空调变流量系统中压差控制对水力稳定性的影响

1、空调变流量系统中压差控制对水力稳定性的影响武汉市建筑设计院 张再鹏 陈焰华武汉科技大学 符永正摘 要: 分析了空调变流量系统中不同压差控制对各种空调水系统水力稳定性的影响。根据压差控制方法和水系统形式的不同，可分为异程系统干管压差控制、异程系统末端压差控制、同程系统干管压差控制、同程系统末端压差控制、环形管网干管压差控制和环形管网末端压差控制，计算结果表明，同程系统/环形管网末端压差控制具有最好的水力稳定性。关键词: 变流量系统 末端压差控制 干管压差控制 水力稳定性1 概述流体输送系统中，各支路或用户的流量随其它支路或用户的流量改变而改变的问题就是水力稳定性（简称稳定性）问题。例如，一个支路

2、的流量主动减小或增大，对其它支路的流量影响较大，就说明该系统的稳定性较差；反之，一个支路的流量主动减小或增大，对其它支路的流量影响较小，就说明该系统的稳定性较好。水力稳定性的好坏对实现流量的合理分配，进而降低流体输送能耗有着重要影响，因此，研究清楚各种空调水系统形式的水力稳定性，对降低空调水系统输送能耗，提高能源利用效率都是有帮助的。文献1,2给出了各支路的可调性和稳定性的定义，并分析了异程系统、同程系统、分布式变频泵系统、混水系统以及环形管网的稳定性，文献3则采用依次关闭各支路，然后计算未关闭支路流量的方法，比较了同程系统和异程系统的水力稳定性。但是计算和比较管网的水力稳定性，还需要考虑压差

3、控制的影响。例如在一次泵定流量系统中，往往采用干管压差信号控制旁通流量，此时供回水干管之间的压差保持恒定不变，它对管网的水力稳定性存在一定的影响。在二次泵变流量系统中，往往采用压差信号控制水泵变频，此时压差控制点之间的压差也保持恒定不变，因此该系统也需要考虑压差控制对管网水力稳定性的影响。随着一次泵变流量系统的提出，空调水系统又产生了末端压差控制和温差控制等水泵控制方法。但是在这些控制法中依然存在压差控制，例如末端压差控制法就是采用最不利支路两端的压差信号控制水泵变频，此时最不利支路两端的压差保持恒定不变。而在温差控制法中，某些系统需要采用压差旁通法平衡用户侧和冷热源侧的流量和温差（将另文加以

4、说明），此时两控制点之间的压差也保持恒定不变。因此，在比较管网的水力稳定性时，应该考虑压差控制的影响。本文针对压差控制设置在干管和支管的不同以及应用于同程系统、异程系统和环形管网的不同进行了管网水力稳定性分析。2 分析方法对于一个具有若干个支路的管网，如图1所示。当关闭某一支路后，从新计算其它未关闭支路的流量，然后对各支路的流量进行计算分析。分析方法有三种：关闭第个支路时，第个支路的新流量与设计流量的比值称为支路关闭时，支路的相对流量。显然越接近1，则说明支路关闭时，相对于支路，支路的稳定性越好；反之，则说明相对于支路，支路的稳定性越差。当分别关闭其它支路时，支路实际流量偏离设计流量的平均值与

5、设计流量的比值称为支路的流量偏离系数：式中为系统的支路数。的大小，反映了支路的稳定性强弱，值越接近0，则说明支路越稳定。当第个支路关闭时，其它支路实际流量偏离设计流量的平均值与设计流量的比值称为支路的流量干扰系数： 显然值越接近0，则说明支路的调节对其它支路的干扰越小，简称干扰性小，反之则干扰性大。所有支路的平均值称为管网水力失调系数，显然越接近0，则说明管网的稳定性越好，反之则稳定性越差。虽然实际的流量调节通常是开大或者关小，而不是关闭，但是这种影响是类似的，具有可比性。3 异程系统干管压差控制的稳定性分析图1所示为具有七个支路的异程系统，各末端装置的型号相同，设计流量均为4m3/h，各管段

