工程變流量水力系統(tǒng)全面平衡

1、工程變流量水力系統(tǒng)全面平衡 在暖通空調工程中，水力平衡調節(jié)是個重要課題。本文分析了暖通空調工程定流量和變流量系統(tǒng)水力平衡特點；提出了變流量系統(tǒng)全面平衡概念；同時對水力平衡和水力失調系統(tǒng)進行了比較；最后結合工程實例分析了全面平衡水力系統(tǒng)舒適節(jié)能性。 一.水力平衡概念及分類： 1、靜態(tài)水力失調和靜態(tài)水力平衡： 由于設計、施工、設備材料等原因導致系統(tǒng)管道特性阻力數(shù)比值與設計要求管道特性阻力數(shù)比值不一致，從而使系統(tǒng)各用戶實際流量與設計要求流量不一致，引起水力失調，叫做靜態(tài)水力失調。 靜態(tài)水力失調是穩(wěn)態(tài)、根本性，是系統(tǒng)本身所固有。 通過在管道系統(tǒng)中增設靜態(tài)水力平衡設備，在水系統(tǒng)初調試時對系統(tǒng)管道特性阻力

2、數(shù)比值進行調節(jié)，使其與設計要求管道特性阻力數(shù)比值一致，此時當系統(tǒng)總流量達到設計總流量時，各末端設備流量同時達到設計流量，實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。 2、動態(tài)水力失調和動態(tài)水力平衡： 系統(tǒng)實際運行過程中當某些末端閥門開度改變引起水流量變化時，系統(tǒng)壓力產生波動，其它末端流量也隨之發(fā)生改變，偏離末端要求流量，引起水力失調，叫做動態(tài)水力失調。 動態(tài)水力失調是動態(tài)、變化，它不是系統(tǒng)本身所固有，是在系統(tǒng)運行過程中產生。 通過在管道系統(tǒng)中增設動態(tài)水力平衡設備，當其它用戶閥門開度改變引起水流量變化時，通過動態(tài)水力平衡設備屏蔽作用，自身流量并不隨之變化，末端設備流量不互相干擾，實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。 3、全面水力平衡： 全

3、面水力平衡就是消除了靜態(tài)和動態(tài)水力失調，使系統(tǒng)同時達到靜態(tài)和動態(tài)水力平衡。 二.定流量系統(tǒng)靜態(tài)水力平衡： 定流量系統(tǒng)是早期暖通空調工程中常見水力系統(tǒng)。 定流量系統(tǒng)是指系統(tǒng)不含任何調節(jié)閥門，系統(tǒng)在初調試完成后閥門開度無須做任何改變，系統(tǒng)各處流量始終保持恒定。定流量系統(tǒng)主要適用于末端設備無須通過流量來進行調節(jié)系統(tǒng)，如采用變風量來調節(jié)風機盤管和空調箱等。 定流量系統(tǒng)只存在靜態(tài)水力失調，基本不存在動態(tài)水力失調，因此只需在相關部位安裝靜態(tài)水力平衡設備即可。通常在系統(tǒng)機房集水器以及一些主要分支回水管上安裝靜態(tài)水力平衡閥。 三.變流量系統(tǒng)全面水力平衡： 隨著人們對空調品質要求、節(jié)能意識不斷提高以及空調系統(tǒng)大

4、型化，變流量水力系統(tǒng)在暖通空調工程中占據(jù)越來越重要位置。 變流量系統(tǒng)是指系統(tǒng)在運行過程中各分支環(huán)路流量隨外界負荷變化而變化。由于暖通空調工程在一年大部分時間均處于部分負荷運行工況，變流量系統(tǒng)大部分時間管道流量都低于設計流量，因此這種系統(tǒng)是高效節(jié)能。 變流量系統(tǒng)一般既存在靜態(tài)水力失調，也存在動態(tài)水力失調，因此必須采取相應水力平衡措施來實現(xiàn)系統(tǒng)全面平衡。 1、靜態(tài)水力平衡實現(xiàn)： 通過在相應部位安裝靜態(tài)水力平衡設備，使系統(tǒng)達到靜態(tài)水力平衡。 實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡判斷依據(jù)是：當系統(tǒng)所有自力式閥門均設定到設計參數(shù)位置，所有末端設備溫控閥（電、氣動閥）均處于全開位置時，系統(tǒng)所有末端設備流量均達到設計流量。 從

