浅谈供暖空调水系统效率优化策略

浅谈供暖空调水系统效率优化策略
周谨
【摘要】中国作为世界能源大国,电力能源消耗位居世界第二,有25％的来源于建筑能耗,其中暖通空调系统占了很大的比例.有效提高供暖空调水系统的效率,将在满足人们生产生活需求的同时,起到节能减排的作用.为此,本文在概述供暖空调水系统工作特性的基础上,详细分析了提高供暖空调水系统效率的有效措施,并展望了供暖空调水系统节能的发展趋势,为我国暖通空调技术的发展提供一定的理论基础.【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2018(037)021
【总页数】2页(P154-155)
【关键词】供暖空调水系统;变流量;压差控制;温差控制
【作者】周谨
【作者单位】同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU831.3+5
0 引言
我国属于发展中国家，同样也属于能耗大国，每年的建筑耗能约占电力能耗的25%，单位面积的建筑耗能远高于其它发达国家。

而据有关资料统计，在建筑能耗中,暖通空调系统的占比超过50%；而在暖通空调系统耗能中，大约有18%是由
暖通空调系统中的循环泵消耗的。

因此，减少供暖空调水系统耗能，提高供暖空调水系统的工作效率，是现阶段建筑节能的重要关键之一。

而供暖空调水系统优化节能一方面与技术优化有关，另一方面则涉及能源管理的方式。

基于此，本文结合多年暖通空调设计经验，详细分析了供暖空调水系统节能运行、控制的相关措施，并展望了供暖空调水系统节能的发展趋势，进一步促进暖通空调技术的发展。

1 目前我国供暖空调水系统运行现状
目前，我国供暖空调采用水系统的供能形式主要包含由集中能源站供能的区域能源中心供能方式和建筑自带能源机房的分散供能方式二种。

对建筑自带能源机房的供能系统多采用定速水泵的一级泵系统，水系统流量调节多数是通过台数调节来实现，即采用多台循环泵并联的方式，当负荷发生变化时，改变循环泵运行的数量，从而满足负荷变化的需要。

但是，这种方式对系统的流量调节只能阶梯型的，无法做到无极调节。

另外，由于水泵并联运行，当运行台数减少时，会造成管道特性曲线的偏移，因而循环泵流量偏大，实际水泵功率消耗大于设计工作点，从而加大了实际的输送能耗，甚至会造成水泵电机过载。

对采用集中能源站供能的区域能源中心供能方式，其输送到用户侧的水系统通常为变流量系统，通过对循环泵转速的调节实现。

根据区域供能的规模，采用二级泵系统甚至三级泵系统。

这种系统在实际运行中，一般二级泵、三级泵都会采用变频调速循环泵，根据用户侧的供回水压差调节循环泵的工频，从而减少循环泵能耗。

但是对区域能源中心来说，其提供给用户的供回水在接入用户后往往不受其控制，因而末端压差控制点通常只能设置在用户供回水接口处，在很多工程中，为了管理方便甚至直接设置在能源机房内，此时由于压差设定值本身离水系统扬程非常接近，因此通过变频调速来减少流量的余地就非常小，常常起不到应有的节能效果。

2 供暖空调水系统的节能措施
2.1 采用变频变流量系统
如前文所述，大量工程案例采用了定速水泵的一级泵系统，其流量调节为台数调节，循环泵能耗普遍比较大，因此采用一级泵变流量系统（变速调节）将有效减少这一部分能耗。

由于在一级泵变流量系统的设置中，不要求循环泵与冷机的一一对应，因此循环泵在并联运行时更能够发挥其变频运行的优势，同样的流量，根据不同的管路特性曲线需求，进行不同数量的循环泵组合，实现最小的能耗。

有研究指出，在一定条件下，通过多泵并联变速运转，相对于单泵运行而言，可以极大降低循环泵的耗能。

而在变频变流量系统中，并联的循环泵部分运行时，同样可以进行变频调节，循环泵的工作点变化与管路特性曲线的契合度会更高，从而避免流量过大现象。

当然，在一级泵变流量系统的设计中，必须充分控制冷机蒸发器的流量变化范围，避免出现蒸发器流量过小而冻结的情况，目前市场上主要的冷机产品，离心机组、螺杆机组的蒸发器最小流量一般都可以达到额定流量的50%以下，足以支持变频
变流量系统的正常运行，实现有效节能。

