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摘要：在中央空调节能设计中，水力平衡控制技术起到关键的作用。文章着重论述了区域动态水力均衡控制技术在实际中央空调系统节能中的应用及作用，指出了其效益，对从事中央空调设计和施工人员有一定的借鉴意义。
关键词：中央空调；水力平衡控制技术；流量负荷；节能降耗
随着经济的发展，空调系统成为现代建筑物中不可缺少的设施之一，同时能耗大。目前国内的中央空调系统的平均能耗约占建筑能耗的40%～60%，而发达国家该比例大约是20%，故其节能设计势在必行。造成国内中央空调系统能耗偏高有多方面的原因，其中系统达不到全面水力平衡是主要原因之一。因此必须采取相应的水力平衡控制措施来实现系统的水力平衡。
1 水力失调与水力平衡
1.1 概念
在中央空调冷（热）水系统中，各冷（热）负荷的实际流量与设计需求流量的不一致性叫做该负荷区域水力失调。
相反，在中央空调冷（热）水系统中，各冷（热）负荷的实际流量与设计需求流量相符，则该区域水力平衡。
1.2 静态水力失调与静态水力平衡
由于设计、施工及设备材料等原因导致系统管道特性阻力数比值与设计要求管道特性阻力数比值不一致，从而使系统各区域的实际流量与设计流量不一致，引起系统的水力失衡叫做静态水力失调。
对于静态水力失调的系统常用的调节方式是在管路系统中增设静态水力平衡设备（如静态水力平衡阀）来调节管道特性阻力数比值，使其与设计的管道特性阻力数比值相一致，若系统总流量达到设计流量，各环的各区域流量自然达到设计流量，静态水力平衡是解决静态平衡系统能力的问题。
1.3 动态水力失调与动态水力平衡
在中央空调系统的实际运行中，当某些区域的阀门开度改变时，此区域的水流量发生变化，系统的压力也随之变化，这会导致其他区域的水流量也发生变化，偏离设计所需流量，因而导致的水力失调叫动态水力失调。据数字显示：在中欧，超过摄氏20度以上每增加一度加热温度的成本会至少提高8%（在南欧会提高12 %）。在欧洲，低于摄氏23 度以下每降低一度的制冷成本会增加15%。设计一个HVAC的系统莱公特定的最大负荷使用，如果设备因为在设计条件下不能达到平衡，而不能将其全部容量传送给所有的回路时，就不能实现整个设备的投资价值，不但不能保证使用的功能，还造成了能源上的浪费。
动态水力失衡是系统运行中产生的、随机的，不是系统本身固有的。对于动态水力失衡系统的调节是在管路系统中增设动态水力平衡调节设备（如动态平衡阀、流量调节器、压差调节器），当其他区域流量发生变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，使自身区域的流量不随之发生变化，各区域的流量互不影响，此时达到该区域的水力动态平衡。例如：某商务楼空调改造工程，建筑面积大、造型奇特，并因业主要求“黄金地段” 有效使用面积高，而使设备用房及管井面积小，并其位置不利，在原设计中，无平衡阀的使用，因“管线长，难平衡” 的设计出现了，房间冷热不均，系统出现动态失调：在空调季节，有近1/4的房间太冷，有1/ 3 房间则太；相反，在采暖季节，有1/4房间太热，有1/3房间则太冷。改造设计中，增设了动态流量平衡阀，其效果及其显著，基本所有房间均达到设计温度。
2 中央空调管路系统
在大型的现代建筑中央空调系统中，冷冻水（热水）多部分是由闭式循环管路系统输配到各个末端的空调用冷（热）设备上。由于建筑物结构的复杂性与功能的多样性，至使空调的水系统往往根据末端负荷的不同分成若干个供冷（热）区域，每个区域由一个供水环路供冷（热）。
2.1 同程式管路系统
空调水流经过供、回水干管间每一并联环路中的循环管道路程基本相等。
（1）竖向干管同程式管路的布置方式如图1所示。
图2 水平支管同程式管路
同程式管路优点：末端换热器阻力基本相等时，由于并联的各环路管路总长度基本相等，所以水力稳定性好，各环路水量分配均衡，调节十分方便。
2.2 异程式管路系统
空调水流经供、回水干管间每一并联环路中的循环管道路程不相等。
（1）竖向干管异程式管路的布置方式如图3所示。
要实现中央空调系统的高效节能运行，首先要注重静态平衡设计，即在设计过程中精确计算，对每个环路（同程式与异程式）进行水力平衡计算，对于压差悬殊的环路采取有效措施，使得设计工况与实际运行工况接近，选择合适的流量调节阀实现静态水力平衡，这也是此系统运行时实现动态水力平衡调节的必要条件。其次（也是非常重要的）是设计合理的动态水力平衡设备，使不同区域的流量间互不干扰，实现动态平衡。由于中央空调系统的时变性，中央空调系统是一个动态多变的系统，只有实现了动态水力平衡才是真正的水力平衡系统，才能满足中央空调系统准确供冷（热）的条件。
但遗憾的是，系统设计、施工、设备材料及系统运行管理都存在问题。水力失衡的现象在中央空调系统中一直普遍存在，水力失衡的主要表现有：
