用變速泵和變速風機代替調(diào)節(jié)用風閥水閥|資料

摘要：通過5個工程實例，探討在供熱空調(diào)系統(tǒng)中利用變速風機和變速泵代替調(diào)節(jié)用風閥水閥實現(xiàn)風和水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)的可能性。分析表明，這樣做可以節(jié)省運行能耗，同時改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)的初投資一般也不會增加。水泵和風機能耗約占供熱空調(diào)系統(tǒng)總能耗的40？這些能耗中的1/3左右被各種調(diào)節(jié)閥門所消耗，但這樣大的代價并沒有換來好的調(diào)節(jié)效果，反而導致系統(tǒng)中許多問題發(fā)生。采用變速風機和變速泵充當調(diào)節(jié)手段，可節(jié)省這部分能耗，并可解決許多調(diào)節(jié)中的困難。

關鍵詞：變頻調(diào)節(jié) 水系統(tǒng) 風系統(tǒng) 變速水泵 變速風機

1、引言

在暖通空調(diào)工程中，使用大量的風閥水閥對系統(tǒng)中的風量水量進行調(diào)整，使其滿足所要求的工況。它們的調(diào)節(jié)原理是增加系統(tǒng)的阻力，以消耗泵或風機提供的多余的壓頭，達到減少流量的目的。因此這些調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是以消耗風機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調(diào)工程中愈來愈多地使用自動控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)自控，許多風閥水閥還要使用電動執(zhí)行機構。目前質(zhì)量好的電動水閥價格為幾千甚至上萬元。電動風閥亦需要幾千元。電動風閥水閥的費用常常占到自控系統(tǒng)總費用的40％以上。能否改變系統(tǒng)的構成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門，用其它方式實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)？風機水泵與風閥水閥是一一對應的兩類調(diào)節(jié)流量的設備。風機水泵為流體提供動力，而風閥水閥則消耗流體多余的動力。因此，若用風機水泵代替風閥水閥，不是在能量多余處加裝閥門，而是在能量不足處增裝水泵或風機，通過調(diào)節(jié)風機水泵的轉速，同樣可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。此時由于減少了調(diào)節(jié)閥，也就減少了閥門所消耗的能量，因此會減小運行能耗。同時，目前可變轉速的風機、水泵價格與相同流量的電動風閥、水閥價格接近，甚至更低，因此初投資也不會提高。從這一思路出發(fā)，本文先給出幾個用泵代閥的例子，然后進一步討論這一方案對暖能空調(diào)工程的意義及要注意的問題，以期引起大家的討論。

2、實例分析

2.1 簡單系統(tǒng)的流量控制

圖1為一個簡單的控制循環(huán)流量的系統(tǒng)，泵P提供動力以實現(xiàn)水通過閥V、管道及用戶U間的循環(huán)。圖2給出當閥全開、泵的轉速n=n0時系統(tǒng)的工作點。此時，流量為G0，水泵工作效率為η0，即效率最高點。要使流量減小一半，一種方式是將閥門關小，使管網(wǎng)等效阻力特性曲線向左偏移，見圖2。此時泵的效率降低至η1，壓力升至p1。由于壓力升高，效率降低，因此盡管流量減少至一半，泵耗僅減少20％～30％，此時除閥門以外的管網(wǎng)部分由于其阻力特性不變，因此僅消耗壓降p0/4，剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在閥門上，它消耗了此時泵耗的80％，這就是為什么說調(diào)節(jié)閥消耗了大部分水泵能耗的依據(jù)。此外，水泵工作點偏移造成的不穩(wěn)定、閥關小后大的節(jié)流和壓降引起的噪聲，都對系統(tǒng)有不良影響。

若保持不變，但將泵的轉速降至50％，圖2同時給出此時的工作狀況，這時管網(wǎng)的阻力特性曲線不變，泵的工作曲線下移，泵的工作效率仍將為η0，壓力p2為p0/4。這樣，減少流量后泵耗僅為原來的1/8，具有極顯著的節(jié)能效果。同時，由于泵的工作點及閥的位置均未變，因此系統(tǒng)工作穩(wěn)定，且不會有節(jié)流噪聲。

