利用雙溫度控制閥降低冷水系統(tǒng)能1

1、利用雙溫度控制閥降低冷水系統(tǒng)能耗來源：原創(chuàng) 作者：無錫科萊恩流體控制設備有限公司 日期：15-09-050.引言“大流量、小溫差”是集中空調(diào)冷水系統(tǒng)中常見問題，特別是對于空調(diào)末端以風機盤管為主的系統(tǒng)，在實際運行中，其總供回水溫差往往明顯低于設計值，導致輸配能耗顯著增加。如何采用有效的技術(shù)手段，提高水系統(tǒng)的運行溫差，降低輸配系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行，一直是業(yè)界關注的問題。與空氣處理單元、新風機組等末端相比，風機盤管水側(cè)控制的特點在于采用通斷型電動兩通閥，其控制策略為：當室溫超過上限時，通斷型電動兩通閥開啟；當室溫低于下限時，通斷型電動兩通閥關閉。朱偉峰等人指出，在這樣的

2、系統(tǒng)中，無論是否進行水力平衡，由于末端之間的水力影響，系統(tǒng)的總供回水溫差必然會在部分負荷工況下減??；而由于系統(tǒng)在全年絕大部分時間內(nèi)運行于部分負荷工況，所以實際測試的結(jié)果總是“大流量、小溫差”。蔡宏武歸納了實際系統(tǒng)的逐時冷量、溫差數(shù)據(jù)，驗證了朱偉峰等人的結(jié)論。Chang等人給出了定量評價末端之間水力耦合程度的指標，以及根據(jù)該指標估算風機盤管水系統(tǒng)整體性能的方法。因此，為了解決風機盤管水系統(tǒng)“大流量、小溫差”的問題，必須從風機盤管水閥的控制入手，改變控制方式，提高控制水平，使各末端都工作在合適的流量和溫差下，這是“治本”的方法；而其他措施，例如水泵變頻控制等，并不能單獨解決小溫差問題，而是應該配合

3、末端的控制方式進行調(diào)整。本文從冷水系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，對風機盤管水閥控制的若干問題進行探討，在此基礎上提出一種結(jié)合通斷調(diào)節(jié)和連續(xù)調(diào)節(jié)優(yōu)點的控制方法，并將此方法集成于雙溫度控制閥中。最后，通過動態(tài)模擬實驗驗證這種控制方法的控制效果和節(jié)能收益。1.風機盤管水閥通斷控制必然產(chǎn)生“大流量、小溫差”風機盤管水系統(tǒng)之所以會出現(xiàn)小溫差，核心的原因在于末端之間的水力耦合。在系統(tǒng)的實際動態(tài)運行過程中，所有末端水閥全開的工況極少出現(xiàn)，在絕大部分工況下，都會有一部分末端關閉水閥，由于末端之間的水力耦合作用，這些水閥關閉的末端會將冷水“擠向”其余末端，導致其余末端流量上升，超過設計值。水閥關閉的末端僅維持很小的流量，

4、對水系統(tǒng)的總溫差沒有影響；系統(tǒng)總溫差由水閥開啟的末端決定，而這部分末端由于水流量超過設計值，所以供回水溫差低于設計值。系統(tǒng)總負荷率越低，關閉的風機盤管越多，這種末端之間的“擠水”現(xiàn)象就越明顯，系統(tǒng)總溫差就越低。因此，當以系統(tǒng)總供回水溫差為觀察對象時，就會發(fā)現(xiàn)它總是低于設計值，特別是在部分負荷工況下。下面以一個算例來說明上述問題。如圖1所示，一個簡單的水系統(tǒng)包含6臺風機盤管末端，每個末端的額定流量為1L/s，高擋風速下的額定供回水溫差為5。各支路的阻力系數(shù)如表1所示。圖1 系統(tǒng)示意圖表1 各支路阻力系數(shù)在所有末端閥門全開的工況下，16號末端的相對流量（實際流量與額定流量之比）分別為1.3，1.2

