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异冲程空调水体系的预设及运用技术解析4要点
编辑:大冶平安家电维修部   更新日期:2015-03-03
1异程水系统的设计
1所示的空调水系统,如果是按同程水系统设计,设计人员将简单地按预定流速根据流量选择水管管径,而很少有人计算同程空调水系统的水力平衡,更鲜有人根据水力平衡去调整水管管径。空调系统的①-⑩水平支管路与⑤-⑥水平支管路的空调负荷相同的话,作为同程水系统设计时,一般选用相同的管径。
但是当按异程水系统设计时,理应按水力平衡去设计调整水管管径。因此,即便空调系统的①-⑩水平支管路与⑤-⑥水平支管路的空调负荷相同,作为异程水系统设计时,①-⑩水平支管路的管径理应不同于⑤-⑥水平支管路的管径。但是实际上,很少有人如此设计异程空调水系统。推测其原因,大概有以下几个考虑。一是考虑负荷的动态变化;二是寄希望于管路水力平衡调试;三是不想打破行规,特别是考虑到一些自控人员选择调节阀时参照管径;四是从噪声考虑不希望提高管内流速;等等。
于是,即使是异程空调水系统,相当多的设计人员依然按同程水系统的设计方法来设计管径,同时,在水平支管路上加上了自力式平衡阀。国外的许多工程实践证明,只要水力平衡调试好,不使用自力式平衡阀也能够维持异程空调水系统的正常工作。为了便于水力平衡调试,国外在各水平支管路的进出口处都安装了压力表。
对于空调水系统(无论同程异程),如果水平支管的阻力远远大于垂直干管的阻力,可以将1的空调系统视作为2的线性网络系统。2的虚线表示仅为流路连接,没有管道。对于线性空调系统,只要各支路的负荷与总负荷的比不变,总流量的变化将与各支管路的空调负荷(即流量)变化成比例,无需对各支管路进行阻力补偿,也就是说无需设置自力调节阀。同程水系统就是因为被近似视为线性空调系统,因而在设计中被认为没有必要在各支管路设置自力调节阀。
因此,的原理指出了设计方向,要想免去在各水平支管路设置自力调节阀的话,对于异程空调水系统应该尽量减少立管干管的阻力。
对于异程空调水系统,当流量发生变化时,发生在立管干管上的压降比变化(ΔP-ΔPmax)要比在水平支管上的变化来得大。也就是说,对于的异程空调水系统,在设计状态下(Gi-Gi,max=1)最不利环路为⑤-⑥水平支管路。当各水平支管路的负荷按同一比例变化(即Gi-Gi,max=Gi+1-Gi+1,max)时,在部分负荷状态下,最不利环路有可能为①-⑩水平支管路。这一点是异程空调水系统不同于同程空调水系统的重要特征。
可以看到,当负荷为设计负荷的10%时,最不利环路为⑤-⑥水平支管路,而不是①-⑩水平支管路。
可见,异程空调水系统与同程水系统一样,最不利环路不是固定的。因此,即便是异程空调水系统,采用定末端差压控制的节能效果也不及最小阻力控制(根据自控调节阀开度设定差压值的变压差控制)。
以上讨论的自控调节阀是指电动比例调节阀(铝合金风量调节阀)。如果异程空调水系统的某一路水平支管路里有开关控制的自控阀时,应该在该水平支管路安装自力式平衡阀。由于电动比例调节阀适用于与自力式差压平衡阀配套,电动-电磁开关阀适用于与自力式平衡调节阀配套,因此,使用电动比例式调节阀的组合式空调机(AHU)和使用电动-电磁开关阀的风机盘管单元(FCU),不易组合在同一水平支管内。

2异程水系统的调试
以上计算说明,按设计状态(Gi-Gi,max=1)处于水力平衡的条件调节各水平支管的阻力的话,将使得最捷径的水平支管路(如的①-⑩)在部分负荷时阻力变化过大,这将不利于自控调节阀的工作,从而促使人们使用自力式平衡阀。当不使用自力式平衡阀时,若按年频率最高的流量调试异程空调水系统,将有效地减少部分负荷时各水平支管路的管路阻力波动。只是无论是国外还是国内,在实际工程设计中作全年负荷分析的例子极为罕见。因此,实际调试时建议取设计负荷的2-3作为水力平衡调试时的调试负荷。