圖1 簡單的水循環(huán)系統(tǒng)

圖2 調(diào)整閥門或調(diào)整轉速來改變流量

此簡單例子說明：

(1) 當調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用時，將消耗其所在支路的大部分流體動力。并且由于改變了管網(wǎng)阻力特性，使管網(wǎng)中的動力機械工作點偏移，在多數(shù)情況下這將導致效率下降。

(2) 當采用變速方式調(diào)節(jié)流量時，泵或風機能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于系統(tǒng)阻力特性不變，泵或風機的工作點不變，因此效率不變，泵、風機及系統(tǒng)均可穩(wěn)定地工作。

(3) 以調(diào)整泵或風機的轉速來調(diào)整流量應該是流量調(diào)節(jié)的最好手段。

2.2 供熱水網(wǎng)

圖3為一簡單的供熱水系統(tǒng)。當各用戶要求的資用壓頭相同時其水壓圖見圖4中實線。

圖3 供熱水網(wǎng)系統(tǒng)圖

圖4 供熱水網(wǎng)水壓圖

圖中虛線以下部分為用戶所消耗的資用壓頭，而虛線以上部分則為閥門所消耗。若系統(tǒng)設計合理，泵選擇適當，則最遠端用戶處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開，不多消耗能量。此時，若各用戶流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門全開時的阻力，對于n個用戶，閥門V1消耗的能量與用戶外管網(wǎng)所消耗的總能量的百分比EV1為：

EV1＝(1/n)×((n-1)/n)

第k個閥門所消耗能量與用戶外管網(wǎng)總能耗的百分比EVk

EV1＝(1/n)×((n-1)/n)

前n-1個閥門共消耗的能量為：

當熱用戶個數(shù)足夠多時，（n－1）／(2n)約等于50％，也就是消耗在外網(wǎng)的能耗約有一半被各支路的調(diào)節(jié)閥所消耗。一般用戶側真正需要的揚程僅為循環(huán)泵揚程的20％～30％，即外網(wǎng)消耗70％～80％。因此，總泵耗的35％～40％的能量被調(diào)節(jié)閥消耗掉。有時為安全起見，循環(huán)泵的揚程還要選大些，然后再通過圖3中的閥門V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網(wǎng)中調(diào)節(jié)閥消耗一半以上的泵耗。

若改用圖5方式連接熱水管網(wǎng)，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，代替調(diào)節(jié)閥，減小主循環(huán)泵的揚程，使其只承擔熱源及一部分干管的壓降，用戶的壓降及另一部分干管壓降由各用戶內(nèi)的回水加壓泵提供，則其水壓圖見圖6。

圖5 用水泵代替閥門的熱水供暖系統(tǒng)

圖6 用泵代閥方案的水壓圖

此時無調(diào)節(jié)閥，因此也無調(diào)節(jié)閥損失的泵耗，用戶處各個回水加壓泵的揚程應仔細選擇。若選擇過大，再用閥門降低同樣會消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過調(diào)整轉速來實現(xiàn)各個用戶所要求的流量，因此不再靠調(diào)節(jié)閥消耗泵耗，這樣，盡管多裝了許多泵，但運行電耗將降低50％以上。

