250 風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性模擬分析

1、風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性模擬分析總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院 李兆堅(jiān) 劉建華 田雨忠 蒲婷摘要 采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，對(duì)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)的水系統(tǒng)在溫控閥調(diào)節(jié)狀態(tài)下的性能和能耗的變化情況進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，水系統(tǒng)的總流量、總壓頭、水泵總能耗等參數(shù)與風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉率有關(guān)，而與風(fēng)機(jī)盤管開關(guān)位置關(guān)系不大。如果水泵不變頻，風(fēng)機(jī)盤管供水閥通斷控制方式對(duì)減少空調(diào)水系統(tǒng)能耗的效果較小。關(guān)鍵詞 空調(diào) 風(fēng)機(jī)盤管 水系統(tǒng) 二次泵 調(diào)節(jié)特性 模擬0 引言風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是民用建筑中最常用的一種空調(diào)系統(tǒng)形式。它具有投資和能耗較少、機(jī)房面積較小、管道較小、布置方便、建筑層高要求低、各房間溫度可以單獨(dú)控制等優(yōu)點(diǎn)，因此它在民

2、用建筑中得到了廣泛應(yīng)用。在空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常只考慮風(fēng)機(jī)盤管供水閥全開的設(shè)計(jì)狀態(tài)。但在實(shí)際運(yùn)行工況下，風(fēng)機(jī)盤管通過供水閥通斷控制室溫，風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)通常處于非設(shè)計(jì)狀態(tài)，其變化過程十分復(fù)雜，尤其是采用二次泵的風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)，其非設(shè)計(jì)狀態(tài)的性能變化更為復(fù)雜。風(fēng)機(jī)盤管溫控閥隨機(jī)開關(guān)調(diào)節(jié)對(duì)水系統(tǒng)的流量和能耗以及其他設(shè)備的工作狀態(tài)有何影響？這是設(shè)計(jì)和管理人員十分關(guān)心的問題，也是亟待研究解決的一個(gè)技術(shù)難題。一些學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)1對(duì)一個(gè)小型風(fēng)機(jī)盤管一次泵水系統(tǒng)在冬季工況下干管閥門調(diào)節(jié)時(shí)的供回水溫差變化情況進(jìn)行模擬和試驗(yàn)分析；文獻(xiàn)2介紹了瞬態(tài)電磁閥總開啟率一定的情況下確定

3、風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)等效阻力系數(shù)變化范圍的方法；文獻(xiàn)3對(duì)風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)的通斷調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析，通過概率計(jì)算分析, 指出在某確定的中、高負(fù)荷率下, 末端通斷控制的風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)的阻力特性和總水量波動(dòng)不大。文獻(xiàn)2和3都對(duì)一次泵水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管溫控閥的開啟率與水系統(tǒng)流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行分析，但沒有考慮新風(fēng)機(jī)組的影響，也沒有對(duì)水系統(tǒng)能耗變化進(jìn)行分析。本文采用計(jì)算機(jī)模擬分析的方法，對(duì)一個(gè)采用二次泵的風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)在溫控閥調(diào)節(jié)的變工況條件下的性能和能耗的變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，為風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考。1 計(jì)算對(duì)象由于空調(diào)水系統(tǒng)變水量調(diào)節(jié)工況模擬計(jì)算的工作量很大，因此選擇一個(gè)小型的風(fēng)機(jī)盤管加新