5、上可以看出，實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡目是使系統(tǒng)能均衡地輸送足夠水量到各個末端設備，并保證末端設備同時達到設計流量。 但是，末端設備在大部分時間是不需要這么大流量。因此，系統(tǒng)不但要實現(xiàn)靜態(tài)水力平衡，還要實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。 2、動態(tài)水力平衡實現(xiàn)： 通過在相應部位安裝動態(tài)水力平衡設備，使系統(tǒng)達到動態(tài)水力平衡。 實現(xiàn)動態(tài)水力平衡判斷依據(jù)是：在系統(tǒng)中各個末端設備流量達到末端設備實際瞬時負荷要求流量同時，各個末端設備流量變化只受設備負荷變化影響，而不受系統(tǒng)壓力波動影響，即系統(tǒng)中各個末端設備流量變化不互相干擾。 變流量系統(tǒng)動態(tài)水力平衡在保證系統(tǒng)供給和需求水量瞬時一致性（這個功能是由各類調節(jié)閥門來實現(xiàn)）同時，避免了各

6、末端設備流量變化相互干擾，從而保證系統(tǒng)能高效穩(wěn)定地將設備在各個時刻所須流量準確地輸送過去。 目前在暖通空調變流量系統(tǒng)中常用兼具動態(tài)平衡與調節(jié)功能動態(tài)水力平衡設備主要有動態(tài)平衡電動二通閥（風機盤管用）、動態(tài)平衡電動調節(jié)閥（各類空調箱用）等。 四.水力平衡和水力失調系統(tǒng)比較： 1、靜態(tài)水力平衡與水力失調系統(tǒng)比較： 圖1為對靜態(tài)水力不平衡系統(tǒng)進行改造一個應用實例。下圖為系統(tǒng)流程圖，其中左側為水泵及主機，右側為四臺末端設備，四臺末端設備設計流量均為20m3/h； 上圖為該系統(tǒng)在靜態(tài)水力平衡前后阻力分布線圖。 、靜態(tài)水力失調系統(tǒng)流量計算： 在未安裝靜態(tài)水力平衡設備前，現(xiàn)場測得末端設備流量及通過改造水泵來

7、滿足流量計算結果如表1所示，該系統(tǒng)為靜態(tài)失調水力系統(tǒng)。 表1 設備 流量 設備1 設備2 設備3 設備4 總流量（m3/h） 設備實測流量（m3/h） 28 24 18 16 86 設計流量 20 20 20 20 80 實測流量與 設計流量比較 實測>設計 實測>設計 實測<設計 實測<設計 為保證設計流量 必須采取措施 必須通過增大水泵流量方法 以保證設備4流量達到設計流量 水泵流量增大后流量數(shù)值（m3/h） 35 30 225 20 1075 由上表可見，設計總流量為80（m3/h），但為了保證最不利環(huán)路達到設計流量，實際水泵所需最小流量為107.5（m3/h），

8、遠遠大于設計總流量。 這樣系統(tǒng)既不節(jié)能，也不舒適，因此必須安裝靜態(tài)水力平衡設備對系統(tǒng)進行改造。 、靜態(tài)水力平衡系統(tǒng)流量計算： 表2為安裝了靜態(tài)水力平衡閥并調試合格前后末端設備流量實測數(shù)值。 表2 設備 流量 設備1 設備2 設備3 設備4 總流量（m3/h） 設備實測流量（m3/h） 28 24 18 16 86 設計流量 20 20 20 20 80 實測流量與 設計流量比較 實測>設計 實測>設計 實測<設計 實測<設計 為保證靜態(tài)水力 平衡采取措施 安裝靜態(tài)水力平衡設備，并通過一定調試方法，使各個末端設備實際流量比值與設計要求流量比值一致，再將系統(tǒng)總流量調至設計總

9、流量 靜態(tài)水力平衡后 實測流量（m3/h） 20 20 20 20 80 由上表可見，設計總流量為80（m3/h），系統(tǒng)靜態(tài)水力平衡后實際總流量也是80（m3/h），且各個末端設備流量同時達到設計流量。因此這種系統(tǒng)實現(xiàn)了靜態(tài)水力平衡，并且舒適節(jié)能。 2、全面平衡水力系統(tǒng)與動態(tài)失調水力系統(tǒng)比較： 、動態(tài)失調水力系統(tǒng)（采用傳統(tǒng)電動調節(jié)閥調控空氣處理機回風溫度多路并聯(lián)系統(tǒng)）水力特性分析： 如圖2所示，為一組多臺空氣處理機并聯(lián)環(huán)路（圖中只畫出2路、已實現(xiàn)靜態(tài)平衡），每路通過電動調節(jié)閥調節(jié)目標區(qū)域回風溫度，其中區(qū)域一設定溫度為25，區(qū)域二設定溫度為27。 假定處于夏季工況，區(qū)域一已調至平衡狀態(tài)，即目標區(qū)