在這種情況下，若各用戶要求的流量變化頻繁，整個系統(tǒng)的總流量亦在較大范圍內(nèi)變化，總循環(huán)泵也可用變頻泵，并根據(jù)干管中部供回水壓差（見圖5、6中點A）來控制其轉速，使該點壓差維持為零，則系統(tǒng)具有非常好的調(diào)節(jié)性能與節(jié)能效果。分析表明，當采用如圖3常規(guī)的管網(wǎng)方式時，若由于某種原因，一半用戶關閉，不需要供水時，未關的用戶水量會增加，最大的流量可增加50％以上，而同樣的管網(wǎng)采用圖5的方式，并且對主循環(huán)泵的轉速進行上述方式的控制，則同樣情況下未關閉的用戶的水量增加最大的不超8％，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性大為改善。此方面的進一步詳細分析見文獻[1]，這一方案準備在已開始施工的杭州熱電廠冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)中使用，各用戶為吸收式制冷機、生活熱水用換熱器，冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明，對于這種負荷大范圍變化的系統(tǒng)，采用這種方式，比常規(guī)方式節(jié)省泵的電耗62％，并改善了系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。同時還使整個系統(tǒng)壓力變化范圍減小，從而可降低管網(wǎng)承壓要求，處長管網(wǎng)壽命。在各用戶處安裝調(diào)速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調(diào)節(jié)閥及節(jié)省的用電增容費中補齊，因此總投資可以不增加甚至有所降低。

2.3 空調(diào)水系統(tǒng)

為減少水泵電耗，便于系統(tǒng)調(diào)節(jié)，許多系統(tǒng)采用兩級泵方式，如圖7。泵組P1可根據(jù)要求的制冷機的運行臺數(shù)而啟停，其揚程僅克服蒸發(fā)器阻力及冷凍站內(nèi)部分管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶的壓降。為了節(jié)能，P2有時還采用變速泵，根據(jù)用戶要求的流量調(diào)節(jié)泵的轉速，調(diào)節(jié)規(guī)則是維持最遠端用戶處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻[2]中指出，P2采用變速泵后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣“與流量的三次方成正比”。假設冷水用戶所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50％，例如均為5m，則泵組P2的轉速就要按照使最末端壓差恒定為5m來控制。假設各用戶要求的流量均為最大流量的50％，則各用戶本身的調(diào)節(jié)閥都紛紛關小，此時末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變?yōu)?.25m，泵組P2所要求的壓降從原來的10m降至6.25m，流量雖降至一半，但泵的工作點左偏，效率降低，因此泵耗約為最大流量時的45％左右，而并非按照三次方規(guī)律所預測的12.5％。造成這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于各用戶調(diào)節(jié)閥關小，消耗了多余的這部分能量。見圖8。

圖7 空調(diào)兩級泵系統(tǒng)

圖8 空調(diào)兩級泵系統(tǒng)流量下降時工作點的變化

此外，如果干管壓降占P2揚程的一半，則如同上一例所分析，由于各用戶遠近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶的調(diào)節(jié)閥所消耗。并且空調(diào)系統(tǒng)為了改善其調(diào)節(jié)性能，還希望調(diào)節(jié)閥兩側壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣，平均估計，即使采用變速泵，泵組P2的能量中也有60％以上被各個調(diào)節(jié)閥消耗掉。

圖9 為按照前一例的思路，將各調(diào)節(jié)閥改為變頻泵，取消泵P2的新方案。圖10a為按照這個方案運行，當制冷機要求的水量大于用戶需要的水量時的水壓圖；圖10b為用戶要求的水量大于制冷機側水量時的水壓圖。采用這種方式將不再需要調(diào)節(jié)閥，由圖10可看出，對于大多數(shù)支路來說，供回水干管間是負壓差，當某臺空調(diào)機的水泵停止時，流量會自動成為零。改變用戶處水泵的轉速，可以很好地實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。由于不再安裝任何調(diào)節(jié)閥，因此再沒有調(diào)節(jié)閥所造成的損失。當流量減少一半時，用戶水泵的工作點將略有偏移，但能耗仍可降低80％以上。當系統(tǒng)平均運行流量為最大流量的70％時，可以計算出與采用變速泵P2的方式相比，各用戶泵電耗的總工程和不足泵P2電耗的35％。

圖9 用變頻器代替調(diào)節(jié)閥的二級泵系統(tǒng)