5、，1.1，1.0，1.0，1.0，總供回水溫差為4.9。而如果有一半的末端關閉水閥，例如13號末端關閉水閥，則46號末端的相對流量分別上升為1.2，1.2，1.1，總供回水溫差為4.5。上述問題的根源有以下兩點，一是末端之間的水力耦合是必然存在的；二是通斷調(diào)節(jié)閥沒有連續(xù)調(diào)節(jié)流量的能力，所以當一個末端的冷水流量超過設計值時，該末端并不能自主地調(diào)低流量。因此，對于末端水閥通斷調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，無論系統(tǒng)在初始狀態(tài)下是否調(diào)至平衡狀態(tài)，都不能解決系統(tǒng)動態(tài)運行過程中的小溫差問題。為了提高風機盤管水系統(tǒng)的供回水溫差，常見的思路是在管網(wǎng)中安裝各類水力平衡閥，消除各支路多余的資用壓差，避免各末端流量過大。然而這樣的做

6、法在實際工程中卻常常無法得到理想的效果，下面按照平衡閥的安裝位置分兩種情況分析。1）在各級輸配干管上安裝水力平衡閥。這樣的措施可以削弱輸配干管之間的不平衡性，但卻會增大末端之間的耦合程度，加重“擠水”作用。研究表明，在冷水輸配管網(wǎng)中，輸配干管阻力在管網(wǎng)總阻力中所占的比例越大，風機盤管之間的水力影響就越嚴重，系統(tǒng)總供回水溫差就越低。例如，在上文所述的算例中，在主回水管上增加一定的阻力，使得主回水管的壓降上升2m，相應增大水泵揚程，使得所有末端閥門全開工況下各末端流量不變，此時如果關閉13號末端的水閥，則46號末端的相對流量分別為1.3，1.3，1.2，總供回水溫差為4.2，與未增加主回水管阻力的

7、情況相比，總溫差下降了0.3。因此，在各級干管上安裝水力平衡閥，雖然能在極端情況（所有末端水閥全開）下緩解水力不平衡狀況，卻會加劇部分末端開啟時系統(tǒng)總溫差下降的程度。這就解釋了很多實際工程中雖然安裝了多級平衡閥并進行了專業(yè)的調(diào)節(jié)，水系統(tǒng)總溫差卻依然偏低的現(xiàn)象。2）在空調(diào)末端支路上安裝平衡閥。這種方案有利于降低末端之間的耦合程度，減弱末端調(diào)節(jié)動作之間的影響。但是，在實際運行中各空調(diào)末端不斷進行調(diào)節(jié)，各末端支路兩端的壓差始終變化，使用靜態(tài)平衡閥不僅不能實現(xiàn)動態(tài)平衡，而且會在一些工況下加劇不平衡。而如果采用動態(tài)平衡閥，例如在每個風機盤管前安裝動態(tài)流量平衡閥，將其當作限流器使用，則必須配給平衡閥足夠的

8、閥權(quán)度，否則難以實現(xiàn)良好的平衡效果。而且，除非每次換季都對動態(tài)平衡閥逐個重新整定，否則無法保證在供冷供熱兩種工況下都能滿足將各末端流量維持在設計值的要求。為了解決風機盤管水系統(tǒng)小溫差的問題，必須改變末端水側(cè)的控制方式。如果能夠?qū)⒛┒怂y由通斷調(diào)節(jié)改為連續(xù)調(diào)節(jié)，則可以同時解決末端水力平衡和耦合影響的問題。一方面，各個末端能夠自主動態(tài)平衡，在輸配管網(wǎng)中不必再安裝平衡閥，在冬夏季交替時也不需重新進行平衡工作。汪善國指出，在一般商業(yè)建筑中使用等百分比兩通閥，在自動平衡各支路的流量之后，仍剩余足夠的閥桿行程供調(diào)節(jié)冷量。另一方面，當一些末端降低流量時，另一部分末端可以自主關小閥門開度，避免流量被動地上升，

9、削弱了“擠水”現(xiàn)象的影響。而且，在部分負荷下，連續(xù)調(diào)節(jié)水閥可以將流量降低到設計值之下，將系統(tǒng)的供回水溫差提高到高于設計值的水平，大幅降低系統(tǒng)總流量，取得良好的節(jié)能效果。2.風機盤管水閥連續(xù)調(diào)節(jié)存在的問題如果將風機盤管水閥改為連續(xù)調(diào)節(jié)，以下兩個問題需要特別引起注意。1）冷負荷偏小、除濕負荷較高時的除濕問題。通常舒適性空調(diào)在夏季利用冷水冷卻室內(nèi)空氣，同時還對室內(nèi)空氣進行除濕，當室內(nèi)冷負荷較小而濕負荷不小，即熱濕比較小時，水閥開度會關小，降低冷水流量以滿足室內(nèi)冷負荷的要求，此時表冷器的送風溫度和含濕量較高，導致送風的除濕性能惡化，造成室內(nèi)相對濕度偏高，影響室內(nèi)環(huán)境的舒適性。2）水閥開度較小、冷水流量

