用變速泵和變速風機代替調節用風閥水閥|最新資料

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

關鍵詞：變頻調節 水系統 風系統 變速水泵 變速風機

1、引言

在暖通空調工程中，使用大量的風閥水閥對系統中的風量水量進行調整，使其滿足所要求的工況。它們的調節原理是增加系統的阻力，以消耗泵或風機提供的多余的壓頭，達到減少流量的目的。因此這些調節閥的調節作用是以消耗風機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調工程中愈來愈多地使用自動控制系統。為實現自控，許多風閥水閥還要使用電動執行機構。目前質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總費用的40％以上。能否改變系統的構成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門，用其它方式實現對流量的調節？風機水泵與風閥水閥是一一對應的兩類調節流量的設備。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，通過調節風機水泵的轉速，同樣可以實現對系統的流量調節。此時由于減少了調節閥，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，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 簡單系統的流量控制

圖1為一個簡單的控制循環流量的系統，泵P提供動力以實現水通過閥V、管道及用戶U間的循環。圖2給出當閥全開、泵的轉速n=n0時系統的工作點。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％，這就是為什么說調節閥消耗了大部分水泵能耗的依據。此外，水泵工作點偏移造成的不穩定、閥關小后大的節流和壓降引起的噪聲，都對系統有不良影響。

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，具有極顯著的節能效果。同時，由于泵的工作點及閥的位置均未變，因此系統工作穩定，且不會有節流噪聲。

圖1 簡單的水循環系統

圖2 調整閥門或調整轉速來改變流量

此簡單例子說明：

(1) 當調節閥產生調節作用時，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阻力特性，使管網中的動力機械工作點偏移，在多數情況下這將導致效率下降。

(2) 當采用變速方式調節流量時，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、風機及系統均可穩定地工作。

(3) 以調整泵或風機的轉速來調整流量應該是流量調節的最好手段。

2.2 供熱水網

圖3為一簡單的供熱水系統。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 供熱水網系統圖

圖4 供熱水網水壓圖

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：

當熱用戶個數足夠多時，（n－1）／(2n)約等于50％，也就是消耗在外網的能耗約有一半被各支路的調節閥所消耗。一般用戶側真正需要的揚程僅為循環泵揚程的20％～30％，即外網消耗70％～80％。因此，總泵耗的35％～40％的能量被調節閥消耗掉。有時為安全起見，循環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中調節閥消耗一半以上的泵耗。

若改用圖5方式連接熱水管網，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，代替調節閥，減小主循環泵的揚程，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

圖6 用泵代閥方案的水壓圖

此時無調節閥，因此也無調節閥損失的泵耗，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整轉速來實現各個用戶所要求的流量，因此不再靠調節閥消耗泵耗，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，整個系統的總流量亦在較大范圍內變化，總循環泵也可用變頻泵，并根據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，則系統具有非常好的調節性能與節能效果。分析表明，當采用如圖3常規的管網方式時，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，而同樣的管網采用圖5的方式，并且對主循環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％，系統的水力穩定性大為改善。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供熱網中使用，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，采用這種方式，比常規方式節省泵的電耗62％，并改善了系統的水力穩定性。同時還使整個系統壓力變化范圍減小，從而可降低管網承壓要求，處長管網壽命。在各用戶處安裝調速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調節閥及節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 空調水系統

為減少水泵電耗，便于系統調節，許多系統采用兩級泵方式，如圖7。泵組P1可根據要求的制冷機的運行臺數而啟停，其揚程僅克服蒸發器阻力及冷凍站內部分管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶的壓降。為了節能，P2有時還采用變速泵，根據用戶要求的流量調節泵的轉速，調節規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％，則各用戶本身的調節閥都紛紛關小，此時末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變為1.25m，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律所預測的12.5％。造成這種現象是由于現象是由于各用戶調節閥關小，消耗了多余的這部分能量。見圖8。

圖7 空調兩級泵系統

圖8 空調兩級泵系統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節閥所消耗。并且空調系統為了改善其調節性能，還希望調節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％以上被各個調節閥消耗掉。