圖10a P1流量大于用戶總流量時的水壓圖

圖10b 書館P2流量小于用戶總流量時的水壓圖

再分析這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當由于某種原因，一些用戶關閉，一些用戶調(diào)小，總流量降低50％時，干管壓降減少，泵的轉速未變化的用戶的流量最大增加幅度約為10％～20％，與泵的性能曲線形狀有關。這時只要將轉速相應地減少，即可維持原流量。采用這種方式，用各個小變頻泵代替一組大變頻泵，由于總功率降低20％～30％，因此價格不會增加。采用新方案后，還省掉各個空調(diào)機的電動調(diào)節(jié)閥，因此初投資將降低。

2.4 空氣處理室

圖11為常見的可變新風量的空氣處理室。為了充分利用新風，希望能夠通過調(diào)整3個風閥來改變新回風比，實現(xiàn)要求的送風參數(shù)。由于空氣被排風機從房間抽回后，要經(jīng)風閥A排至大氣，因此點a處必須為正壓，而外界新風又要經(jīng)過風閥B進入空氣處理室，因此點b處必須是負壓。a、b兩點間的壓差將等于新風閥B和新風風道的壓降與排風閥A和排風風道壓降之和。若新風道新風閥和排風道排風閥的壓降分別為100Pa則a、b間的壓降為200Pa。這樣大的壓差僅依靠一個風閥C來調(diào)節(jié)很困難。因此，這樣的系統(tǒng)實際上很難真正實現(xiàn)新回風比連續(xù)可調(diào)。由于3個風閥的位置不協(xié)調(diào)，使a、b兩點間的壓降很難保持不變，這樣還導致實際的總風量隨3個風閥的調(diào)整而變化，當全新風運行時，總風量有時可比最小新風時小10％以上。

圖11 常規(guī)的可變新風量空氣處理室

根據(jù)風機代替風閥的思路，可以按圖12的方式設計空氣處理室。將原來的回風機改為可以變速的排風機。送風機F1克服空氣處理室設備及送、回風道的阻力。點a處為負壓，其數(shù)值為回風道的壓降。單獨調(diào)整新風閥B或排風機F2的轉速，可改變a點的壓力，從而改變室內(nèi)正壓度；同時調(diào)整F2的轉速和閥A的開度，則可以準確地調(diào)整新回風比，而不影響總風量。圖中的單向?qū)Я魅~片用來防止新風進入后與回風混和，一部分由排風機排走，保證a處空氣向b處流動，而無氣流倒流的現(xiàn)象。當空調(diào)室的新風和排風道較長或斷面較小、阻力較大時，采用這種方式還可以徹底解決圖11方式的新風量難以增大的問題。只要新風風道的壓降小于回風風道的壓降，就可以實現(xiàn)從最小新風至全新風的連續(xù)有效的調(diào)節(jié)。

圖12 用排風機代替回風機的空調(diào)處理方案

這一方式的缺點是：當回風風道阻力較大時點a負壓降大，于是要求排風機F2即使在小風量時（如最小新風時）也要有較大的壓頭以克服點a處的負壓。這與變轉速風機的特性不一致。出于這一點，還可以采用圖13的方式，用4臺風機分別擔當送風、回風、排風和送新風的任務。這時，圖中的點a處壓力與大氣壓相同，送風機克服送風風道及空氣處理室設備的阻力，回風機F2克服回風道的阻力，排風機F3和新風機F4可以為一臺電機連接同步運轉的變速風機。改變其轉速即可改變新風與回風比。此時的新回風比嚴格與F3、F4的轉速成正比。房間正壓度可用設在回風風道或送風風道上的風閥來調(diào)節(jié)，調(diào)好后總送量量將維持不變。新回風比則完全由F3、F4的轉速決定，它們的改變對總風量及房間內(nèi)壓力無任何影響。

