0 引言
在全球节能减排的环境下，有效降低集中空调系统的能耗将为全社会的节能减排做出一定的贡献。然而，空调系统的节能应在满足负荷要求的情况下进行，并在此基础上努力实现系统管网的综合水力平衡和设备的高效运行，以确保系统运行的经济性。为此，本文重点分析了水系统对系统性能的影响。
1 集中空调系统水力失衡的原因及解决方案
如果集中空调系统失去水力平衡，部分地区的冷或热不能满足设计要求，导致部分地区过冷或过热，甚至导致制冷机、热交换器等设备故障。对于某些地区的水流不能达到设计流量的问题，通常采用增加泵功率的解决方案，使最不利的环达到设计流量，但最有利的环流量远远超过设计流量，泵能耗大大增加，不利于集中空调系统的低能耗运行。为了实现空调水系统的水力平衡，常用的措施有：在供水和回水主管上设置旁路平衡管道；区域管道采用同一水力系统，增加主管直径，减少支管直径；采用静态平衡阀等。这些解决方案没有抓住水力失衡的关键，而是通过增加能耗来满足终端的要求，掩盖了水力失衡的存在。例如，终端流量不足不一定是泵流量和扬程不足，可能不合理匹配，不仅增加了主机输出温差，而且不仅增加了主机输出温差，而且增加了运行成本不仅增加了主机的初始投资，而且使主机在低效工作条件下工作，增加了主机的运行成本，而且导致夏季末端供气温度过低，供气管道容易冷凝，如果没有良好的气流组织保证，很容易导致空调疾病等。同一管道和静态平衡阀是适应固定流量系统的相对简单的平衡方法。随着变流水系统的广泛应用，同一系统暴露出不稳定的缺点，即突出的动态失衡，静态平衡阀不仅不能消除变流系统压力干扰和控制阀失衡，对于各电路阻力本身可调变流系统，还增加了局部阻力，会相应增加泵的扬程，不利于降低系统能耗。
随着水力平衡技术的不断改进，电动可调动态流量平衡阀的应用逐渐增加，以实现系统的变流运行，保持系统的动态平衡。与传统的平衡控制方法相比，由于变换系统复杂，控制精度、响应速度和稳定性受到影响，执行机构一直处于调整状态。电动可调动态流量平衡阀，采用单参数简单函数控制逻辑，省略压差测量环节和测试设备，只要根据流量指令选择开度可以实现精确控制，因此控制系统非常简单，响应快，控制精度高，稳定性好，控制原理如图1所示：通过接收上位机反馈电信号值，调整设置流量，满足终端用户变载的要求。
图1 电动可调动态流量平衡阀的流量-压差-开度关系
2 电动可调动态流量平衡阀和终端电动调节定压差阀对管网系统和水泵运行点的影响及流量变化前后的能耗分析
2.1 控制系统的电动可调动态流量平衡阀
电动可调动态流量平衡阀的控制原理如图2所示Ⅰ，Ⅱ分别是支路阻力特性曲线，Ⅲ如管网总阻力特性曲线所示，Ⅳ是支路外管道的阻力特性曲线。当系统最有利的环路达到设计流量时Q1时，最不利环路流量为Q2.系统总流量Q4＝Q1＋Q2.此时，最有利于环路的动态流量平衡阀刚刚达到其工作的起始压差点，支路的阻抗值随着系统总流量的增加而增加。然而，最不利于支路的动态流量平衡阀的流量面积是流量设计Q3对应开度下的最大值，阻抗值S保持恒定，随着流量的增加，压差增加到最不利的支路流量达到设计流量Q3.此时，系统总设计流量Q5＝Q1＋Q3.理想的平衡状态是最不利支路的动态流量平衡阀正好在其工作压差的起点，而最有利支路的动态流量平衡阀正常工作。A，D之间的压差ΔP是两个支路的阻力差，动态流量平衡阀依靠阀体流量面积平衡的自动变化来维持管网系统的平衡。
图2 电动可调式动态流量平衡阀控制原理
2.2 对两个系统流量变化后能耗大小的比较分析
电动可调动态流量平衡阀控制系统中的末端支路压差Δp1.终端用户恒压差控制系统Δp2(当流量发生变化时，电动可调动态流量平衡阀控制系统中的末端支路压差变为Δp在终端用户恒压差控制系统中，终端控制压差恒定Δp2)系统在运行过程中最不利环路阻力的变化与系统能耗密切相关。
