高楼大厦的空调水暖回路

本文讨论的是有关水暖回路设计方面的情况。虽然对于各类建筑会面临能耗的共性问题,并且考虑到回路很长,所以通过采用创新方案,实现节能的潜在价值。

恰如将要介绍的那样,就节能议题而言,实际上近年来可以看到在摩天大楼的空调水暖回路设计中应用了不少彻底颠覆了某些传统基本观点的理念,譬如,冷冻机组的一次回路须保持稳定的流量,入口与出口间的温差不得超过5 K或应当控制供给温度。

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变量水暖系统

变量水暖系统利用二通阀调节末端群效率。此系统特别适合用于非同时性热负荷的场合,可以按照最大瞬时负荷而非最大负荷之和来确定冷冻机组、泵组和管道的规模。此外,在部分负荷运行场合很有效率,允许关停或调节不需要的机组和水泵。正因为这些原因,也因为所供产品,而且调节循环泵的变频器有着很好的效益成本比,所以,近年来变量水暖系统得到了不断的大力推广。

因为上述设计状况一年之中只发生几次且在设计阶段因采纳了预防性系数而致使系统常常超规模,所以,通过流量调节所获得的节能效果很可观。

根据换热器特征曲线的形状,热功率需求降低25%,相对应减少50%的供水流量(图1)。一个变流量系统可以将此流量减少至标称值的30%。这样就可以显著地降低水泵的电力消耗,因为水泵的耗电量与水泵转速的立方成正比。部分负荷运行时间越长,节能效果越佳。

通过限制泵头之间的压力差,调节转速,使之保持恒定(或线性减速),从而实现水泵排量的控制。

如图2所示,泵速“跨越”回路特征曲线,导致流量需求变动。

在距离水泵最远的位置,安装压力传感器是很恰当的做法,这样既能降低泵速,又能提供足够的水头,从而使平衡控制阀在各种负荷条件下都能很好地工作。

然而,应用变量水暖系统需要仔细评估节能与舒适状况可控制在适合范围内的相结合模式。实际上,流量变动有可能造成水力不稳定状况,从而出现对末端设备性能有负面影响的风险,进而给空调场所内部的温度控制带来不利的结果。

在水暖回路内,流量波动会同样造成消耗的波动,因而供给回路中出现压力损失,从而导致出现一系列不良效应,譬如,丧失对末端设备的动作控制及末端设备调节阀的自主调节能力,最终各个区域会有冷气不足或温度过高的风险。

为确保阀门具备必需的最低自主调节能力,了解回路静态平衡和动态平衡之间的差别是至关重要的。

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静态平衡

在实验室根据Kvs值对调节阀(二通阀或三通阀)进行了排列,而Kvs是指当在阀门上游施加1bar (或100 kPa)压力时,在1小时内流过该全开阀门的水流量(单位m3/h)。在保持所施加的压力恒定不变的同时,逐渐关闭阀门,测定相应的流量,于是得出了阀门的特征曲线(图3)。

为调节换热器效率,阀门的使用按照等百分比特征曲线,这正与换热器特征曲线相反。但是,只有在没有其它明显压力损失的理想回路场合,实验室测出的特征曲线才有效。为此,引入了阀权度这个术语,即阀门的压力损失与装有该阀门的变流量回路的压力损失之比。

在实验室内的理想回路场合,阀权度等于1,然而,在实际中,若该比率下降至0.5以下,阀门仍有足够的等百分比补偿换热器的压力损失(图4)。

对于二通阀来说,为确准规格,有必要了解回路的全部压力损失(此项对于设计师来说,极其复杂)。另外,对于具有相同特性的换热器来讲,则可能不同,因为这取决于离开水泵的距离和回路的几何形状。

以上所提导致了选择二通阀变得很复杂、很关键,类似于为恒流量回路选择三通阀。实际中,后者的选择只是根据换热器的特性(流量和压降),并不特别关注回路的其它要素。

正是这个道理,在变流量系统中推广应用校准阀。在这种方式下,实际上是基于换热器特性选择阀门的,并要求校准阀可以补偿水暖回路中的用户位置。但是,如图5所示,这种方案阻碍了最靠近工作泵的阀门具有适当的阀权度。

此外,有必要考虑如此设计的系统只能在100%的压力条件下得到校准。实际上,如果前三台阀门关闭,总管上压降下降(因总流量减小)便导致最终换热器的优先级提高,流量便超过要求值的两倍。于是就会带来无效的水循环(图6)。