圖13 在新風和排風道上都安裝風機的方式

圖13方式雖然安裝了4臺風機，但實際的運行能耗反而小于圖11的常規(guī)系統(tǒng)及圖12的雙風機系統(tǒng)。這是由于它不再有常規(guī)系統(tǒng)中混風閥C和圖12系統(tǒng)中的新風閥節(jié)流能耗。與常規(guī)系統(tǒng)相比，在全新風時，圖13中風機F4與F1的壓力之和與常規(guī)系統(tǒng)的送風機壓力相同。這樣，圖13中4臺風機的電機功率應與同樣風量常規(guī)系統(tǒng)兩臺風機的電機功耗不變，而圖13系統(tǒng)的F3、F4低轉速運行，功耗降低。對圖12所示系統(tǒng)而言，如果新風風道及排風風道阻力與圖13相同，則最大新風時，二者能耗相同，而當最小新風時，圖12的排風機為了將空氣從a點附近的負壓區(qū)排至室外，仍需用提供較高壓頭，使得工作點偏移，效率下降，而圖13中點a永遠為零壓，F(xiàn)3、F4工作點不變，最小新風時能耗要低些。

2.5 變風量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）

采用變風量空調(diào)系統(tǒng)，在每個房間送風口裝VAV末端裝置，根據(jù)房間溫度調(diào)整末端裝置內(nèi)風閥的開度以改變房間的送風量，從而滿足各房間不同的環(huán)境要求，適應各房間的熱負荷變化。圖14為這種變風量系統(tǒng)的原理圖。

圖14 VAV系統(tǒng)原理圖

為了使總風量也能相應變化，總的送排風機亦采用變頻風機，并根據(jù)最末端風道內(nèi)的壓力調(diào)整轉速，保證各VAV裝置有足夠的資用壓頭。一些工程人員及研究者認為[3]，這樣做當最末端僅需要一部分風量時，VAV裝置需要關小，而風機轉速不會隨之降低，導致各VAV裝置都關小，而風機轉速不會隨之降低，導致各VAV裝置都關小，風機能量很大一部分都消耗在風閥上，建議將參考測壓點前移至距末端1/3總長度處。這樣做有時在各房間均希望大風量送風時，末端又不能保證足夠的壓頭。并且，如同前面討論的那樣，風閥的目的是調(diào)節(jié)風量，要使其具有良好的調(diào)節(jié)特性，就需要使它的壓降占支管總壓降的較大比例。而這就必然增加風閥所消耗的能量，同時還增加了由于風閥兩側壓降形成的噪聲。此點再怎樣通過改變控制方式也難以徹底改善。按照風機代替風閥的思路，在末端裝置中用風機代替風閥，調(diào)節(jié)風機轉速以調(diào)整風量，就可以徹底解決這一問題。

圖15 采用風機的VAV末端裝置

圖15為這種方式的系統(tǒng)原理圖，其中為便于分析畫為雙風機系統(tǒng)，實際上，空氣處理可采用上例中的多風機方式。主送風機仍采用變速風機，但它僅承擔空氣處理室及一部分風道的壓降，其轉速可以根據(jù)主送風道內(nèi)接近第一個送風口處（點Q）的靜壓來控制，維持該點壓力為大氣壓，從該點至各房間的壓降由末端裝置內(nèi)的風機來承擔。某個房間送風口內(nèi)風機停止時，由于送風道內(nèi)為負壓，因此逆止閥自動關閉。風機開啟后，房間送風量隨風機轉速增加而增加，并以接近于線性的規(guī)律變化。由于消除了各VAV裝置中調(diào)節(jié)風閥的能耗，因此可以計算出各風機總能耗比原來的送風機降低10％以上。此種小功率變頻器和風機的價格與電動風閥基本相同，而系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能則大為改觀。

3、結論

本文通過暖通空調(diào)工程中的5個例子說明采用變速風機、水泵替代部分調(diào)節(jié)用風閥、水閥的方法及其優(yōu)點。從上述的簡單分析中可以看出，采用這一方式既可獲得較大的省能效果，又可以改善控制調(diào)節(jié)效果，增加的初投資也不會太大。因此應該是一種值得注意和考慮的新方式。