对于1的异程水系统,选⑤-⑥水平支管路进出口为末端,当采用定末端差压控制时,末端压差为:ΔP5-6=常数加在空调机AHU5-6两端的压差P5-6为系统中的最小压差。并且以下关系成立:
ΔP5-6<ΔP4-7<ΔP3-8<ΔP2-9<ΔP1-10<H式中:ΔP5-6,ΔP4-7,ΔP3-8,ΔP2-9,ΔP1-10分别为各水平支
管路的压降,H为水泵扬程。
假定每台空调机(AHU)的负荷相同,则每条水平管的所需水量相同。假定相同的水量选用相同的管径,则各水平管的管径相同,其管路沿程阻力RL也相同。由压差-流量计算公式,各水平支管的阻力损失为:ΔP=(RL+ζ)×G2=RL×G2+ζ×G2若自控调节阀开度全部相同,则自控调节阀的阻力系数ζ1-10=ζ2-9=ζ3-8=ζ4-7=ζ5-6。因此ΔPi=(RLi+ζi)×Gi2=RLi×Gi2+ζi×Gi2=ΔP5-6
由式可以明白,对于任一水平管都不存在差压不足的问题。相反,因为式可知,加在水平支管AHU1-10~AHU4-7上的多余压差都必须由自控调节阀的局部阻力来消耗掉。不然的话,水平支管AHU1-10~AHU4-7的流量就会大于水平管AHU5-6的流量。
自控调节阀的控制作用是根据负荷调节水量,所以只要负荷不超过设计值,水平支管的流量将被自控调节阀控制在所需流量。但是,加在AHU1-10~AHU4-7的自控调节阀上的压差过大时,会使其调节阀过于灵敏(或说调节阀的动程减小)。因此,不使用自力式平衡阀也绝不会在任一支水管出现流量不足或过大的问题。
ΔPi=(RLi+ζr+ζa)×Gi2=RLi×Gi2+ζr×Gi2+ζa×Gi2=ΔP5-6为了扩大AHU1-10~AHU4-7的自控调节阀的动程,对于异程空调水系统,必须通过调节各水平支管路进出口处的手动截止阀的开度来减少加在调节阀上的压差(ζa×Gi2)。安装自力式平衡阀的话,加在水平支管AHU1-10~AHU4-7上的多余压差将被自力式平衡阀分担掉一部分。因此,在这里自力式平衡阀的作用与手动截止阀是基本相同的,手动截止阀只不过不能维持定压差而已。
同样原理,即使在各水平支管路进出口处安装了自力式平衡阀,也必须进行各水平支管路进出口处的手动截止阀的水力平衡调节,以减少自力式平衡阀的波动范围。
根据以上假定条件,的异程空调水系统在设计(调试)流量下,将满足以下联立代数方程式:因此,通过调节各水平支管路的手动截止阀,使各水平支管出口处压力表的读数分别满足(12)式,即可完成异程空调水系统的水力平衡调节。

3自力式平衡阀在变流量系统中,能否使用自力式平衡阀曾经成为人们关注的热门话题。有人担心,当系统需求小流量工况时,自控调节阀将关小开度,因此造成该管路的压力或流量发生变化,而此时若自力式平衡阀为维持原设定压差或流量,将其阀门开大,则会影响自控调节阀的工作。在空调自控中使用的自控调节阀多为电动调节阀,全程动作时间很长,短的30秒长的长达180秒。而自力式平衡阀为机械动作阀,动作反应很快,几乎可以说是瞬间完成的。由于两者的动作频率相差太大,不协调现象是很少发生的。
自力式平衡阀都有其正常工作的许可压差变化范围。超出其许可变化范围时,自力式平衡阀就不能很好发挥应有的功能,甚至不能工作。本文的计算例中,当流量变化到设计流量的10%时,相应水平支管路的阻力损失降到设计条件的1%((4)式)。自力式平衡阀的许可压差变化范围有没有这么大。特别是采用循环水泵变转速控制的空调水系统,系统压差随总流量减小而变小,有可能导致自力式平衡阀前后压差小于其弹簧的工作压差,自力式平衡阀根本派不上用场。
