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1、一次泵变流量系统中平衡用户侧和冷热源侧的温差的措施武汉市建筑设计院张再鹏陈焰华武汉科技大学符永正摘要：分析了一次泵变流量系统中用户侧和冷热源侧温差不一致性的原因，指出用户侧温差的变化情况与热交换器静特性、通断控制型调节阀使用情况和变风速调节法使用情况有关，其温差变化较复杂，存在一个温差带。给出了压差旁通法和温差旁通法两种平衡用户侧和冷热源侧温差的技术措施，并指出了两种旁通法的适用条件。关键词：一次泵变流量系统热交换器静特性温差带温差旁通1 概述一次泵变流量系统是指系统用户侧和冷热源侧的流量都可以随负荷变化而变化的一次泵空调冷冻水系统。由于用户侧和冷热源侧构成了一个循环回路，如图1所示，因此人们
2、普遍认为两侧的流量是一致变化的，即用户侧需要多少流量，冷热源侧就提供多少流量。此外两侧的温差也是一致变化的。但是应该注意：两侧之间的本质联系是换热量之间的联系，即任意时刻冷热源都要保证所提供的冷（热）量正好等于用户侧所需要的冷（热）量，流量和温差联系只是一种表象。而用户侧的冷（热）量消费情况因系统而异，例如风机盘管系统中，二通阀通时，盘管换热，二通阀关时，盘管不换热；柜式空调器中，常采用流量可调型阀门，盘管一直在换热，只是换热量与开度有关。因此首先要弄清楚用户侧的换热量流量之间的关系，才能合理确定一次泵变流量系统的管网形式和控制方式。本文将从用户侧和冷热源侧的换热量流量关系入手，分析一次泵变流
3、量系统应用中可能遇到的问题，并提出相应的解决措施。冷热源用户*SI/J水泵图1一次泵变流量系统2 用户侧换热量流量关系用户侧的末端设备较多，包括风机盘管、柜式空调器、变风量末端装置等等。他们的换热量流量关系有所不同，主要受三个因素的影响，下面分别讲述这三个影响因素。2.1 热交换器静特性这里的热交换器是指末端设备中的加热器和表冷器，不包括冷热源侧的蒸发器和冷凝器。热交换器静特性就是热交换器的换热量与流量之间的关系。当末端设备采用流量可调型阀门时，用户侧的换热量流量关系可以用热交换器静特性表示。热水加热器和干式表冷器的热交换器静特性如图2表示，或者用文献1给出的公式进行粗略计算：1)t-tau0
4、.622)t-t13式中p热水加热器和干式表冷器的相对换热量，即热交换器的换热量与设计工况换热量的比值；a热水加热器和干式表冷器的静特性计算参数；q热水加热器和干式表冷器的相对流量，即热交换器的流量与设计工况流量的比值；设计工况供水温度；2设计工况回水温度；13设计工况回风温度。0相对流量1.019DJFlPDrn-ddQ量热换对相3.H.h11daQ0.2D.30.0血J0.50.6170.9I.C相对流量IJI.戈1.1I.C讪HRn-Kurndundfl/hIL丄量热换对相图3湿式表冷器的静特性7C/12C，回风温度为27C时，计算得:图2热水加热器和干式表冷器的静特性对于一个干式表冷器
5、，当设计供回水温度为所以当负荷为设计负荷的50时，实际流过表冷器的流量为设计流量的13.0。因此干例如，a=0.15,式表冷器的热交换器静特性较接近图2中a=0.2的曲线。对于湿式表冷器，其热交换器静特性如图3所示2，其中曲线1表示全热与流量之间的关系，曲线2表示显热与流量之间的关系。由此可见，热交换器的换热量与流量成非线性关系。当供水温度一定时，相对换热量比相对流量减小得慢些。根据热量平衡得，部分负荷时，用户侧的供回水温差将增大。2.2 通断控制型调节阀使用情况在风机盘管系统中，常用通断控制型调节阀控制流过盘管的流量，此时单个风机盘管的流量状态只有设计流量和0流量两种状态。通时，流过盘管的流