10、較低時的控制問題。根據(jù)盤管冷量冷水流量曲線，當水閥開度較小、冷水流量偏低時，水量的微小改變會導致冷量的大幅變化。圖2顯示了一個典型盤管的相對冷量相對流量曲線，其中相對冷量（流量）指實際冷量（流量）與其額定工作值之比，對于該盤管，如果相對流量低于0.2，冷量對流量的變化就會很敏感，例如相對流量由0.04增長為0.08，相對冷量即由0.15增長為0.30。這使得末端在這個區(qū)域內(nèi)的調(diào)節(jié)特性很差，控制過程很難保持穩(wěn)定。圖2 典型盤管曲線綜上，風機盤管水閥連續(xù)調(diào)節(jié)的主要問題在于冷水流量較低時的除濕和控制調(diào)節(jié)。在這樣的工況下，采用通斷調(diào)節(jié)反而具有一定的優(yōu)勢。首先，在通斷調(diào)節(jié)閥開啟時，盤管的流量較高，除濕性

11、能有一定保證；其次，通斷調(diào)節(jié)閥非開即關，控制簡單，不存在閥門開度較小時調(diào)節(jié)困難的問題。3.風機盤管水閥連續(xù)通斷控制策略3.1 制冷除濕工況1）控制策略介紹本文提出的風機盤管水閥控制策略結(jié)合了連續(xù)調(diào)節(jié)和通斷調(diào)節(jié)的優(yōu)點。該策略既包含連續(xù)調(diào)節(jié)方式，又包含通斷調(diào)節(jié)方式。回水溫度被用來判斷是采用連續(xù)調(diào)節(jié)還是通斷調(diào)節(jié)。在夏季降溫同時要求除濕時，給出回水溫度的最高限值tw，max，在常規(guī)的供水溫度、送回風溫度下，tw，max應當使風機盤管表冷器的表面平均溫度低于室內(nèi)露點溫度，從而具有一定的除濕能力。當回水溫度低于tw，max時，采用連續(xù)調(diào)節(jié)方式，由于盤管的表面溫度不會過高，所以送風的含濕量不會太高，即送風具

12、有降溫能力的同時還有較強的除濕能力，可避免由于回水溫度過高而引起除濕性能惡化導致室內(nèi)相對濕度偏高的現(xiàn)象。若回水溫度在tw，max之上，說明盤管表面溫度較高，除濕能力很差，通常這種工況對應的供冷量和冷水流量都較低。此時，根據(jù)回風溫度作進一步判斷：如果回風溫度高于其設定值，說明盤管供冷量不夠，需要繼續(xù)調(diào)大閥門開度，因此延續(xù)連續(xù)調(diào)節(jié)方式；如果回風溫度低于其設定值，說明盤管供冷量已經(jīng)足夠，若繼續(xù)沿用連續(xù)調(diào)節(jié)方式，則會進一步降低冷水流量，而惡化末端的除濕能力和調(diào)節(jié)特性，應轉(zhuǎn)變?yōu)橥〝嗾{(diào)節(jié)方式。在連續(xù)調(diào)節(jié)和通斷調(diào)節(jié)的切換過程中，要設置控制死區(qū)，以避免閥門在兩個狀態(tài)間頻繁切換。本文提出的控制策略如圖3所示，下

13、面分別介紹回水溫度低于和高于上限值兩種情況的控制策略。圖3 風機盤管連續(xù)通斷控制策略2）回水溫度低于上限值當回水溫度低于上限值時，采用連續(xù)調(diào)節(jié)策略。常見的連續(xù)調(diào)節(jié)策略是簡單的單回路閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，即根據(jù)室內(nèi)溫度與設定值的偏差控制水閥開度，從而實現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。然而，房間和盤管在熱慣性和調(diào)節(jié)特性上相差很大，房間溫度對供冷量變化的反應速度慢、線性強，而盤管供冷量對水閥開度變化的反應速度快、非線性強，因此，將房間和盤管直接置于一個回路中的調(diào)節(jié)質(zhì)量不好，對調(diào)節(jié)對象和負荷變化的適應性差，過程的動態(tài)特性不佳。這種調(diào)節(jié)過程包含特性相差較大的對象的系統(tǒng)，適宜采用串級控制回路。串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用兩套傳感器和兩個調(diào)節(jié)