1）当Δp1＜Δp2时，无论流量如何变化，当两个系统各端用户负荷变化相同时，Δp1始终小于Δp2.系统运行点如图3所示，L1，L2，L3，L4是不同频率下水泵的特性曲线，R1，R三是电动可调动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2是终端恒压差系统的控制曲线。电动可调动态流量平衡阀控制系统管网阻力小，能耗低。
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图3
控制压差小于终端恒压差系统时的系统运行点
2）当Δp1＝Δp2时，当两个系统的终端用户负荷变化相同时，流量变化后各系统的能耗为：
①电动可调动态流量平衡阀控制系统中最不利支路的压差Δp当系统运行工况点保持不变时，如图4a所示，L1，L3，L5，L6分别为不同频率下水泵的特性曲线，R4，R5是电动可调动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2是终端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出，两个控制系统的管网阻力压差和流量相同，因此两个系统的能耗相同。
②电动可调动态流量平衡阀控制系统中最不利支路的压差Δp如图4所示，1变小时b所示，L1，L三是水泵在不同频率下的特性曲线，R6，R7是电动可调动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2是终端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出，电动可调动态流量平衡阀控制系统的管网阻力压差较小，因此电动可调动态流量平衡阀控制系统的能耗较低。
图4 电动可调式动态流量平衡阀控制系统末端支路压差
当终端恒压差系统控制压差时，系统运行点等于
3）当Δp1＞Δp2时，当两个系统的用户负荷变化相同时，流量变化后各系统的能耗为：
①流量变化后，电动可调动态流量平衡阀控制系统中最不利支路的压差Δp保持不变，或者Δp但还是比较Δp2大时，系统运行点如图5所示a所示，L1，L3，L7，L8是不同频率下水泵的特性曲线，R8，R9是电动可调动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2是终端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出，终端恒压差控制系统的管网阻力较小，因此终端恒压差控制系统的能耗相对较低。
图5
控制压差大于终端恒压差系统时的系统运行点
②流量变化后，当Δp'1＝Δp2时，系统运行点如图5b所示，L1，L3，L9是不同频率下水泵的特性曲线，R10，R11是电动可调动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2是终端恒压差系统的控制曲线。从图中可以看出，两个系统能耗相同。
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③流量变化后，当Δp1＜Δp2时，系统运行点如图5c所示，L1，L3，L10，L11是不同频率下水泵的特性曲线，R12，R13是电动可调动态流量平衡阀控制系统流量变化前后管网系统的控制曲线，R2是终端恒压差系统的控制曲线。电动可调动态流量平衡阀控制系统阻力小，能耗低。
2.控制压差大小和调节阀的阀权对控制性能的影响
通过对上述情况的比较分析，终端恒压差控制系统的终端支路阻力是恒定的，其控制原理如图6所示，避免了终端支路之间负荷变化的干扰，虽然理论上采用小压差控制是可行的，但由于流量一定，控制压差小，控制信号弱，控制精度和控制能力降低，影响控制效果，相反，控制压差越大，控制精度、调节性能越好，但能耗增加。
图6
事实上，一些终端控制阀的控制压差约为满负荷运行时终端用户阻力压差的2倍，随着系统规模的增加而逐渐增加。当系统达到一定规模时，终端恒压差控制系统的控制压差远大于电动可调动态流量平衡阀的前压差。