4、風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為計(jì)算對(duì)象，該建筑物為一個(gè)三層辦公樓，層高3.2m，每層建筑平面相同，設(shè)置一臺(tái)新風(fēng)機(jī)和4臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管，各層設(shè)備和管道的布置相同,各設(shè)備間距5m。為了簡化計(jì)算，假設(shè)所有新風(fēng)機(jī)的型號(hào)相同，所有風(fēng)機(jī)盤管的型號(hào)也相同。新風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量為1000m3/h、額定冷量為5600W。風(fēng)機(jī)盤管為FP6.3、額定冷量為3600W?？照{(diào)水系統(tǒng)為二次泵系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管為雙管制，管路為異程布置，空調(diào)水溫為712。該空調(diào)水系統(tǒng)的流程簡圖和主要參數(shù)見圖1。每層的供回水總管以及每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)組的供、回水支管均設(shè)置一個(gè)手動(dòng)截止閥。水管的管徑按比摩阻限值為120Pa/m選取。一次水泵和二次水泵的型號(hào)相同。系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

5、為：系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，通過調(diào)節(jié)手動(dòng)截止閥，使空調(diào)設(shè)備流量均處于設(shè)計(jì)狀態(tài)。然后風(fēng)機(jī)盤管供水閥按照室內(nèi)溫度啟停調(diào)節(jié)，其他閥門不調(diào)節(jié)，新風(fēng)機(jī)組水路閥門不調(diào)節(jié)。二次泵水系統(tǒng)的二次泵通常是變頻的, 而一次泵水系統(tǒng)的水泵通常是定頻的, 為了分析水泵不變頻的情況下, 風(fēng)機(jī)盤管供水閥關(guān)閉的節(jié)能效果, 計(jì)算時(shí)一次泵和二次泵都按定頻考慮。2 計(jì)算方法簡介為了簡化計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況，作如下假設(shè)： 對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管、冷水機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、管道和閥門的阻力特性均滿足方程：PSG2。 供水管與其相應(yīng)回水管的阻力特性相同。 系統(tǒng)按壓力和熱力穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算。 不考慮溫差的自然壓頭，由于流速較低，也不考慮流體動(dòng)壓的影響。圖1 空調(diào)水系統(tǒng)流程

6、簡圖 風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)組的水溫均為712。 除了表1的計(jì)算外, 其它的計(jì)算均假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)過了初調(diào)節(jié), 在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，各回路均達(dá)到設(shè)計(jì)流量。圖2 風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉臺(tái)數(shù)和順序?qū)λ每偣β实挠绊懲ㄟ^計(jì)算和參考相關(guān)產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，每段管段的阻力為1kPa，每個(gè)閥門和三通的阻力為1kPa，水泵出口和入口管件的阻力均為10 kPa，風(fēng)機(jī)盤管的阻力為15 kPa，新風(fēng)機(jī)組的阻力為35 kPa。對(duì)水系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)列出質(zhì)量守恒方程，對(duì)所有管路列出壓力平衡方程，對(duì)風(fēng)機(jī)盤管、冷水機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、管道和閥門列出阻力特性方程，采用產(chǎn)品樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)插值擬合出水泵特性方程。然后采用計(jì)算機(jī)對(duì)所有方程進(jìn)行聯(lián)立求解，計(jì)算

7、出水系統(tǒng)各部分的流量和壓差以及水泵的軸功率。3 計(jì)算結(jié)果圖3 風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉比例和順序?qū)λ昧髁康挠绊憟D4 風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉比例和順序?qū)π嘛L(fēng)機(jī)流量的影響圖2圖4為風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉臺(tái)數(shù)不同、關(guān)閉位置不同對(duì)系統(tǒng)水泵功率、系統(tǒng)流量、新風(fēng)機(jī)組流量的影響。圖5為風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉的臺(tái)數(shù)不同、關(guān)閉的順序方向不同，對(duì)其他風(fēng)機(jī)盤管流量的影響，在三層4號(hào)風(fēng)機(jī)盤管流量計(jì)算時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管溫控閥的關(guān)閉方式采用關(guān)閉方式1，在一層1號(hào)風(fēng)機(jī)盤管流量計(jì)算時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管溫控閥的關(guān)閉方式采用關(guān)閉方式2。圖例中的編號(hào)均為風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉方式的代號(hào)，風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉方式1為 從最近處開始關(guān)，每次各層相同編號(hào)的3臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管同時(shí)關(guān)閉，直到全關(guān)；風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉方式2與