10、域溫度T1已穩(wěn)定在25，這時電動調節(jié)閥開度維持在某一位置以輸出一個恒定流量。 區(qū)域二還處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測量回風溫度T2為24，低于設定溫度27，這時測量溫度和設定溫度在溫度控制器進行比較，輸出信號將電動調節(jié)閥關小以減少流過空氣處理機二冷水量，這時制冷量減少，使測量溫度T2升高，接近設定溫度；但以此同時，系統(tǒng)立管C、D二點壓差會增大，空氣處理機一環(huán)路電動調節(jié)閥EV1二端C、B1二點壓差也相應增大，電動調節(jié)閥流量增大，空氣處理機一制冷量增大，導致回風溫度T1下降，偏離平衡狀態(tài)。 由上可見，由于空氣處理機二環(huán)路調節(jié)導致空氣處理機一環(huán)路偏離平衡狀態(tài)，也就是空氣處理機二環(huán)路對一環(huán)路產生了干擾，因此這兩個

11、環(huán)路間存在動態(tài)水力失調。對于多環(huán)路系統(tǒng)，任何一個環(huán)路調節(jié)都會對其它環(huán)路產生干擾，同時任何一個環(huán)路都會受到其它環(huán)路調節(jié)影響，系統(tǒng)越大，這種影響就越明顯，也就是動態(tài)水力失調程度就越大，因此系統(tǒng)很難調到平衡狀態(tài)，即使到了平衡狀態(tài)，要想維持穩(wěn)定也很難。 、全面平衡水力系統(tǒng)（采用動態(tài)平衡電動調節(jié)閥調控空氣處理機回風溫度多路并聯(lián)系統(tǒng)）水力特性分析： 如圖3所示，為一組多臺空氣處理機并聯(lián)環(huán)路（圖中只畫出2路）。每路通過動態(tài)平衡電動閥來調節(jié)目標區(qū)域回風溫度，其中區(qū)域一設定溫度為25，區(qū)域二設定溫度為27。 假定處于夏季工況，區(qū)域一已調至平衡狀態(tài)，即目標區(qū)域溫度T1已穩(wěn)定在25，這時動態(tài)平衡電動閥開度維持在某一

12、位置保持不變以輸出一個恒定流量。 區(qū)域二還處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測量回風溫度T2為24，低于設定溫度27，這時測量溫度會和設定溫度在溫度控制器進行比較，輸出信號將動態(tài)平衡電動閥關小以減少流過空氣處理機二冷水量，這時制冷量會減少，使測量溫度T2升高，接近設定溫度；以此同時，系統(tǒng)立管C、D二點壓差會增大，空氣處理機一環(huán)路動態(tài)平衡電動閥DV1二端C、B1二點壓差也相應增大。但是由于動態(tài)平衡電動閥動態(tài)平衡功能（動態(tài)平衡閥芯PV1定壓差作用），該閥電動調節(jié)閥芯二端A1、B1點壓差并不發(fā)生變化，因此空氣處理機一環(huán)路流量維持不變，制冷量不變，相應區(qū)域一仍處于平衡狀態(tài)。 由上可見，空氣處理機二環(huán)路調節(jié)沒有對已經平衡

13、空氣處理機一環(huán)路產生干擾，因此這兩個環(huán)路間不存在動態(tài)水力失調。對于多環(huán)路系統(tǒng)，任何一個環(huán)路調節(jié)都不會對其它環(huán)路產生干擾，同時任何一個環(huán)路都不會受到其它環(huán)路調節(jié)影響，系統(tǒng)越大，這種動態(tài)平衡特性就越明顯，每一個環(huán)路只受自己區(qū)域負荷變化影響，而不受系統(tǒng)壓力波動影響，因此很容易達到并維持平衡狀態(tài)。 這種全面平衡變流量水力系統(tǒng)能根據(jù)各個目標區(qū)域負荷變化適時、準確、穩(wěn)定地輸送所需要水量到各個末端設備，因此這種系統(tǒng)具有更高效率、更好節(jié)能效果和舒適程度。 五.暖通空調變流量水力系統(tǒng)全面平衡在工程實際中應用： 下面以上海美嵐廣場空調工程為例來說明全面平衡水力系統(tǒng)調試，并分析其舒適節(jié)能性（該系統(tǒng)由于新風機組選用了

