暖通空調中系統(tǒng)中的定壓差技術

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一、為什么在變流量系統(tǒng)中必須使用定壓差技術

暖通空調系統(tǒng)的目的是保持目標區(qū)域適宜的溫度。由于空調系統(tǒng)末端設備的負荷是隨著季節(jié)以及晝夜轉換的變化而變化的，因此各末端空調設備的流量也要求隨之變化。

為保證空調系統(tǒng)的舒適節(jié)能性，即保證空調系統(tǒng)目標區(qū)域的適宜溫度（過高或過低都會導致不舒適及不節(jié)能），最根本的途徑就是選擇最佳的方法來根據(jù)目標區(qū)域的溫度來調節(jié)流量，同時避免在調節(jié)過程中的相互干擾。

1、流量調節(jié)的主要方式

圖1為變流量系統(tǒng)常用的調節(jié)方式，根據(jù)目標區(qū)域的設定溫度與實際溫度的比較、通過電動閥來調節(jié)流過末端設備的水流量。

電動閥調節(jié)水流量的方式有二種：

（1）脈沖式調節(jié)

采用開關型電動閥，通過控制開關時間比來調節(jié)流經(jīng)末端設備的平均流量，如圖2所示的風機盤管系統(tǒng)房間溫度調節(jié)即為脈沖式調節(jié)，其平均流量為：Q平均= Q設計（t1+t2+t3+t4+t5）/t0；這種調節(jié)方法適用于小流量，調節(jié)精度較低的末端設備；

（2）連續(xù)調節(jié)

采用調節(jié)型電動閥，通過對流量的連續(xù)調節(jié)來滿足末端設備負荷變化的要求。如圖3所示的空調箱系統(tǒng)溫度調節(jié)即為連續(xù)調節(jié)，其平均流量為：Q平均=∫t1t2Q(x)dx/(t2-t1)。這種調節(jié)方式適用于調節(jié)精度要求較高的系統(tǒng)。

2、避免流量調節(jié)相互干擾的方式

實際上，變流量系統(tǒng)末端設備流量調節(jié)的相互干擾是不可避免的，我們所能做的是消弱和屏蔽這種干擾，在空調系統(tǒng)中，常用的消弱和屏蔽干擾的方式主要有以下二種：

（1）PID參數(shù)方式

PID是樓宇自控DDC及工控儀表調節(jié)計等控制儀表調節(jié)流量的主要計算方法（P-比例常數(shù)、I-積分時間常數(shù)、D-微分時間常數(shù)）。對于用調節(jié)閥來調節(jié)流量的空調系統(tǒng)來說，PID參數(shù)是由調節(jié)閥所在空調系統(tǒng)的整體狀態(tài)決定的，不同的空調系統(tǒng)PID參數(shù)的取值不一樣。由于調節(jié)閥可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求設定不同的積分時間常數(shù)I和微分時間常數(shù)D從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的超調和預調，在消弱系統(tǒng)的惰性和慣性的影響從而提高調節(jié)精度的同時，當發(fā)生流量調節(jié)的相互干擾引起目標區(qū)域溫度偏離時，也能實時地對系統(tǒng)進行調節(jié)以消弱這種相互干擾。

PID方式的流量干擾糾正過程如下（如圖1）：流量調節(jié)干擾—末端設備流量變化—制冷（加熱）量變化—目標區(qū)域溫度T偏離—目標區(qū)域溫度T與設定溫度比較—溫控器輸出信號變化—電動閥開度變化—流量干擾糾正，因此這種糾正是滯后式糾正。由于空調系統(tǒng)（特別是風系統(tǒng)）的熱惰性非常大，調節(jié)過程的滯后時間較長，還沒等到電動閥改變開度來消弱原來的流量干擾，新的流量干擾又已產(chǎn)生。因此，通過這種方式來消弱流量干擾的效果是有限的，特別是對于一些帶多個電動調節(jié)閥的大型空調系統(tǒng)，這種流量調節(jié)的相互干擾造成系統(tǒng)很難達到平衡狀態(tài)，即使達到平衡狀態(tài)，也很容易由于受到干擾而失去平衡。