6、和支路的阻抗大小见表1。通过计算得旁通管两端的压差为22mH2O，以此值为压差控制值，计算分别关闭各支路时，其它支路的相对流量，并进行稳定性和干扰性分析，结果见表2。图1 异程系统表1 各管段阻抗分布（h2/m5）管段S11.2521.1253140.87550.7560.62570.5管段891011121314S1/7841/5761/4001/2561/1441/641/16管段S81/78491/576101/400111/256121/144131/64141/16表2 异程系统干管压差控制计算结果ji1234567Yi101.0121.0121.0121.0121.0121.012

7、0.01221.01101.0271.0271.0271.0271.0270.02431.0101.02501.0461.0461.0461.0460.03741.0101.0231.04201.0721.0721.0720.04951.0091.0211.0391.06601.1111.1110.06061.0081.0191.0361.0611.10301.1800.06871.0081.0191.0361.0611.1031.18000.0680.0090.0200.0320.0460.0610.0750.075从表2中计算结果可以得出以下规律：无论关闭哪一个支路，其它各支路的流量都会增

8、大。利用水压图可以定性的看出这种变化趋势：图2反映了关闭支路4时，各支路作用压差的变化趋势。当关闭某一支路时，系统的总阻抗增大，被关支路前面干管内的流量减小，水压线变得平缓，被关支路之前各支路的作用压差从前到后增加量逐渐增大。被关支路之后各支路的作用压差和流量也会增加，但是由于干管内的流量增加，因此水压线变得较陡峭。图2 异程系统干管压差控制水压图被关支路之后各支路的相对流量相同，说明被关支路之后各支路的流量是等比例变化的。和从前到后逐渐增大，说明前面支路（靠近旁通管的支路）的稳定性好于后面支路，前面支路的干扰性小于后面支路。4 异程系统末端压差控制的稳定性分析通过计算得最不利支路两端的压差为

9、8mH2O，以此值为压差控制值，计算分别关闭各支路时，其它支路的相对流量，并进行稳定性和干扰性分析，结果见表3。表3 异程系统末端压差控制计算结果ji1234567Yi10111111020.9850111110.00330.9660.980011110.00940.9420.9540.97201110.02250.9090.9190.9350.9590110.04660.8550.8640.8780.9000.935010.09570.7640.7730.7850.8050.8370.89400.1900.0970.0850.0720.0560.0380.0180从表3中计算结果可以得出以下

10、规律：无论关闭哪一个支路，被关支路之前的各支路流量将减小，被关支路之后的各支路流量不变。利用水压图可以定性的看出这种变化趋势：图3反映了关闭支路4时，各支路作用压差的变化趋势。由于最不利支路两端的压差保持不变，流经该支路的流量也不变，则管段14、14'的流量和压降也不变，在图中反映为该管段的水压线斜率不变。依次类推，则被关支路之后的各支路作用压差和流量都不变。被关支路之前的干管内流量减少，该管段水压线变平缓，因此被关支路之前的各支路作用压差和流量都将减小。支路越靠近冷热源，其作用压差减小量越大，流量偏离系数也越大。图3 异程系统末端压差控制水压图从前到后逐渐减小，被控支路的达到最小值，

11、且为0，说明前面支路的稳定性弱于后面支路，被控支路的稳定性最好。从前到后逐渐增大，说明前面支路的干扰性小于后面支路，最前面支路对其它支路无干扰。末端压差控制的各支路稳定性变化趋势与干管压差控制的各支路稳定性变化趋势相反，末端压差控制的各支路干扰性变化趋势与干管压差控制的各支路干扰性变化趋势相同。5 同程系统干管压差控制的稳定性分析同程系统如图4所示，为了使各支路的作用压差基本相同，而增加了一条管路，消耗多余的压差。图4为具有七个支路的同程系统，各末端装置的型号相同，设计流量均为4m3/h，各管段和支路的阻抗大小见表4。通过计算得旁通管两端的压差为22mH2O，以此值为压差控制值，计算分别关闭各

12、支路时，其它支路的相对流量，并进行稳定性和干扰性分析，结果见表5。图4 同程系统表4 各管段阻抗分布（h2/m5）管段S10.520.530.540. 550. 560.570.5管段891011121314S1/7841/5761/4001/2561/1441/641/16管段S87/78491/16101/64111/144121/256131/400141/576表5 同程系统干管压差控制计算结果ji1234567Yi101.1581.1141.0841.0611.0431.0300.08221.14501.1271.0951.0721.0541.0390.08931.1001.1220