这样的平衡定义为静态平衡,因为不能适应系统的动态变化。

应用流量调节阀会发生类似状况,因其采用了弹性结构,面对流动方向,努力保持回路流量恒定不变,故压力损失是变动的。这些弹性结构的功能就是通过变动压力损失来保持流量稳定的。因此,当只要求50%热功率时,调节阀应当只允许通过25-30%流量,同时增大回路压降(压力损失)。

在这种状况下,流量调节阀极力使回路流量保持不变,同时减少压力损失。继之而来的是这些调节阀完全丧失了自身的阀权度,尽管开启了,但是回路流量仍保持恒定不变,于是,电子调节器要求继续减小流量,直至阀门全闭。结果就是:在许多区域内整个水暖系统就像ON/OFF调整一般地来回摆动,最终水流量大于需要量。

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动态平衡

实际上能使变流量系统正确运行的唯一有效的方法就是实现动态平衡,而利用带压差校准功能的调节阀便可以实现之。

通过控制压差实现校准,是用得最多的方案,其目的是使加在各用户上的压差保持恒定。在先前所看到的变流量回路中,在相关回路中发生压差变动(相对于正常值)的同时,会始终伴随着流量的不平衡。

因为阀门的特征曲线与阀门的流量值和开度值有明确的联系,所以,很容易直觉地了解,在阀头上的Δp保持恒定的前提下,一定大小的开度始终明确对应着一定的流量以及换热器所体现的一定的热功率。这样的关系对于其它回路的开闭也保持不变,因而使得整个系统始终保持动态平衡,就是说,不仅对于最大流量,而且对于任何中间值都保持着这种关系。于是,基于此原理,开发出了动态平衡型控制球阀(PICCV,压力无关型控制球阀);该阀将CCV调节阀的特性等百分比地结合控制压差的自动阀的特性,在不作手动校准或调节的情况下,使阀头上的压差 Δp恒定保持在30kPa。

作为替代方案,可以采用基于综合流量测算的校准系统,此方法完全类似于在配备VAV控制器的变流量空气流体系统中采用的办法,即调节挡板开度角直至达到要求值并由流量计证实。基于相同的工作原理,开发出了电子压力无关型调节阀(EPIV)。这种阀门由一个等百分比调节的CCV阀门构成,由一个伺服调整电机作动。该电机读出了磁感应装置测得的流量,依靠PID调节环路,修正CCV阀的开度角,直至达到HVAC系统调整的需求值或要求值。

无遗漏、高精度的采用CCV阀能够节省10-15%的热功率,减少辅助装置10%的电力消耗。从实际角度看,不仅在部分负荷运行时,而且在系统启动时,采用PICCV阀或EPIV阀都能获得节能效果。

如前所述,传统的流量校准阀或流量控制阀仅在系统满载运行时起作用。若是部分负荷运行,当回路必须利用这类阀门精确调节需要的功率时,获得的流量总是不同于要求值,进而呈现出波动。相反,使用PICCV阀(或EPIV阀)能够使每条分支回路始终保持正确的流量。实际上,就好比回路的每一个部分都由一台阀权度为1的阀门在控制调节(图7)。

早启动非常重要,因为出于建筑物的热惯性,整个系统常常要求支配100%的热功率,尤其是在最关键的时段。在一个不平衡的系统场合,之所以需要提前启动系统,正是因为即使在最不利的气候环境下,也能达到要求的温度设定点。特别是在冬季,甚至会在入驻大楼两小时前就启动系统, 当然这种做法不常采用。系统满载运行一小时,若与减少负荷后运行10小时的情况相比,可使大楼节能10%~20%。

鉴于PICCV阀或EPIV阀内在的动态平衡特性,使用它们能减少50%的启动时间,并保证在任何气候环境下可以达到温度设定点。单单减少一半启动时间,就能节能10%,无论热能还是辅助装置所需的电能都获得了相应的节省。

一次回路/二次回路的功能简图

任何一个热力中心和许多冷冻机组最常采用的功能简图就是图8所示的一次回路/二次回路图,在每一组冷冻机中均配置了定量循环泵,其规格只需满足补偿热力中心中的蒸发器和管道的压力损失,而用户由顺序运行的多台泵或变速泵提供服务。热力中心旁路的规模始终根据冷冻机组的能力,而绝对与逆止阀或校准阀无关,其作用是从水力学上使冷能生产回路(一次回路)与用户回路(二次回路)隔离,从而使每一个机组恒流量地独立运行,而二次回路则直接面对负荷作变流量运行。按照冷冻机组循环流量比系统要求值大还是小,从而能够实施双向自由旁流。