（2）定壓差技術

如何采取更好的方法來避免流量調節(jié)的相互干擾呢？

根據(jù)流體力學的基本公式

Q=Kv ×（△P）0.5 （Q：電動閥流量； Kv：電動閥流量系數(shù)； △P：電動閥前后壓差）

如圖1所示，當電動閥接受溫度控制信號改變開度時，公式中的Kv值發(fā)生變化，調節(jié)流量Q以滿足目標區(qū)域溫度控制的要求。那么如何避免流量調節(jié)的相互干擾呢？

很顯然，只要保證公式中的△P值不變（即圖1A、C二點間的壓差不變）就可以了，這樣電動閥的流量Q只受目標區(qū)域溫度控制信號的影響，而不受別的因素，如由于其它末端設備流量調節(jié)而引起的系統(tǒng)壓力波動（即圖1A、B二點間的壓力波動）的影響。

保證△P值不變的技術就是定壓差技術。實際上，定壓差技術是暖通空調變流量系統(tǒng)動態(tài)水力平衡的主要調節(jié)方式。實現(xiàn)了定壓差技術，系統(tǒng)就實現(xiàn)了動態(tài)平衡，就不存在末端設備流量調節(jié)的相互干擾。

由于這種屏蔽干擾的實現(xiàn)過程是：流量調節(jié)干擾—系統(tǒng)壓力波動—定壓差技術—流量干擾糾正。因此這種干擾實際上還沒有影響到電動閥就在管道中被屏蔽掉了，因此通過這種方式來消除流量調節(jié)之間的相互干擾很迅速，效果較好。

綜上所述，在變流量系統(tǒng)中，選擇合理的流量調節(jié)方式，同時采用定壓差技術，可以避免系統(tǒng)不同部位流量調節(jié)的相互干擾，從而實現(xiàn)動態(tài)水力平衡。

實際上，在工程實踐中，除了圖1的定壓方式外，還有壓差旁通定壓方式、調頻泵定壓方式以及對多臺末端設備集中定壓等，會在以后的篇幅中分別論述。

二、變流量系統(tǒng)中定壓差技術的應用

對于一個實際的變流量系統(tǒng)，定壓差技術的應用原則是：分系統(tǒng)定壓、分級定壓。

1、分系統(tǒng)定壓

分系統(tǒng)定壓是指對于一個含有多個系統(tǒng)的大型變流量水力系統(tǒng)，在設計時為避免各水力分系統(tǒng)的相互影響，應分別采用定壓差技術，對每個分系統(tǒng)進行定壓，從而保證各個分系統(tǒng)各自獨立的互不干擾的工作。

如圖4所示，為帶有二個獨立分系統(tǒng)的變流量系統(tǒng)，在每個分系統(tǒng)分集水器處分別應用了定壓差技術，從而保證這二個分系統(tǒng)各自獨立互不干擾的工作。

2、分級定壓

對于獨立的變流量水力系統(tǒng)，應根據(jù)系統(tǒng)投資和精度要求合理的選擇定壓方案。通常應該按照從主機到末端的步驟逐級對系統(tǒng)進行定壓，對于精度要求較高的系統(tǒng)，可以采用二級甚至多級定壓的方式以保證系統(tǒng)各末端設備各自獨立互不干擾的工作。

圖5為變流量空調系統(tǒng)常用的定壓調節(jié)方式。

該系統(tǒng)采用二級定壓：

①在機房主管路分、集水器處通過壓差旁通系統(tǒng)一級定壓，主管道通過調頻泵調節(jié)主供回水的流量；

②末端風機盤管處采用在每層水平分支管道回水管上安裝壓差調節(jié)閥來二級定壓，通過各風機盤管支路上的電動二通閥開關式調節(jié)風機盤管的流量；

③末端空調箱（空氣處理機組等）在進口采用壓差調節(jié)閥二級定壓，采用電動調節(jié)閥調節(jié)進入設備的流量。

以上僅為變流量水系統(tǒng)三個主要位置常用的定壓調節(jié)方式，下面就這幾個位置各種定壓調節(jié)方式進行分析。

3、分集水器一級定壓調節(jié)的幾種形式：

（1）調頻泵定壓調節(jié)方式

圖6為調頻泵定壓調節(jié)方式，通過調頻器調節(jié)調頻泵的轉速以調節(jié)進入分集水器的流量從而保證分、集水器壓差為設定壓差，從而保證變流量系統(tǒng)的流量隨外界環(huán)境負荷的變化而變化的要求。