由于电动可调动态流量平衡阀控制系统的末端压差随着最不利环负荷的减小而减小，管网系统的阻力必须小于或等于全负荷运行的阻力，因此随着最不利支路负荷的减小，系统的能量损失不仅实现了系统的综合水力平衡，而且达到了系统的节能效果。
另外，在末端恒压差控制系统（如图7所示）中，通过测量空调器的回风温度来调节电动调节阀的开度，压差控制器控制A，B两点之间的压差值是恒定的。此时，由于与电动调节阀串联的管道阻抗，电动调节阀的阀门强度较小，导致电动调节阀的流量特性曲线发生变化。在实际空调系统中，常用的调节阀特性曲线一般为直线（图8中的曲线1），但安装在管道上，流量特性曲线变成图8中的曲线2，接近快速开启，流量特性差，导致管网控制系统的控制精度和稳定性降低，不能满足用户热舒适的要求。
图7
图8
由于独特的阀体结构，电动可调动态流量平衡阀在实际使用中基本接近1。其实际流量特性曲线与理想的流量特性曲线一致，无偏差，具有良好的电动调节功能，可提高系统的控制精度和系统运行的稳定性。
3 设备效率对系统性能的影响
在实现综合水力平衡的基础上，应提高设备效率，发挥系统的最大作用。如果设备不能在高效范围内运行，部分能量将转化为摩擦热等无用工作，或降低换热设备的换热性能。
3.1 水泵效率对系统性能的影响
随着变频技术的推广应用，泵的整体运行效率η随着转速（频率）的降低，减速逐渐增加，说明设备效率随工况的变化而变化，其中水泵总效率为
η＝η1η2η3 （1）
式中 η1.变频调速器在部分负载下运行时的效率；η2.交流电机在部分负荷下运行时的效率；η三是水泵在部分负荷下运行时的效率。
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经验公式：
η1＝0.5067＋1.283X－1.42X2＋0.5842X3 （2）
η2＝0.94187（1-e-9.04X） （3）
式（2），（3）中 Ｘ为电动机的相对转速百分数。
（4）
式中 n调速后的电机实际转速，n以电机的名义转速。
(2)，(3)η1，η2在部分负载下随转速变化，具体变化如图9所示。
图9 电动机和变频器调速效率曲线
假设η3为恒定值0.79，则水泵的总效率
η＝（0.5067＋1.283X－1.42X2＋0.5842X3）×0.94187（1-ｅ-9.04X）×0.79
从表1可以看出，当水泵的相对转速百分比小于45%时，其综合效率η因此，在变频控制中，应考虑水泵的综合效率，探索更合理的控制方法。
表1 变频调速水泵部分负荷状态下的综合效率％
3.2 并联制冷机组效率对系统性能的影响
多台制冷机通常并联连接，可以根据冷负荷的变化调整制冷机的数量，以达到节能的目的。但当一台机组不能满足负荷要求，而两台机组效率较低时，系统运行仍然不经济。此时，在制冷机前安装电动可调动态流量平衡阀，不仅可以确保每台机组的水流达到设计流量，而且可以避免过多或不足的水流。过多的水流不仅会造成能量损失，而且会对制冷机组产生影响，影响其使用寿命。流量过小容易导致出口水温大幅下降、结冰或流量保护。同样，在制冷机冷凝器后面安装动态流量平衡阀，可以确保每个冷凝器的冷却水流量不太大或太小，确保散热效果，避免冷却塔水流量过大，造成过载。
4 结语
综上所述，变频调节可使水泵处于高效状态，尽可能实现空调系统的低消耗和高效运行。当系统规模相对较大时，电动可调动态流量平衡阀可以自动实现管网的动态平衡，简化控制模式，提高控制精度和稳定性。也就是说，电动可调动态流量平衡阀安装在主干管中，电动调节阀设置在用户端，不仅提高了调节阀的阀权，而且实现了系统的动态平衡。同时，在制冷机组冷水入口处安装动态流量平衡阀，以确保机组运行的高效率。这些控制模式的结合为水系统的节能提供了巨大的潜力，为实现新的建筑控制模式提供了可能性。
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