14、器，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的給定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往水閥；前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和調(diào)節(jié)的變量稱為主變量，即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和調(diào)節(jié)的變量稱為副變量，副變量是為了穩(wěn)定主變量而引入的。本文采用的風機盤管串級控制策略中，主變量為房間溫度ta，副變量為回水溫度tw?？刂撇呗悦枋鋈缦拢褐骰芈凡呗员容^元件1（指圖3中編號1，下同）通過比較室內(nèi)溫度傳感器7檢測的室內(nèi)溫度ta和室內(nèi)溫度給定值ta，set，得出室內(nèi)溫度偏差值e1，主調(diào)節(jié)器2根據(jù)室內(nèi)溫度偏差值e1，通過閉環(huán)反饋算法，得出回水溫度給定值tw，set，但回水溫度給定值t

15、w，set不得高于回水溫度的最高限值tw，max。副回路策略比較元件3通過比較回水溫度傳感器8檢測的回水溫度tw和主調(diào)節(jié)器2輸出的回水溫度給定值tw，set后，得出回水溫度偏差值e2，副調(diào)節(jié)器4根據(jù)e2，通過閉環(huán)反饋算法，得出水閥開度命令值X，水閥開度命令值X作用于閥門及表冷器5，產(chǎn)生不同的換熱量Q，Q作用于調(diào)節(jié)對象房間6，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度ta。當諸如供水溫度、供水壓力變化所產(chǎn)生的二次擾動f2發(fā)生并進入副回路時，回水溫度tw很快受到影響，通過副回路的調(diào)節(jié)作用，快速抑制其影響，因此二次擾動f2在引起室內(nèi)溫度ta波動之前即已被抑制，所以在滯后和時間常數(shù)較大的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)中，采用上述串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可

16、減小超調(diào)量，縮短過渡時間，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，特別是能大大增強抗二次擾動的能力，從而增強對水溫、水壓變化的適應性、改善過程的動態(tài)特性、進一步提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。3）回水溫度高于上限值根據(jù)上文的分析，當回水溫度tw，set高于上限值tw，max時，需要分兩種情況討論。如果回風溫度高于其設定值，則采用上文所述的串級調(diào)節(jié)策略，增大閥門開度；如果回風溫度低于其設定值，則切換為通斷控制；若室溫低于下限，則關閉水閥；反之，則開啟水閥，但水閥并非全開，而是恢復到連續(xù)調(diào)節(jié)切換到通斷調(diào)節(jié)時的開度值。在這個開度值上，回水溫度約等于上限值。在水閥開啟的工況下，盤管具備一定的除濕能力，可以使得室內(nèi)相對濕度不至于過高，且回避

17、了小流量下冷量對流量變化非常敏感導致調(diào)節(jié)困難的問題。3.2 供熱或供冷但沒有除濕需求的工況在冬季供熱或夏季供冷但沒有除濕需求的工況，對回水溫度可不作限制，在所有工況下都采用連續(xù)調(diào)節(jié)方式。這使得流量可以被進一步降低，與夏季供冷除濕工況相比，可取得更顯著的節(jié)能效果。具體控制回路仍采用上文所述的串級控制系統(tǒng)。3.3 采用連續(xù)通斷控制策略的雙溫度控制閥將上述策略和硬件集成在一起，可組成兼具連續(xù)調(diào)節(jié)與通斷調(diào)節(jié)功能的控制閥。由于在該閥門的控制過程中需要測量和控制室內(nèi)空氣（回風）溫度和回水溫度，因此稱該閥門為雙溫度控制閥。雙溫度控制閥安裝在空調(diào)末端的回水管路上，采集副變量回水溫度的傳感器集成在閥體中，主調(diào)節(jié)

18、器、副調(diào)節(jié)器、室內(nèi)空氣（回風）溫度傳感器等集成在閥門驅(qū)動器中；室內(nèi)控制器有一個人機界面，用于設定和顯示室內(nèi)溫度；風機調(diào)速裝置既可置于室內(nèi)控制器中，也可置于閥門驅(qū)動器中。4.模擬分析4.1 冷水系統(tǒng)動態(tài)模擬平臺基于冷水系統(tǒng)動態(tài)模擬平臺進行了模擬實驗，驗證雙溫度控制閥的控制效果和節(jié)能效果。該平臺可以在秒級時間尺度上聯(lián)合求解空調(diào)末端控制過程和水力管網(wǎng)，從而既可以檢驗末端閉環(huán)控制效果，又可以計算水系統(tǒng)的整體流量、溫差和壓差。4.2 模擬對象模擬對象是一個包含50個風機盤管（FCU）的水系統(tǒng)。如圖4所示，該系統(tǒng)服務于5個樓層，每層有10臺風機盤管，每臺風機盤管負責1個房間。圖4 風機盤管水系統(tǒng)模擬設定如

