，P2采用变速泵后，其能耗并非如厂商所宣传的那样“与流量的三次方成正比”。 
　　假设冷水用户所要求的*大压降与干管*大流量下的压降各占50%，例如均为5m，则泵组P2的转速就要按照使*末端压差恒定为5m来控制。假设各用户要求的流量均为*大流量的50%，则各用户本身的调节阀都纷纷关小，此时末端压差仍为5m，干管流量降低一斗，故压降变为1.25m，泵组P2所要求的压降从原来的10m降至6.25m，流量虽降至一半，但泵的工作点左偏，效率降低，因此泵耗约为*大流量时的45%左右，而并非按照三次方规律所预测的12.5%。造成这种现象是由于现象是由于各用户调节阀关小，消耗了多余的这部分能量。 
　　此外，如果干管压降占P2扬程的一半，则如同上一例所分析，由于各用户远近不同，这部分泵耗的一半也被各用户的调节阀所消耗。并且空调系统为了改善其调节性能，还希望调节阀两侧压差占所在支路资用压头的一半以上。这样，平均估计，即使采用变速泵，泵组P2的能量中也有60%以上被各个调节阀消耗掉。 
　　 再分析这种系统的稳定性。当由于某种原因，一些用户关闭，一些用户调小，总流量降低50%时，干管压降减少，泵的转速未变化的用户的流量*大增加幅度约为10%～20%，与泵的性能曲线形状有关。这时只要将转速相应地减少，即可维持原流量。采用这种方式，用各个小变频泵代替一组大变频泵，由于总功率降低20%～30%，因此价格不会增加。采用新方案后，还省掉各个空调机的电动调节阀，因此初投资将降低。