圖9 為按照前一例的思路，將各調節閥改為變頻泵，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節閥，由圖10可看出，對于大多數支路來說，供回水干管間是負壓差，當某臺空調機的水泵停止時，流量會自動成為零。改變用戶處水泵的轉速，可以很好地實現流量調節。由于不再安裝任何調節閥，因此再沒有調節閥所造成的損失。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 用變頻器代替調節閥的二級泵系統

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

再分析這種系統的穩定性。當由于某種原因，一些用戶關閉，一些用戶調小，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，還省掉各個空調機的電動調節閥，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，希望能夠通過調整3個風閥來改變新回風比，實現要求的送風參數。由于空氣被排風機從房間抽回后，要經風閥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來調節很困難。因此，這樣的系統實際上很難真正實現新回風比連續可調。由于3個風閥的位置不協調，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 常規的可變新風量空氣處理室

根據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，其數值為回風道的壓降。單獨調整新風閥B或排風機F2的轉速，可改變a點的壓力，從而改變室內正壓度；同時調整F2的轉速和閥A的開度，則可以準確地調整新回風比，而不影響總風量。圖中的單向導流葉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，而無氣流倒流的現象。當空調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，就可以實現從最小新風至全新風的連續有效的調節。

圖12 用排風機代替回風機的空調處理方案

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節，調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的常規系統及圖12的雙風機系統。這是由于它不再有常規系統中混風閥C和圖12系統中的新風閥節流能耗。與常規系統相比，在全新風時，圖13中風機F4與F1的壓力之和與常規系統的送風機壓力相同。這樣，圖13中4臺風機的電機功率應與同樣風量常規系統兩臺風機的電機功耗不變，而圖13系統的F3、F4低轉速運行，功耗降低。對圖12所示系統而言，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，F3、F4工作點不變，最小新風時能耗要低些。

2.5 變風量空調系統（VAV）

采用變風量空調系統，在每個房間送風口裝VAV末端裝置，根據房間溫度調整末端裝置內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境要求，適應各房間的熱負荷變化。圖14為這種變風量系統的原理圖。

圖14 VAV系統原理圖

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，并根據最末端風道內的壓力調整轉速，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，風閥的目的是調節風量，要使其具有良好的調節特性，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，調節風機轉速以調整風量，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為這種方式的系統原理圖，其中為便于分析畫為雙風機系統，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，其轉速可以根據主送風道內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的風機來承擔。某個房間送風口內風機停止時，由于送風道內為負壓，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律變化。由于消除了各VAV裝置中調節風閥的能耗，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，而系統的調節性能則大為改觀。

3、結論

本文通過暖通空調工程中的5個例子說明采用變速風機、水泵替代部分調節用風閥、水閥的方法及其優點。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，又可以改善控制調節效果，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。

調節閥的作用是增加阻力，以消耗多余部分壓頭，實現調節流量的作用，調節閥所消耗的壓力占總的壓力損失比例愈大，調節性能愈好。這樣，要獲得調節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節裝置，是通過減少向系統投入的能量來減少能量，這就有可能通過合理的系統結構設計來達到好的調節品質，而不增加能耗，同時獲得節能和調節性能好的效果。

工程設計必須考慮富余量，以保證在實際情況發生各種變化時系統仍可達到要求的參數。在實際運行時，為了消除這些富余量，又要靠閥去調整，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，既造成調節的困難，又浪費能量。用變速風機或水泵代替調節閥，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節效果和節能效果。

泵和風機所耗能源在暖通空調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％以上又被各種調節閥門所消耗，采用本文討論的方式，有可能將調節閥所消耗能量的很大一部分節省下來，因此這一方式有重要的節能意義。

采用這一方式，由于所要求的系統流動狀況、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，是否會降低系統的可靠性，增加維修工作量？目前較容易找到高質量的風機水泵，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，是暖通空調系統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.冷熱聯供熱網的用戶回水回壓泵方案.區域供熱.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.