2.2 合理设置压差控制点
对于变流量系统来说，压差控制点的位置决定了水系统变频运行的节能潜力。

如图1所示，在变流量系统中，在冷热源、空调末端均相同的情况下，分别在A、B、C三个位置设置压差控制点。

假设循环泵的扬程为30m，A、B、C三个位置
在额定工况下的压差分别为22m、18m、10m。

因此，如果分别以这三个点为依据进行循环泵的变频控制将会得到完全不同的结果。

图1 变流量系统压差控制点示意图
很明显，如果选取A点作为压差控制点，当系统流量减小，A点压差小于22m时，循环泵将不会再减频，因此循环泵的变频幅度是最小的；而选取C点作为压差控
制点时，系统流量减少，只要保证C点的10m压差，循环泵的减频幅度将是最大的。

所以在供暖空调水系统设计中，应将变流量系统（含二级泵、三级泵系统）的
压差控制点尽可能设置在系统的最末端，避免设置在能源机房内。

2.3 引入温差控制
在实际的工程案例中，由于各种各样的原因，会出现大流量、小温差现象，有些是因为冷热源、循环泵的附加系数过大，有些是因为末端的控制出现问题，还有一个原因是当并联运行的循环泵只有部分运行时（其实是供暖空调系统的常态），循环泵工作点发生偏移，系统流量超过实际需求的流量。

都会造成大流量、小温差现象。

这时，如果在控制逻辑中引入温差控制，将会有效解决这一顽疾。

温差控制是在保证系统供水温度不变的情况下，检测回水温度，计算供回水温差，并将其与设定值进行比较，计算出偏差，然后根据这一偏差通过控制器对相关控制阀门进行控制，控制循环泵变频，达到节能的目的。

但如果在一级泵变流量系统中，直接采用温差控制法对循环泵的变频进行控制，则有可能出现以下情况：当循环泵根据检测回水温度发现水温差偏小，并据此开始减频，在减小系统流量时，整个系统的压差同步开始减小（幅度更大），此时有可能原来部分正常运行的末端流量开始不足，反而会引起系统震荡，总体相互干扰过大。

因此，可以将温差控制作为压差控制的补充，整体变流量系统仍采用压差控制，但对不同的末端或不同的水系统支路设置调节阀，根据这些末端或支路的回水温度检测其供回水温差，当温差偏小时，适当减小调节阀的开度，从而控制整个水系统的流量。

目前在市场上，已经出现一些专门针对末端设备的流量调节阀附带温差控制逻辑，可以有效解决大流量、小温差的顽疾，值得进行推广。

3 供暖空调水系统发展展望
3.1 自控水平的逐步提高
随着电子技术、计算机技术的发展，传统的PID控制系统逐渐被智能化控制理论
所替代，形成高级的控制手段，不仅能够适应不同环境、不同负荷下、不同工况下的运行，而且能够实现回路最优控制，使暖通控制系统每个环节的工作都能达到最
佳，尤其是嵌入式微处理系统的出现，使得暖通控制系统具有一定的适应性和自主学习的功能。

因此，在供暖空调控制系统中，进一步引入先进的控制逻辑，对负荷、流量的需求进行预判，设置前馈控制，减少震荡，可以提高整个系统的稳定性和可靠性。

另一方面，随着电子信息化程度的不断提升，暖通控制系统不仅仅实现了自动化控制、集成化控制，而且将融入网络信息技术，实现信息的快速共享，实现信息的飞速传输。

从而让控制系统更加稳定、可靠。

3.2 实现最佳的工作点运行
对能源中心供能的系统，水系统变流量运行的压差控制设施出于管理上的需要很难设置在系统最末端，有时候出于无奈只得设置在能源机房内，此时由于压差控制点位置不佳，固定的设定值将会造成循环泵变频幅度过小而起不到节能的作用。

那么此时能否在对整个系统深入研究的基础上，形成流量—压差的关系曲线，并利用
这一联锁关系，通过系统流量对末端压差进行估算。

从而对压差控制点的实际压差需求进行估算，并据此对额定流量情况下的压差设定值进行下浮处理，从而真正达到最佳的系统工作点，实现循环泵减频运行，达到节能的目的。

当然这一设想需要对水系统的特性曲线进行深入的研究，并考虑到最不利环路（可能不止一个）的多种可能性，以及计算机模拟预测技术的应用，但应该是一个可以研究发展的方向。

4 小结
中国作为能耗大国，建筑产业也是国家的重要支柱。

随着能源成本的不断提高，提高能源利用效率，已然成为了当下各行各业竞争取胜的关键所在。

在此背景下，如何降低暖通空调系统的运行能耗，一直是暖通从业人员研究的重点，尤其是新型能源的不断涌现，对暖通空调系统的设计优化提出了更高的要求。

基于此，本文在概述供暖空调水系统工作特点的基础上，详细分析了提高供暖空调水系统效率的有效
措施，并展望了供暖空调水系统节能的发展趋势，为我国暖通空调技术的发展提供一定的理论基础。

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