8、編號(hào)1相反，從最遠(yuǎn)處開始關(guān)。表1為手動(dòng)閥全開時(shí)系統(tǒng)中各設(shè)備流量不平衡的情況。表2和表3分別為最近和最遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)盤管溫控閥關(guān)閉后對(duì)其他設(shè)備流量的影響，表中的數(shù)值為某風(fēng)機(jī)盤管溫控閥關(guān)閉后其他設(shè)備流量比關(guān)閉前增加的百分?jǐn)?shù)。表4為最近和最遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉對(duì)系統(tǒng)性能影響的模擬計(jì)算結(jié)果。4 結(jié)果分析 初始狀態(tài)的水力平衡狀況分析圖5 風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉比例對(duì)未關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管流量的影響 由于風(fēng)機(jī)盤管等空調(diào)設(shè)備的阻力較大，通常認(rèn)為空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)現(xiàn)象并不嚴(yán)重，因此其空調(diào)水系統(tǒng)通常采用異程布置方式，也較少進(jìn)行水力平衡計(jì)算。但由表1可以看出，如果不進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)盤管異程水系統(tǒng)的不平衡情況比較嚴(yán)重，越近的地方流量越

9、大，最近處風(fēng)機(jī)盤管的流量比最遠(yuǎn)處大22.8%。以末端為基準(zhǔn)，同一層各風(fēng)機(jī)盤管的流量最大相差15.4%; 不同樓層之間相同位置設(shè)備的流量相差的比例基本相同。由于計(jì)算對(duì)象只是一個(gè)三層小樓，對(duì)于高層建筑其水力失調(diào)現(xiàn)象將更為嚴(yán)重。圖5 風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉比例和順序?qū)π嘛L(fēng)機(jī)流量的影響表1 閥門全開狀態(tài)下系統(tǒng)流量的不平衡率（）編號(hào)新風(fēng)機(jī)FC 1FC 2FC 3FC 4第三層015.410.35.10第二層3.219.113.88.53.2第一層6.422.817.411.96.4注：表中風(fēng)機(jī)盤管的百分比數(shù)值為以最遠(yuǎn)端風(fēng)機(jī)盤管（第三層第4號(hào)）的流量為基數(shù)計(jì)算出流量增加百分比，新風(fēng)機(jī)組的百分比數(shù)值為以最遠(yuǎn)端的新風(fēng)機(jī)

10、組(新風(fēng)機(jī)組3)的流量為基數(shù)計(jì)算出流量增加百分比。表2 最近處風(fēng)機(jī)盤管溫控閥關(guān)閉時(shí)其他設(shè)備流量增加率（）編號(hào)新風(fēng)機(jī)FC 1FC 2FC 3FC 4第三層3.33.33.33.33.3第二層3.33.33.33.33.3第一層4.9關(guān)6.26.26.1表3最遠(yuǎn)處風(fēng)機(jī)盤管溫控閥關(guān)閉時(shí)其他設(shè)備流量增加率（）編號(hào)新風(fēng)機(jī)FC 1FC 2FC 3FC 4第三層4.85.97.610.2關(guān)第二層3.23.23.23.23.2第一層2.92.92.92.92.9表4風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉對(duì)系統(tǒng)性能的影響設(shè)計(jì)總流量變化率總功率變化率一次水量變化率二次水量變化率三層4號(hào)關(guān)-6-0.6-0.4-1.9一層1號(hào)關(guān)-6-0.7-