調頻泵定壓調節(jié)方式由于調節(jié)了水泵轉速，減少了系統(tǒng)運行過程中水泵的能量消耗，這種配置較其它的方式比較節(jié)省系統(tǒng)的運行費用，同時比較節(jié)能，但是由于它使用的調頻器，對電網(wǎng)的沖擊較大，造成一定的電磁污染，因此需要采用一定的電路隔離設備，因此初投資比較高。

（2）壓差旁通定壓調節(jié)方式

圖7為壓差旁通定壓調節(jié)方式，通過主管道旁通的電動調節(jié)閥調節(jié)旁通水量從而調節(jié)進入分集水器的流量，保證分、集水器的壓差為設定壓差，

從而保證變流量系統(tǒng)的流量隨外界環(huán)境負荷的變化而變化的要求。

壓差旁通定壓調節(jié)方式由于在系統(tǒng)運行過程中水泵的轉速并沒有降低，功率變化不大，因此在運行過程中水泵的功率消耗較大，運行費用較高，但是它也具有初投資較低且對外部環(huán)境沒有污染的特點。

（3）自力式調節(jié)閥定壓調節(jié)方式

圖8為自力式調節(jié)閥定壓調節(jié)方式，通過調節(jié)自力式調節(jié)閥的開度調節(jié)分集水器旁通管的旁通水流量，從而保證分集水器的壓差為設定壓差。

自力式定壓調節(jié)方式和壓差旁通定壓調節(jié)方式一樣，在運行過程中水泵的功率消耗較大，運行費用較高，同時定壓精度也較差，但是它也具有初投資最低且對外部環(huán)境沒有污染的特點。

4、風機盤管二級定壓調節(jié)的幾種形式

（1）圖9為風機盤管的一種定壓調節(jié)方式，電動二通閥安裝在風機盤管進水管，壓差調節(jié)閥安裝在風機盤管出水管，通過毛細管連接電動二通閥進出口，保持電動二通閥進出口壓差恒定，通過電動二通閥的脈沖式流量來調節(jié)房間溫度達到設定溫度。

這種方式的定壓調節(jié)精度較高，但設備初投資非常高，且安裝麻煩，對于單個房間的舒適性空調系統(tǒng)，一般很少采用。目前對于精度要求較高的系統(tǒng)，一般采用初投資略低且安裝調試非常簡單的動態(tài)平衡電動二通閥，其調節(jié)效果是完全一樣的。

（2）圖10為風機盤管的另一種定壓調節(jié)方式，電動二通閥安裝在風機盤管進水管，壓差調節(jié)閥安裝在風機盤管出水管，通過毛細管連接電動二通閥進口和風機盤管出口，保持這兩點的壓差恒定，通過電動二通閥的脈沖式流量來調節(jié)房間溫度達到設定溫度。

這種方式和圖9的方式一樣精度較高，但設備初投資非常高，且安裝麻煩，對于單個房間的舒適性空調系統(tǒng)，一般很少采用。目前對于精度要求較高的系統(tǒng)，一般采用初投資略低且安裝調試非常簡單的動態(tài)平衡電動二通閥，其調節(jié)效果是完全一樣的。

（3）圖11是一種兼顧精度和經(jīng)濟性的定壓調節(jié)方式，電動二通閥安裝在每個風機盤管的供水管，壓差調節(jié)閥安裝在風機盤管各層水平回水支管上，其另一個取壓點接在水平供水管上，通過壓差調節(jié)閥的定壓差作用以保證風機盤管水平供回水管的壓差不變，即A、B二點的壓差不變。