調(diào)節(jié)閥的作用是增加阻力，以消耗多余部分壓頭，實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的作用，調(diào)節(jié)閥所消耗的壓力占總的壓力損失比例愈大，調(diào)節(jié)性能愈好。這樣，要獲得調(diào)節(jié)性能與能耗成為一對不可兼顧的矛盾。采用變速風機或變速泵充當調(diào)節(jié)裝置，是通過減少向系統(tǒng)投入的能量來減少能量，這就有可能通過合理的系統(tǒng)結構設計來達到好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而不增加能耗，同時獲得節(jié)能和調(diào)節(jié)性能好的效果。

工程設計必須考慮富余量，以保證在實際情況發(fā)生各種變化時系統(tǒng)仍可達到要求的參數(shù)。在實際運行時，為了消除這些富余量，又要靠閥去調(diào)整，由此造成浪費。采用變速泵或變速風機設計時也留有富余量，但在運行時不是靠閥而是靠降低轉速來消除這些富余量。轉速降低后電耗減小，因而這些富余量并未消耗掉，避免了浪費。

常規(guī)方式下選擇風機或水泵時，揚程必須按照最不利支路選擇，由最遠支路或用戶要求資用壓頭最大的支路來確定。這一支路的流量可能僅為系統(tǒng)總流量的很小一部分。為了這一小部分流量選用大揚程，其它流量也只好通過泵或風機來達到同樣的揚程，再由閥門消耗，既造成調(diào)節(jié)的困難，又浪費能量。用變速風機或水泵代替調(diào)節(jié)閥，每個支路所要求的揚程由該支路的風機和水泵單獨解決，不是統(tǒng)一加大后再分別消耗掉，而是哪里需要多少哪里局部加多少。這樣自然就獲得了好的調(diào)節(jié)效果和節(jié)能效果。

泵和風機所耗能源在暖通空調(diào)消耗的能源中占很大部份，供暖運行能耗的15％～25％為水泵電耗（按價格計算），空調(diào)運行能耗35％～45％為風機水泵能耗。在這部分風機水泵能耗中，40％以上又被各種調(diào)節(jié)閥門所消耗，采用本文討論的方式，有可能將調(diào)節(jié)閥所消耗能量的很大一部分節(jié)省下來，因此這一方式有重要的節(jié)能意義。

采用這一方式，由于所要求的系統(tǒng)流動狀況、流量分配方式等都不變，因此風道、水管的設計可以不變，但系統(tǒng)的壓力分布有很大變化，在選擇這些局部支路的變速風機、變速泵時，要仔細計算，使其壓力一流量曲線與系統(tǒng)的要求相匹配。從而保證在不同的運行工況下，這些泵或風機的工作點僅在允許使用的范圍內(nèi)變化。

在用戶支路上增加了這么多的動力設備，是否會降低系統(tǒng)的可靠性，增加維修工作量？目前較容易找到高質(zhì)量的風機水泵，可以長期無故障運行。還有些分檔變速的水泵，通過改變繞阻來改變轉速，價格低，可靠性高。相反，目前電動風閥、水閥的可靠性低于風機、水泵，是暖通空調(diào)系統(tǒng)中故障率最高的設備之一。因此，將閥改為泵或風機后，可靠性應有所增加。在一些關鍵部位，還可加裝備用風機和備用泵，故障時可及時轉換。

4、參考文獻

1、江億.冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)的用戶回水回壓泵方案.區(qū)域供熱.1996,(2).

2、Thomas Hartman. Direct digital controls for HAVC. Chapter 1: The challenges and benefits of high performance systems. ISBN 0-07-026977-7.

3、Frank Mayhew. Two-thirds of the way down the duct-it is wrong!. ASHRAE Seminar 14, San Diego, 26 June, 1995.