6、量为设计流量，供回水温差为设计温差，关时，流过盘管的流量为0，供回水温差不变，因此部分负荷时，其供回水温差保持不变。由于温差始终不变，所以风机盘管较多时，该系统的换热量与流量成正比。文献3也指出：风机盘管增多时，某一部分负荷下，单台风机盘管用调节阀的开启率（某一时间段内，阀门开启时间与时间段的比值）对瞬态调节阀的总开启率（所有调节阀开启率的平均值）的影响逐渐减弱，单台风机盘管的流量调节对总流量的影响逐渐减弱，因此可以认为系统的流量是连续变化的，换热量与流量成正比的关系基本成立。2.3 变风速调节法使用情况变风速调节法是指通过改变掠过盘管的风速达到改变换热量的调节方法。部分负荷时，通过减小风速，
7、可以减小末端设备的换热量，此时冷冻水流量并没有跟着减小。根据热量平衡得，部分负荷时，供回水温差将减小。该调节法也有广泛应用，例如风机盘管就用到三速风机调节换热量。2.4 用户侧温差带以上三种因素对供回水温差的影响是不同的，部分负荷时，热交换器静特性使供回水温差增大，变风速调节法使供回水温差减小，而通断控制型调节阀保持供回水温差不变。因此在实际工程中，当受到这三种因素的共同影响时，其温差变化情况就变得难以确定了。实际的供回水温差就构成了一个温差带，图4是供冷工况的温差带，该温差带存在一个温差上限和一个温差下限，每个工程的供回水温差都在这个温差带内变化。其中温差上限是根据公式（1,2）计算出设计供
8、回水温度为7C/12C,回风温度为27C时，部分流量下的温差大小。图4温差带3 冷热源侧换热量流量关系冷热源侧换热量流量关系与冷水机组（这里不包括热水锅炉）静特性有关。冷水机组静特性是相对于热交换器静特性提出来的,表示供冷能力与冷媒流量之间的关系。图5是文献4给出的某冷水机组静特性。从中可以看出,在冷水机组允许的流量变化范围内,相对制冷量与相对流量成线性关系。例如当负荷为设计负荷的50时,实际流过冷水机组的流量为设计流量的50。因此冷水机组的进出冷冻水温差恒定。当然实际的冷水机组的进出冷冻水受回水温度的影响,其温差往往也在变化,但是这种变化不能太大,否则对机组的控制存在不利影响。图5冷水机组静
9、特性4 温差不一致产生的问题从用户侧和冷热源侧的温差变化情况可以看出，两侧的温差很难一致变化。如果强行让冷热源侧适应用户侧的温差变化情况，则会产生两个问题，下面将分别加以说明。4.1 受热交换器静特性的影响，温差不一致会产生供冷量不足和机组被迫停机问题对于末端设备主要采用流量可调性阀门的系统，会产生此问题。例如某系统设计采用4台相同型号的冷水机组，所有末端设备全部采用流量可调型阀门。当相对负荷为50时，计算得用户侧所需流量为设计流量的13.0。如果保持两侧的流量一致，则冷热源侧的流量也为设计流量的13.0。根据该流量只需要运行一台冷水机组，用一台冷水机组满足50的设计负荷要求，显然，这是不可能
10、的，系统将产生供冷量不足问题。如果此时运行两台机组，则流过每台机组的流量占设计总流量的6.5，是每台机组设计流量的26。这个流量通常小于机组允许的最小流量，因此会导致机组被迫停机。4.2 受变风速调节法的影响，温差不一致会造成水泵定速运行如前所述，受该因素的影响，冷冻水流量并没有改变，因此管网的阻力并没有改变，如果系统采用压差信号控制水泵变频，则该方法将失效。此问题说明了虽然变冷冻水流量和变风速方法都可以实现节能，但是两种方法不能同时使用。风机盘管系统中，常采用三速风机调节。如果水系统采用变流量调节，则会产生此问题。此时水泵的控制不能采用压差信号控制（水泵控制问题将另文加以说明）。5 温差平衡