图5 空调系统管理控制平台
1）各区域空调效果不均衡，某些区域温度过高，达不到空调效果；某些区域温度过低，超过标准，造成能源浪费。
2）系统流量分配失衡，某些区域（有利环路）流量过剩，某些区域（不利环路）流量不足，且无论如何动态调节阀门都无法达到设计要求。
3）由于空调系统的时滞性，要满足不利环路区域的用户对空调效果的需求，空调设备要提前开启，这样就会大大增加空调系统的能耗。另外水力失衡的系统要比水力平衡的系统达到设定温度的时间久，所以在无形中增加了系统能耗。
可见水力不平衡直接造成空调舒适性与服务质量的下降，形成恶性循环，空调效果达不到要求，增加开启设备台数，最终形成“大马拉小车”的现象，促使空调系统的能耗大幅上升。
3 区域动态水力均衡控制技术
区域动态水力均衡控制技术是对中央空调系统水力平衡技术长期探索、研究、实践与总结的产物，是一种以满足各区域能量需求为目标的新型水力平衡技术，它能够动态调节与分配各区域的水流量（能量）使得每个区域都能获得所需的能量（冷量或热量），是一种更科学、更实用的动态水力平衡实现的方法。区域动态水力均衡控制装置构成如图5所示。
表1 满足最不利环路时各环路流量与负荷率的关系
区域动态水力均衡控制，不同于单个阀门各自为单位的分散局部水力控制，它是一种基于整个空调水力系统工况的控制，其主要由计算机、控制软件、动态水力平衡控制器、电动调节阀、温度、压力传感器和热量表等构成。
在中央空调多区域的供冷中，其中某个区域的冷冻水所供给的冷量Q是否与末端负荷的需求相匹配，直接反映在环路的回水温度或温差上。当环路的回水温度或温差等于其设定值时，表明所提供的冷量与末端负荷的需求相匹配，否则表明所提供的冷量与末端负荷的需求不匹配，也就说明这个区域的冷量供需不平衡；当多个区域之间的回水温度或温差都不一样时，则说明多个区域之间存在着冷量不均衡的现象。单个区域的冷量供需不平衡和多个区域之间的冷量分配不平衡都会造成空调冷量输送的极大浪费，因此控制系统通过中央空调多区域冷热量均衡分配节能控制技术调节单个区域的供需平衡和多个区域之间的冷量平衡可以达到明显的节能效果。
中央空调多区域冷热量均衡分配节能控制，是以各个环路的回水温度或温差作为被控变量，根据实际测量的各个环路的回水温度或温差，计算其与设定温差值的偏差及偏差变化率，然后通过系统专用控制器调节相应环路供水端的水泵频率（或台数），对相关区域的水流量进行动态调节，使得各个区域水流量所提供的冷量与末端负荷需求的冷量相匹配，从而实现回水温度或温差趋于一致，接近设定温差，从而保证每个区域的冷量供需平衡和各区域之间冷量的分配平衡，从而达到极其显著的节能效果。
多区域冷热量平衡控制策略节能分析（加装静态平衡阀的情况下）如表1所示。
对于分水器出水三个环路的空调系统，按管阻差值最大为20%，假如多环路的设计流量为80m3/h，在各环路加装静态平衡阀的情况下分析：从表1可知，当每个环路的负荷需求为60%时，实际需求总流量为144m3/h，此时为了满足各环路区域末端空调的效果，必须把最不利环路3的流量加大到48m3/h，此时最有利环路1的流量已经达到67m3/h，环路2的流量也达到了58m3/h，这样就会出现29m3/h的浪费现象，能量浪费达到了17%，其他部分负荷的流量变化情况详见表1。
采用区域冷（热）量平衡控制策略后，根据加权平均来计算年节电率：
16÷216×15%+29÷192×30%+33÷168×30%+29÷144×15%=14.6%
根据现场实施项目的数据，中央空调系统一年耗电：1921787.4kW?h（冷水主机耗电：1277987.4kW?h，水泵耗电：577200kW?h，风机耗电66600kW?h），约192万元。
所以得出使用了区域动态水力均衡控制技术后可以节能：
1277987.4×14.6%=186586.16，约19万kW?h。
4 结束语
总之，要确保空调系统按照设计的技术参数运行，对系统的水力平衡控制相当关键，而在节能设计中，水力平衡技术也会起到关键的作用，通过合理的水利平衡控制技术可以在保证提供舒适的室内气候的同时能节能运行。至关重要的是，区域动态水力均衡控制技术的应用是促进节能改造的有效途径，具有很高的经济价值和社会效益，应该大力推广。
参考文献：
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[2]刘妮；刘汉华.平衡技术在中央空调系统中的应用[J].广东土木与建筑，2004（8）：61-62
[3]杨旭.析中央空调系统中的平衡技术应用[J].民营科技，2009（10）：20-20
论文作者:郑心雄
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/8/1
标签：水力论文; 环路论文; 区域论文; 流量论文; 系统论文; 动态论文; 空调系统论文; 《基层建设》2016年9期论文;