人们将不同的逻辑应用于级联的各个冷冻机组。有一个方案就是在旁流管道中装入一个流量计和一个流量开关。

为了减小空调区域内的负荷,可关闭冷冻机组中的二通阀,因此冷冻机组一次回路中的循环流量超过了系统需求值,从而流入旁流管道,而对于全部三个冷冻机组来讲,回流温度是相同的,因为它们本身的内部调节特性从而实现了并行调节,并且降低了它们的效率。

当测得的旁流流量等于一个冷冻机组的设计值,机组及相关的泵便会顺次停止,从而进一步减小负荷。当冷冻负荷增大时,则二次回路的流量会大于一次回路,于是,旁流管道就反向流动并为流量开关所检出,这会向调节系统发出信号,说明有必要启动一台冷冻机及相关的泵。

假如二次回路内的循环依靠这些数量上与一次回路相同的并联水泵,则会根据冷冻机的运行数量,启动后停止水泵;相反,如果采用变速泵,则根据与回路末端的压差关系来控制泵的转速。

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变流量一次回路

流向冷冻机组蒸发器的流量保持恒定是好设计的基本原则之一。不过,确实有必要吗?让我们来验证一下几年前还无人对此抱有疑义的这种假设的理由。

第一个理由是蒸发器流量猛烈变动有损坏机组的危险。如果蒸发器流量突然减小,若是螺杆冷冻机或离心冷冻机,则恒温阀或叶片来不及改变位置,以适应新的负荷条件。所以,首先出现液体回流给冷冻机的风险,因为恒温阀允许通过的流量超过蒸发器的处理能力;其次,防霜温控器动作而立刻停止机组。该现象几年前还真实出现过,但是,如今有了电子膨胀阀,响应速度很快,能够面对负荷变动立即反应。至于离心式冷冻机组,配备微处理器的调节器的技术进步实现了对传统霜冻保护装置的调整。某些建筑不采用标准的温控开关,宁愿应用温度探头并对装在机组上的监控调整系统编程,以达到如不经过预定的时间段,便不会反应作动,从而使分配器有时间改变位置。

第二个理由是,若流量减小到某个数值以下,蒸发器的热交换就可能不稳定或者发生层流现象且效率下降。实际中,所有冷冻机组的蒸发器能在很宽的流量范围内正常工作,直至达到40%的效率。另外,可以按照变流量运行时的管内流速3m/s,为所考虑机组的蒸发器确定规格尺寸。即使此数值可能高一点,只需牢记空调系统中的最大制冷负荷出现在总运行时间的2-5%时段内。

因此,只要是按上述的条件设计,依仗技术进步有可能实现几年前不可能想象的事;除了吸收式机组之外,每一种冷冻机都能按变流量运行蒸发器。

于是,作为双回路双泵组传统方案的替代(一次回路定流量,二次回路变流量), 有可能考虑单单选择一次回路加变速泵,并通过冷冻机组的蒸发器调节流量(图9)。

在这些场合,每个机组中的水循环利用一台变量泵(或一个泵组)实现,而通过末端设备组合的流量则借助于二通阀控制。由一个传感器测定回路供给侧与吸入侧之间的压力差,同时控制泵速,以保持与设定值之间的差别。

因减少了需要的水泵数量以及随之节省了成本和占据空间,故针对考虑一次回路/二次回路的系统正在推广普及变流量循环方式。不过,采用此系统的方案没有考虑到其他条件。

首先,设备系统只能在冷冻负荷大于冷冻机稳定工作时的最小限值的情况下运行。为了确保制冷功率较高的冷冻机所必需的最小水流量,利用一根旁流管道,内中装入一个阀门(只用流量计控制),以求保证始终有必需的最小水流量流入运行中的冷冻机。

其次,流过蒸发器的水流量不得导致蒸发温度降低至机组制造商预定的极限值之下。因此,设备系统的直接数控装置(DDC)应将流量变动的速度控制在冷冻机制造商指定的范围内。

最后,根据环境负荷的性质,应当接受在减小负荷的同时所产出的冷冻水的温度有所提高的现象。因不可能基于回流温度调节冷冻机(鉴于流量尚不恒定),故不可能维持恒定的供给温度。因此,该方案不适用于在各种负荷条件下都必须提供低温冷冻水的场合(譬如,潜热负荷很强的场合),或者只让一两个用户维持连续运行,而令所有其他用户停止运行(典型例子就是银行的数据处理中心并非由专用设施提供服务的)。

因为只利用变流量一次回路的循环本质上比采用一次/二次回路的传统循环复杂,所以,在任何场合采用这种方案都应予以适当指导,以便使管理人员适应这种运行模式。

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