11、措施本文所讲温差平衡措施，是解决受热交换器静特性影响而产生的问题（对于受变风速调节法影响而产生的问题，由水泵控制方法来解决）。温差平衡措施有两个，即压差旁通法和温差旁通法。5.1压差旁通法压差旁通法是在供回水管道之间设置旁通管，并根据供回水管道之间的压差信号控制流过旁通管的流量，使部分冷冻水供水不经过末端设备而直接与回水混合，减小供回水温差的温差平衡方法。旁通管可以设置在供回水干管上，也可以设置在最不利支管上。图6是压差旁通法和温差控制法综合在一起的工作原理图。系统根据干管内的供回水温差信号控制水泵变频，并根据最不利支路2两端的压差信号平衡温差。该系统的工作原理：当负荷为设计负荷时，旁通管内流
12、量为0，冷热源侧和用户侧的流量都是设计流量，水泵以设计转速运行。此时最不利支管2两端的作用压差为AP,并取该值为控制压差旁通的设定值。干管内供回水温差T，并取该值为控制水泵变频调节的设定值。当负荷减小时，调节阀减小开度，使作用在支路2两端的压差增大。根据该信号，控制部分流量流过旁通管，保持支路2两端的作用压差恒定和系统总流量基本不变。同时由于总流量不变，负荷减小，所以干管内供回水温差将减小。根据该信号，控制水泵减速，使流过旁通管的流量也相应地减小，并最终使干管内供回水温差恢复到AT值。A冷热源12用户泵y-调节阀；压差旁通图6压差旁通原理图注意当采用压差旁通法平衡温差时，水泵不能采用压差控制法
13、控制。因为这两种控制都可以使压差恒定，因此一个控制在起作用时，另一个控制将失效。也正因为如此，当水泵采用压差控制法时，需要提出一种新的温差平衡方法。5.2 温差旁通法与压差旁通法相对应，本文提出温差旁通法这一新的温差平衡方法。温差旁通法是在供回水管道之间设置旁通管，并根据供回水之间的温差信号控制流过旁通管的流量，使部分冷冻水供水不经过末端设备而直接与回水混合，减小供回水温差的温差平衡方法。旁通管设置在供回水干管上面。图7是温差旁通法和压差控制法综合在一起的工作原理图。系统根据干管内的供回水温差信号平衡温差，并根据最不利支路2两端的压差信号控制水泵变频。该系统的工作原理：当负荷为设计负荷时，旁通
14、管内流量为0，冷热源侧和用户侧的流量都是设计流量，水泵以设计转速运行。此时干管内供回水温差为并取该值为控制压差旁通的设定值。支路2两端的作用压差为P，并取该值为控制水泵变频调节的设定值。当负荷减小时，调节阀减小开度，使作用在支路2两端的压差增大。根据该信号，控制水泵变频，保持支路2两端的作用压差恒定。由于流量比负荷减小得快，所以供回水温差将增大，根据该信号，控制部分流量流过旁通管，并最终使干管内供回水温差恢复到少值。6 结论用户侧的温差变化情况与热交换器静特性、通断控制型调节阀使用情况和变风速调节法使用情况有关。部分负荷时，热交换器静特性使供回水温差增大，变风速调节法使供回水温差减小，而通断控
15、制型调节阀保持供回水温差不变。受这三种因素的共同影响，实际的供回水温差就构成了一个温差带。而冷热源侧的温差变化情况较简单，并希望基本保持设计供回水温差。因此，用户侧和冷热源侧的流量和温差往往是不一致变化的。温差不一致性会产生两个问题：受热交换器静特性的影响，温差不一致会产生供冷量不足和机组被迫停机问题；受变风速调节法的影响，温差不一致会造成水泵定速运行问题。解决受热交换器静特性影响而产生的问题，可以采用压差旁通法和温差旁通法。这两种旁通法的适用场合不同：水泵采用压差控制法时，系统应采用压差旁通法；而水泵采用温差控制法时，系统应采用温差旁通法。参考文献1 施俊良.调节阀的选择.北京：中国建筑工业出版社，19862 RobertPetitjean,等.著.水力管网全面平衡技术.郎四维，冯铁栓.译.北京：中国建筑工业出版社，19913 朱伟峰，江亿.电磁阀通断控制的风机盘管水系统整体水力和热力特性分析.暖通空调，2003，33（4）：36434 Trane.特灵空调：系统应用“一次泵变流量”系统应用篇.APP-APG004-ZH，2004
