关于空调系统水力平衡与系统节能的分析
摘要：本文主要介绍了水力平衡在空调水系统运行中对节能的意义，并分析了水力失衡的原因及不同形式系统的水力失衡调节的方法。
关键词：水力失调；水力平衡；水泵能耗 引言
节约资源是我国的基本国策，我国建筑能耗占总能耗的30%左右，其中空调能耗约占建筑能耗的50~60%，在集中空调系统的耗能设备中，冷冻水泵与冷却水泵的能耗大约占25~30%。长期以来，空调系统在实际运行中普遍存在水力失调问题，不仅影响室内环境的舒适性，而且也影响到系统的运行成本；同时，空调水系统的水力不平衡会造成空调系统水流量的分配失衡，导致有些回路流量过剩而另一些回路流量不足，从而出现空调区域冷热不均的现象，为了兼顾局部失衡区域的空调效果，空调主机、水泵不得不在大流量状态下工作，导致空调系统能耗增加。因此，解决水力失衡问题是提高暖通空调系统舒适性和节能的关键。 1水力工况和水力工况平衡
水力工况是指系统各点的压力，各管段的流量、压差。由管段的流量与压差的关系公式△p=sq2可知当管路阻抗一定时，流量和压差成正比，压差增大时，流量增大。 式中：p—压差或阻力损失； s管段或系统的阻力系数；
q—管段或系统的流量。
系统运行水力工况是水泵的特性曲线与管性曲线交点形成的。而水泵的扬程都是根据最不利环路的阻力确定的，以保证最不利支路的作用压差满足设计要求。
对于管性曲线△p=sq2，因并联的近端回路s值都会小于设计值，造成总s值远小于设计值。见图1：设计管性曲线为s设计，设计工况点为a点，未经水力平衡的管性曲线为s运行，运行工况点为b点，水泵的实际工作点在管性曲线图上将落到b点，其直观表象就是：①循环水泵在小扬程大流量工况下运行，使水泵在大轴功率低效率点工作；②总循环水量的加大必然导致主机阻力加大；③流量加大后供回水温差变小；④近端支路作用压差大于用户需用压差必然导致近端支路流量过大。 图1管性曲线图
水力工况平衡就是使流量合理分配，让各个回路的流量达到设计流量或实际需求流量。其实质就是通过调节阻力元件来增大有利回路的阻力，消耗其富裕压头以达到阻力平衡。 2水力失调与水力平衡措施
静态水力失调是系统管道阻力与设计要求的管道阻力不一致，从而使系统各支路的实际流量和设计流量不一致引起的水力失调，静态水力失调是稳定的，是系统本身固有的。静态水力失调可用静态平衡阀来消除，通过改变静态平衡阀的开度来改变阀门的阻力，从而消耗掉最不利回路以外的其他回路的富余压差。当各回路流量
平衡后，各回路的阻抗分布就确定下来，平衡阀的开度就不再改变了。图2为某异程系统的水力失调及其平衡措施示意图，假设各支路流量和阻力相等，则回路5为最不利回路，水压图中末端压降等于各支路实际所需压差，由图可见1~4支路的作用压差均大于需用压差，富余的压差△p就是静态水力失调的原因。 图2某异程系统水力失调及其平衡措施示意图
动态水力失调是指系统实际运行过程中，当某些末端设备的阀门开度改变引起流量变化时，导致其他末端设备的压差、流量随之变化而引起的水力失调。动态水力失调可以用动态压差平衡阀来消除，当系统中某些支路关闭，引起系统内其它支路的压差及流量增大时，动态平衡阀则会关小开度来减小被控支路的作用压差和流量，当被控支路压差小于设定值时，动态平衡阀则会调大开度来平衡被控支路的流量和压差。可见动态压差平衡阀可以自动调整开度，来调整自身所消耗的压差，从而恒定被控管路两端的工作压差，其主要作用是吸收外部的富余压头及隔离回路间流量变化引起的相互干扰。
由上述水力失调的定义可知：末端定流量系统只存在静态水力失调，只需用静态平衡阀调节即可。