11、0.3-2.1 風(fēng)機(jī)盤管溫控閥調(diào)節(jié)時(shí)水系統(tǒng)節(jié)能率分析風(fēng)機(jī)盤管溫控閥關(guān)閉率與水系統(tǒng)功率呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)盤管的總流量占系統(tǒng)總流量的72，當(dāng)風(fēng)機(jī)盤管全關(guān)閉時(shí)，其二次泵流量減少約50，總功率只減少18。這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)盤管全關(guān)閉時(shí)，如果一次水泵不變頻，則管道壓差增大，通過新風(fēng)機(jī)組的流量增大，新風(fēng)機(jī)組水側(cè)的流動(dòng)能耗增加，這使水系統(tǒng)的節(jié)能效果大打折扣。由圖2和表3可以看出，風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉率較小時(shí)，對(duì)系統(tǒng)總體性能和能耗的影響很小，關(guān)閉占總流量6的風(fēng)機(jī)盤管，其總功率只減少0.6%。當(dāng)關(guān)閉率很大時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)能耗的影響才比較明顯。 風(fēng)機(jī)盤管溫控閥調(diào)節(jié)對(duì)其他設(shè)備工作狀態(tài)的影響由圖2圖4和表4可以看出

12、，系統(tǒng)的總體性能與風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉率有關(guān)，而與風(fēng)機(jī)盤管開關(guān)位置基本沒有關(guān)系。由表2和表3可以看出，某一風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉將使其他設(shè)備的流量增加，它對(duì)同層其他設(shè)備影響較大，位置越近影響越大，但對(duì)其它層的影響較小，而且對(duì)其他層的不同設(shè)備的影響比例基本相同。5 主要結(jié)論對(duì)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)的空調(diào)水系統(tǒng)，在水泵不變頻僅通過風(fēng)機(jī)盤管溫控閥調(diào)節(jié)時(shí)的性能和能耗進(jìn)行模擬分析，得出了下列主要結(jié)論： 如果不采取初調(diào)節(jié)措施，風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)問題比較嚴(yán)重，對(duì)于所研究的小空調(diào)水系統(tǒng)，最近和最遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)盤管的流量最大相差達(dá)22.8%，因此這一問題應(yīng)引起重視，空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行水力平衡計(jì)算分析，尤其是高層建筑和水平距離較長的建筑

13、，另外空調(diào)水系統(tǒng)的初調(diào)節(jié)仍然是有必要的。 風(fēng)機(jī)盤管供水閥通斷控制是一種控制室溫、減少系統(tǒng)冷量或熱量損耗的方法，但如果水泵不采取配套的變頻措施，單純采用該調(diào)控方法對(duì)水系統(tǒng)的節(jié)能作用并不明顯。占設(shè)計(jì)總流量72的風(fēng)機(jī)盤管全關(guān)閉時(shí)，其二次泵流量只減少50，水泵總功率只減少18。風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉率較小時(shí)，關(guān)閉率對(duì)系統(tǒng)總體性能和能耗的影響很小，關(guān)閉占總流量6的風(fēng)機(jī)盤管，其總功率只減少0.6%。當(dāng)風(fēng)機(jī)盤管的關(guān)閉率很大時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)能耗的影響才比較明顯。因此風(fēng)機(jī)盤管的變流量調(diào)節(jié)方式只有配合水泵變頻調(diào)節(jié)才能顯著減少水系統(tǒng)的能耗。 水系統(tǒng)的總體性能（總流量、水泵能耗等）與風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉率有關(guān)，而與風(fēng)機(jī)盤管開關(guān)位置基本沒有關(guān)系。因此在進(jìn)行空調(diào)水系統(tǒng)水泵性能和能耗的計(jì)算分析時(shí)，可以只考慮風(fēng)機(jī)盤管的關(guān)閉率，不考慮其具體位置，這樣可以避開風(fēng)機(jī)盤管開關(guān)位置隨機(jī)性變化的復(fù)雜問題，使系統(tǒng)的計(jì)算和分析工作大大簡化。 風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉對(duì)其同層的其他設(shè)備影響較大，位置越近影響越大, 對(duì)其它層的影響較小，而且對(duì)其他層的不同設(shè)備的影響比例基本相同。風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)水系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)的工況變化十