自力式平衡阀的机械(弹簧和气囊)压力补偿机构能够补偿水系统的管路压力变化的话,也会因水系统的压力变化产生弹簧和气囊的振荡,反过来影响水管路系统的压力。因为弹簧系统和气囊系统的振荡现象是众所周知的,各自力式平衡阀的自振频率又非常接近,因此不能排除一旦水系统的压力发生变化,水系统各水平管路中的自力式调节阀相互影响产生共振,反而造成水系统的压力振荡的可能性。在水系统中的多个自力式平衡阀,就犹如设置在水系统中多个气囊弹簧装置一样,在采用循环水泵变转速控制的变流量空调水系统中,是否能够维持水压安定,还是值得注意的。
尽管如此,自力式平衡阀作为一种空调水系统中的新设备,依然是值得谨慎使用的。
自力式平衡阀分两大类:自力式差压平衡阀(3)和自力式流量平衡阀(4)。
自力式差压平衡阀的作用是维持施加在被控管段上的差压恒定,多用于与电动比例调节阀配合。自力式流量平衡阀的作用是在阀的进出口压差变化的情况下,维持通过阀门的流量恒定,从而维持被控管路的流量恒定,多用于与电动-电磁开关阀配合。
5显示了自力式差压平衡阀在空调水系统中的工作原理。
根据流体力学的阻力计算公式,流量G与压差ΔP的关系为:
ΔP=ζG2
因此,对于自控电动调节阀和自力式差压平衡阀则分别有:
ΔP1=P1-P2=ζaG2ΔP2=P2-P3=ζrG2自控电动调节阀的阀位不变,即ζa不变时,要想保持流量G不变的话,P1增高Δ时,P2也必须随之增高Δ,才能保持ΔP1不变。
ΔP1=(P1+Δ)-(P2+Δ)=P1-P2=ζaG2但是,自力式差压平衡阀的气囊是靠ΔP1来动作的,ΔP1不变的话,气囊隔膜两侧的差压不变,气囊隔膜也不会变形,自力式差压平衡阀的阀位不会变化,即ζr不会变。因此则发生:ΔP2'=(P2+Δ)-P3ΔP2'>ΔP2由此,自力式差压平衡阀维持压差时流量不变的说法无法得到理论证明。
可能的情况是:P1增高Δ的话,P2增高kΔ(k<1),P1-P2的变化造成流量G微增,ΔP1的变化造成气囊的隔膜变形,使得ζr增大,从而使得:ΔP2'=(P2+kΔ)-P3=ζr'G'2ΔP2'>ΔP2,ζr'>ζr,G'>G因此,可以认为自力式差压平衡阀就像一个比例控制系统一样,靠偏差来补偿压力波动,因而静差(off-set)的存在是不可避免的。如所示。也就是说,流量是受入口压力的变化而变化的,只是在自力式差压平衡阀的工作范围内,自控调节阀前后压力的变化被减小了而已。
4结论
随着生活水平的提高,空气源热泵因为有供热和供冷的双重功能,受到人们的欢迎,在中国的使用也越来越广泛。通过本文的分析,可以得知在西安地区使用空气源热泵系统具有相对较低的年度成本,并且在目前的价格水平下其运行成本要低于文中其他两种冷热源系统,这说明从经济角度来看空气源热泵系统有比较大的优势。在选择空调冷热源的时候,如何平衡经济与环保是一个值得考虑的问题。从使用者角度来看,经济与便利是第一位要考虑的,而电力是一种获取和使用都很方便的能源,使用的经济性也要优于天然气,因此在选择冷热源系统时空气源热泵就会被优先考虑。而从政策制定者角度来看,不应当一味盲目的推行天然气等清洁能源的利用,应当注意宏观上的引导作用,鉴于中国目前的能源利用现状,当制定相关发展规划及政策时,首先应当不断提高发电在煤的利用中所占的比重,减少能源的低效率、高污染利用,其次利用经济调控手段引导能源利用方式向高效率、低污染的清洁方式转变,例如对污染较高的能源利用方式(燃煤)收取污染税,或减少电能与天然气之间的价差等手段。
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