随着人们节能意识的不断提高，末端主动变流量水系统在空调工程中的应用越来越多。在变流量系统的运行过程中，各分支回路的流量是随着负荷的变化而变化的，然而并联回路间的耦合性很强，水力是相互影啊的，一个水力回路的水力扰动会传递到其他回
路中去。因此，变流量系统即存在静态水力失调也存在动态水力失调。
变流量系统实际上应包括末端变流量和水泵变流量两方面，水泵变流量系统根据控制方式的不同其系统水力平衡的方式和节能效果也不相同。一次泵变流量系统一般采用定温差控制、定末端压差控制、供回水主管定压差控制三种方式控制水泵。
定温差控制方式是根据供回水干管设定的温差值来控制水泵变频，适用于末端不设调节阀和两通阀电磁阀的场合，因此不存在动态水力失调，只需进行静态水力平衡即可。
定末端压差控制方式是以最不利支路的压差设定值(设计压差)来控制水泵变频，以图2为例，当回路3关闭后，系统内压差增大，水泵变频，仍然保持最不利支路的压差为设计压差，回路3前面的干管流量将减小，水压线将变得平缓，回路1.2的作用压差将减小，回路3后面的干管流量不变，回路4、5的作用压差不变。如果对该系统进行静态水力平衡，则回路1、2的有效作用压差将可能小于末端压降，会出现流量不足的情况，因此该系统不能采用静态平衡阀消除静态水力失调，而应采用动态压差平衡阀来消除系统的静态水力失调和动态水力失调。
供回水主管定压差控制方式是以供回水主管的压差设定值(设计压差)来控制水泵变频，仍以图2为例，当回路3关闭后，系统内压差增大，水泵变频，仍然保持供回水主管的压差为设计压差，但系统总阻力系数增大，各回路作用压差均增大，流经各支路的流
量增大产生动态水力失调，该系统可用静态平衡阀消除系统固有的静态水力失调，用动态平衡阀消除因关闭支路3引起的动态水力失调。
3系统流量与水泵能耗的关系
(1)由泵的轴功率计算公式及泵的性能曲线(图3)可知泵的能耗与流量成正比和水泵的效率成反比，当水泵在大流量小扬程状态下工作时，轴功率明显增大，这时水泵运行在低效率区。所以不论水泵是否采取变速措施，小流量运行总是节能的。如果采用了变速措施，其节能效果会更加显著。 图3离心泵的性能曲线
对于定流量系统或定频水泵来说，通过水力平衡减小系统实际运行流量至设计流量可有效降低水泵能耗。 (2)由水泵相似律得出的参数关系： 式中：n—水泵的转速； h—水泵的扬程； n—水泵的输入功率； q—水泵的流量； η—水泵的实际效率。
1，2表示工况1和工况2，两工况为相似工况。
由上式可知，从理论上讲，水泵变频调节时的能耗与流量的三次方成正比，流量减小时水泵能耗可以快速减小。但实际上，水泵能耗受多种因素的影响。郑等人经过研究推导出不同控制方式
下的水泵节能率的公式并得出结论：一次泵变流量系统的节能率从高到低依次是定温差控制、定末端压差控制、供回水主管定压差控制，其三种控制方式的节能率界于无量纲变流量比q*(部分负荷流量/额定负荷流量)的一次方到三次方之间。
对于变流量系统来说，通过水力平衡可有效减小末端部分负荷时的干管流量，强化系统部分负荷时的压差变化，为水泵变频减小系统流量降低输送能耗提供更好的基础条件。 4结论
综上所述，暖通空调系统的水力平衡是空调系统和节能控制系统发挥良好功能的基础条件，解决水力失衡问题是提高空调系统舒适性和节能的关键所在。对于不同形式的空调水系统要采取相应的水力平衡措施。通过水力平衡可以有效的减少空调水系统实际运行流量，从而达到降低水泵输送能耗的目的。 参考文献
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