14、電動調節(jié)閥，因此存在一定動態(tài)水力失調）。 該項目建筑面積約三萬五千平米，其中空調使用面積三萬多平米，地下二層，地上十八層，主要功能區(qū)域劃分及選用空調系統(tǒng)形式詳見表3。 表3 由于建筑物功能區(qū)域較多，管路復雜，而且各功能區(qū)域工作時段各不相同，因此采用了變流量水力系統(tǒng)全面平衡方案以消除系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)水力平衡（新風機組除外）。 該系統(tǒng)流程簡圖如圖4所示（此圖僅為縮略圖，實際新風、風盤、空氣處理機各有二套立管，且風盤分高低區(qū)）。 系統(tǒng)水力平衡設備分布如表4所示。 表 4 1、靜態(tài)水力平衡調試： 由于該系統(tǒng)供熱與制冷共用一套風機盤管和新風機組水系統(tǒng)，因此采取兩個步驟以完成系統(tǒng)靜態(tài)水力平衡調試。 、夏季制

15、冷靜態(tài)水力平衡調試： 、將熱水分水器干管碟閥關閉； 、將電動調節(jié)閥、動態(tài)平衡電動調節(jié)閥、動態(tài)平衡電動二通閥通電至全開位置； 、按夏季各末端設備設計流量計算所有靜態(tài)水力平衡閥設計流量； 、按照從末端到主機順序對系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路靜態(tài)平衡閥流量比進行調節(jié)，直至與計算出設計流量比值一致； 、調節(jié)冷凍水調頻泵轉速，直至冷凍水集水器主管靜態(tài)水力平衡閥流量與設計流量一致，此時系統(tǒng)所有末端設備流量均等于夏季設計流量，記錄下此時分集水器壓差，此即為壓差控制器設定壓差。 、冬季供熱靜態(tài)水力平衡調試： 按以上步驟（關閉冷凍水分水器干管碟閥、按照冬季設計流量進行計算、調節(jié)熱水調頻泵等），調節(jié)熱水集水器上靜態(tài)平衡閥，就可

16、完成供熱靜態(tài)水力平衡調試。 2、動態(tài)水力平衡調試： 動態(tài)平衡電動二通閥是根據(jù)風機盤管設計流量、動態(tài)流量平衡閥是根據(jù)制冷機、換熱器設 計流量進行定制，在工作壓差范圍內流量維持不變，因此不需進行調試。 動態(tài)平衡電動調節(jié)閥只需通電后在控制器上進行簡單PID參數(shù)設定即可。因此，相比較于傳統(tǒng)電動調節(jié)閥，調試時間大大縮短，調試程序更加簡化，縮短了工期，節(jié)省了費用。 3、全面平衡變流量水力系統(tǒng)舒適節(jié)能性檢測： 在該工程動、靜態(tài)水力平衡調試合格后，為進一步了解全面平衡設計對系統(tǒng)舒適節(jié)能性影響，在夏季空調系統(tǒng)全開且運行穩(wěn)定后，模擬空調運行實際情況，分別進行了以下檢測： 、關閉五九層辦公區(qū)域空調系統(tǒng)，檢測一、二層

17、空氣處理機送風溫度和大堂溫度變化情況、十二、十三層新風機組送風溫度和典型房間溫度變化情況： 溫度變化如表5(單位：) 表5 由上表可以看出：、在辦公區(qū)域空調系統(tǒng)關閉后，一、二層空氣處理機送風溫度波動不大，這表明這些空氣處理機表冷段冷凍水流量變化不大，通過動態(tài)平衡電動調節(jié)閥動態(tài)平衡功能，冷凍水流量不受由于辦公區(qū)域空調關閉導致系統(tǒng)供回水壓差升高影響。同時大堂溫度波動也不大，系統(tǒng)舒適性較好；、在辦公區(qū)域空調系統(tǒng)關閉后，十二、十三層新風機組送風溫度降低3-4，這表明由于辦公區(qū)域空調系統(tǒng)關閉導致系統(tǒng)供回水壓差升高，對新風機組冷凍水流量產生了較大影響，新風送風溫度波動較大，從而使房間溫度也產生了一定波動，房間舒適性稍差。 、 關閉十二、十三層客房區(qū)一半風機盤管，從其余風機盤管中選5個最不利房間，檢測房間溫度所受影響，結果見表6： 表6 由上表可見，關閉部分風機盤管后對其余房間溫度波動影響不大，也就是動態(tài)平衡電動二通閥具有較強抵抗系統(tǒng)干擾即動態(tài)平衡能力。 、測量全面平衡系統(tǒng)冷凍水運行耗電量，與傳統(tǒng)變流量水力系統(tǒng)進行比較，檢驗節(jié)能效果： 該系統(tǒng)冷凍水