這種方式能夠屏蔽層與層之間風機盤管系統(tǒng)流量調節(jié)的相互干擾。對于同層之間的風機盤管，如果是同程式管道或者風機盤管的數(shù)量不多，屏蔽同層之間風機盤管流量調節(jié)的相互影響的效果也較好；如果是異程式系統(tǒng)并且風機盤管的數(shù)量較多，由于水平管道延程阻力的影響，則離壓差調節(jié)閥較近的風機盤管流量調節(jié)的相互干擾就較小，離壓差調節(jié)閥較遠的風機盤管流量調節(jié)的相互干擾就較大，精度稍差。

    （4）圖12為水平管道異程式且風機盤管數(shù)量較多的一種定壓調節(jié)方式。水平管道回水管上安裝壓差調節(jié)閥，以保證水平供回水管的壓差恒定；在每個風機盤管供水管上安裝動態(tài)平衡電動二通閥，以保證在工作壓差范圍內，不論系統(tǒng)壓力如何變化，風機盤管的流量始終維持在設計流量。這樣就避免了層與層之間以及同層之間風機盤管流量調節(jié)的相互干擾。這種系統(tǒng)的調節(jié)精度高，抗干擾能力強，缺點是初投資較高。

5、空調箱（空氣處理機組）二級定壓調節(jié)的幾種形式

（1）圖13是空調箱（空氣處理機組）的一種定壓調節(jié)方式，壓差調節(jié)閥及電動調節(jié)閥安裝在空調箱（空氣處理機組）的供水管，壓差調節(jié)閥的取壓點位于電動調節(jié)閥的進出口，通過壓差調節(jié)閥的定壓差作用保持電動調節(jié)閥進出口壓差恒定在設定壓差。如前所述，這時電動調節(jié)閥的流量只受由于末端設備負荷變化而導致的溫度控制信號變化的影響，而不受由于其它空調箱流量調節(jié)而導致系統(tǒng)壓力波動的影響，系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)平衡，同時由于定壓差作用，使電動調節(jié)閥的實際調節(jié)特性曲線與其理想調節(jié)特性曲線一致，系統(tǒng)調節(jié)性能非常好。

但是由于這種方式使用二個閥門，因此在同等情況下設備初投資很高，而且安裝調試比較麻煩。

（2）圖14是空調箱（空氣處理機組）的另一種定壓調節(jié)方式，壓差調節(jié)閥及電動調節(jié)閥安裝在空調箱（空氣處理機組）的供水管，壓差調節(jié)閥的取壓點位于電動調節(jié)閥的進口和空調箱的出口，通過壓差調節(jié)閥的定壓差作用保持這兩點壓差恒定。同圖13一樣，它能保證空調箱的流量調節(jié)不相互干擾，即實現(xiàn)動態(tài)平衡；但是由于空調箱的分壓作用使調節(jié)閥的閥權度小于1，因此它的實際流量特性曲線偏離理想流量特性曲線，調節(jié)特性變差。所以一般不采用此方案。

（3）圖15是空調箱（空氣處理機組）的一種新型定壓調節(jié)方式，它在空調箱供水管用一種具有動態(tài)平衡功能和電動調節(jié)功能一體的動態(tài)平衡電動調節(jié)閥來代替壓差調節(jié)閥和電動調節(jié)閥組合，同時由于它經(jīng)過專門的設計，因此具有更好的性能。這種閥一方面能避免各并聯(lián)空調箱流量調節(jié)的相互干擾，同時其實際的流量調節(jié)特性與理想的流量調節(jié)特性一致，調節(jié)性能非常好。

同時由于這種閥所有功能集中在一個閥體內，因此在同等性能下設備初投資較低，且安裝調試比較簡單，因此相比較于圖13，具有一定的優(yōu)勢。

三、結語

綜上所述，暖通空調變流量系統(tǒng)定壓差技術的運用為暖通空調水系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)水力平衡，更舒適、經(jīng)濟、節(jié)能的運行提供了一種有效的途徑。但是在實際的工程實踐中，應根據(jù)投資和系統(tǒng)精度要求合理的選擇定壓差方案，既要滿足工程設計和技術規(guī)范要求，又應采用合理的方案，為甲方節(jié)約資金。