13、1.1151.0891.0691.0530.09141.0721.0911.11301.1131.0911.0720.09251.0531.0691.0891.11501.1221.1000.09161.0391.0541.0721.0951.12701.1450.08971.0301.0431.0611.0841.1141.15800.0820.0730.0900.0960.0980.0960.0900.073从表5中计算结果可以得出以下规律：无论关闭哪一个支路，其它各支路的流量都会增大，并且这种变化具有对称性，即支路1与支路7的稳定性和干扰性相同，支路2与支路6的稳定性和干扰性相同。各支路

14、的稳定性从中间支路向两端支路逐渐增强，中间支路的稳定性最差；各支路的干扰性从中间支路向两端支路逐渐减弱，中间支路的干扰性最大。6 同程系统末端压差控制的稳定性分析通过计算得各支路两端的压差为8mH2O，以此值为压差控制值，计算分别关闭各支路时，其它支路的相对流量，并进行稳定性和干扰性分析，结果见表6。为了便于比较计算结果和不破坏管网的对称性，把压差控制点设在中间支路上。表6 同程系统末端压差控制计算结果ji1234567Yi101.0691.02810.9790.9630.9500.03421.04501.02910.9790.9620.9490.03130.9871.007010.9770.

15、9590.9450.02340.9390.9550.97500.9750.9550.9390.04450.9450.9590.977101.0070.9870.02360.9490.9620.97911.02901.0450.03170.9500.9630.97911.0281.06900.0340.0460.0400.02500.0250.0400.046从表6中计算结果可以得出以下规律：关闭某支路，其它支路的流量有的会减小，有的会增大，而被控支路的流量不变。流量增大的支路出现在被关支路的两侧，且相邻的两支路流量增量最大。随着支路远离被关支路，流量逐渐减小，并从流量增大状态过渡到流量减小状态

16、。各支路的和具有对称性，稳定性从中间支路向两端支路逐渐减弱，中间支路的稳定性最好。各支路的干扰性从中间支路向两端支路逐渐增大，但是被控支路的干扰性最大。末端压差控制的各支路稳定性变化趋势与干管压差控制的各支路稳定性变化趋势相反，末端压差控制的各支路干扰性变化趋势与干管压差控制的各支路干扰性变化趋势相反，但是干扰性最强的支路都是被控支路。7 环形管网干管压差控制的稳定性分析环形管网如图5所示，当末端设备布置成环形时，供回水干管均沿末端设备布置成环形，且供回水的流向相同。从图中可以看出，环形管网也是一种同程系统，具有各支路流量流过路程基本相同的特点，只是较同程系统少了一根干管。干管的减少，将减小系

17、统的总阻力，并使支路阻力占管网总阻力的比重有所增大。由于支路阻力比重对管网的水力稳定性也存在影响3，因此需要将环形管网从同程系统中分离出来加以分析。为了比较环形管网与同程系统对管网水力稳定性的影响，将环形管网除了管段8'的各管段阻抗依然采用表4的数据，管段8'的阻抗则减小为1/784 h2/m5。图5 环形管网计算发现环形管网采用末端压差控制时，相对流量不受管段8'的影响，因此，其水力稳定性与同程系统末端压差控制的水力稳定性相同，在此不再列出计算结果。环形管网采用干管压差控制时，计算结果见表7。从中可以看出，环形管网的变化规律与同程系统干管压差控制的变化规律相同。但是环

18、形管网各支路的稳定性好于同程系统，干扰性小于同程系统。表7 环形管网干管压差控制计算结果ji1234567Yi101.1291.0861.0561.0341.0171.0030.05421.11801.1001.0701.0471.0291.0150.06331.0751.09701.0891.0641.0451.0290.06641.0481.0661.08801.0881.0661.0480.06751.0291.0451.0641.08901.0971.0750.06661.0151.0291.0471.0701.10001.1180.06371.0031.0171.0341.0561.0861.12900.0540.0480.0640.0700.0720.0700.0640.0488 管网水力失调系数计算结果上述六种情况的管网水力失调系数见表8。表8 管网水力失调系数计算结果系统形式异程干管压差控制异程末端压差控制同程干管压差控制同程/环形管网末端压差控制环形管网干管压差控制X0.0450.0520.0880.0320.062从表8中计算结果可以看出：异程系统中，干管压差控制的稳定性好于