19、下：1）風機盤管選型：風機盤管的設計進風溫度為24，設計進水溫度為7，設計供回水溫差為5。2）冷水供水溫度始終保持在7，室溫設定值為24。3）風機盤管的風量分為高、中、低三擋，由用戶自主調(diào)節(jié)。本算例中50個房間的風機擋位隨機分布在3個擋位上。4）各房間的得熱量和產(chǎn)濕量隨機給定，但最高值不超過盤管的制冷能力和除濕能力。5）為了模擬實際控制過程中的各種擾動，在房間溫度傳感器的讀數(shù)上加入幅度不超過0.2的隨機誤差。以制冷工況為例，對比計算如下兩個案例。案例一：采用雙溫度控制閥，按照上述連續(xù)通斷控制策略進行控制，其中回水溫度上限值為15。案例二：采用傳統(tǒng)的通斷型電動兩通閥，當室溫高于24.5時，開啟水

20、閥；當室溫低于23.5時，關閉水閥。在上述兩個案例中，都沒有安裝各類水力平衡閥。案例二末端支路的設計資用壓頭為4m，案例一則設置閥權(quán)度為0.5，并相應增加了4m的資用壓頭。管網(wǎng)各支路的選型均一致。4.3 模擬結(jié)果1）雙溫度控制閥的房間溫濕度控制效果圖5顯示了雙溫度控制閥的動態(tài)控制過程。在250min之前，房間得熱量較多，負荷率（房間得熱量與盤管額定供冷量之比）在70%左右波動；控制結(jié)果顯示，水閥開度在45%左右，房間溫度被控制在設定值（24）附近，房間相對濕度在50%左右，回水溫度約為1213。在250min之后，房間內(nèi)部發(fā)熱量下降，負荷率在30%左右波動；控制結(jié)果顯示，水閥開度迅速下降，當水

21、閥開度下降到20%左右時，回水溫度達到15，此時切換為通斷調(diào)節(jié)模式，水閥在最小開度和20%開度之間調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)換過程和通斷調(diào)節(jié)過程中，房間溫度始終能夠穩(wěn)定地維持在設定值附近，房間相對濕度雖然有所上升，但是由于盤管仍然具有一定的除濕能力，所以也維持在70%以下，回水溫度則在15左右。值得注意的是，在上述算例中，為了考察雙溫度控制閥處理房間得熱量突變的能力，給出了房間得熱量迅速下降的工況，而為了考察其在低負荷下的除濕能力，當房間得熱量迅速下降時，產(chǎn)濕量并沒有隨之變化，因此相對濕度升高較明顯；而實際情況下房間得熱量迅速下降往往同時帶來產(chǎn)濕量的下降，例如人員離開房間等情況，因此相對濕度的升高不會有上述算

22、例中那樣明顯?？梢?，雙溫度控制閥采用連續(xù)通斷控制策略并使用串級控制回路，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)房間溫度的控制，并將濕度維持在合理的范圍內(nèi)。圖5 連續(xù)通斷控制策略的房間溫濕度控制效果2）能耗對比為了研究方便，將水系統(tǒng)在給定工況下的總冷量和總流量作為該工況下的系統(tǒng)工作點的參數(shù)，將全年各工況下的系統(tǒng)工作點繪制于一張圖上，如圖6所示，該圖可以完整地反映出水系統(tǒng)的整體性能。在圖6中，總冷量和總流量都采用了相對量，其值等于工作點總冷量（總流量）與設計最大冷量（設計最大流量）之比。圖6中每一點與原點連線的斜率正比于該工況下的供回水溫差，因此在圖6上可以做出等溫差線。圖6 水系統(tǒng)整體性能對比圖6a顯示，對于采用雙溫度控制閥的水系統(tǒng)，總供回水溫差在大部分工況下都能保持在57之間。采用傳統(tǒng)通斷控制策略的水系統(tǒng)的總供回水溫差