空调水系统设计中水泵设备的计算机选型

454空调水系统设计中水泵设备的计算机选型冯小平1，3吴航明2龙惟定31.江南大学土木工程系，江苏，无锡，214122；2.江南计算技术研究所，江苏，无锡，2140013.同济大学中德工程学院，上海，200092摘要：水泵是供热空调系统中的关键设备，人工选择只能对有限几台水泵进行选择，难以选出最优水泵。本文依据水泵特性方程特点及其个体特性方程与类型特性方程之间的变换数学模型，介绍了水泵选型原理、水泵信息在计算机内的存贮和用计算机实现水泵优选的方法，并在某工程的空调系统设计中得以应用。关键词：水泵；优选；供热空调系统设计OptimizationofwaterpumppatternintheDesignofCentralHeatingandAir-ConditioningSystemFENGXiao-Ping1，3Wuhangming2Longweiding3(1.DepartmentofCivilEngineering,SouthernYangtzeUniversity,Wuxi,214122,China;2.MechanicalEngineeringSchool,TongjiUniversity,Shanghai,200092,China；3.Sino-GermanSchoolofAppliedSciences,TongjiUniversity,Shanghai,200092,China；Abstract:Waterpumpisthekeyequipmentinthewatersystemforthecentralheatingandair-conditioningsystem.Itisdifficultytoselectoptimalwaterpumpusingartificialmethod.Basedonthecharacteristicsofthewaterpumpperformanceequationandthemathematicalmodelofthetransformbetweenindividualandtypeperformanceequation,theprincipleofoptimizationofwaterpumptypeisintroducedandthemethodsofstoringwater-pumpmessageincomputerandoptimizingwaterpumppatternarepresented.Theprogramdevelopedbythemethodswasappliedinapracticalengineering.Keywords：Waterpump;Optimization;Centralheatingandair-conditioningsystemdesign0引言水泵的选择是空调水系统设计的主要内容之一。水泵的选择的合理如何，直接影响到系统运行的安全性和经济性。目前可供选择的水泵的型号较多，能满足系统运行的水泵往往有多种。使用传统的人工方法选择水泵设备，很难将所有的水泵都考虑进去。而使用计算机选择水泵，便于让各种类型的水泵都参与比较，选择最佳的水泵。1水泵工作特性的数学描述水泵运转时，其工作压力H、轴功率N和效率η与工作流量Q之间的函数关系。这些关系在坐标图上用曲线来表示，也可用n次多项式表示。其水泵特性方程可以使用最小二乘法和拉格郎日插值法等方法确定[1][2]。*江苏省建设厅科技计划项目（锡建总（2002）第15号）4552水泵特性方程之间的变换对统一类型的水泵，其主要工作参数（压力、流量、功率和效率）之间服从比例定律。从一台水泵的个体特性曲线，利用比例关系可以求出另一台同类型的个体特性曲线，还可以求出该类水泵的类型特性曲线。若已知某水泵的类型特性曲线，也可以求出该类水泵特定转速和直径条件下的个体特性曲线[1]。2.1水泵个体特性方程与类型特性方程之间的变换根据水泵理论，对于某一类型的水泵，其压力系数H、流量系数Q、效率系数、功率系数N之间与个体水泵工况点之间的存在下列函数关系。2uhH（1）uDqQ24（2）3241000uDNN（3）h—同类型个体水泵的压力，Paq—同类型个体水泵的流量，m3/sN—同类型个体水泵的功率，Kw—流体的密度，kg/m3u—动轮外缘的圆周速度，m/s,60Dnu（4）将式（4）代入式（1）、（2）、（3），可得：22365nDhH（5）nDqQ33.24（6）NnDN358869808（7）2.2类型压力与个体压力特性方程之间的关系用二次方程式（8）描述水泵的类型压力方程2210QaQaaH（8）456同类型的个体水泵，当转数为n,直径为D时压力特性方程为式（9）2210qAqAAh（9）令36522nDKh33.24nDKq则可推导出hKaA00qhKKaA11222qhKKaA一般式为：2,1,0iKKaAiqhii（10）2.3类型效率与个体效率特性方程之间的关系用二次方程描述水泵的类型效率方程2210QbQbb（11）同类型的个体水泵，当转数为n,直径为D时效率特性方程为2210qBqBB（12）使用同样的方法，可得出一般式（20）:2,1,0iKbBiqii（13）3水泵选型及工况点计算3.1水泵优选原理用计算机进行水泵优选必须把所有的水泵信息，如水泵型号、尺寸、特性数据等，存贮到计算机中并让计算机能够进行识别。人工选择水泵通常是用比较判断法。根据系统的压力和流量要求，用图解法或查表法对所有的水泵进行判断，看是否满足系统设计的需要，并比较其工况点参数，以选择最合适的水泵。用计算机选择水泵则通常采用筛选法，即把不满足系统要求的水泵筛去。然后求出入选的水泵工况点参数，再进行比较，选出最优水泵[2]。对水泵进行选型，必须首先明确选型标准。选出的水泵应满足下列要求：（1）入选水泵必须满足在最不利情况下系统的压力、流量要求。（2）水泵的工况点必须位于其合理工作范围以内。（3）在满足上述要求的前提下，入选水泵的功率应尽可能小，以便尽可能地降低运行能耗。因此，功率最小就是水泵优选的标准。3.2水泵信息在计算机内的存贮（1）水泵型号的存贮为便于计算机的识别，用代码表示水泵的型号。各类水泵的型号代码尽量与型号实用457字符一致。每一类水泵用一个代码，如单级单吸清水离心泵IS65-50-160的代码为IS65_50_160，对管道泵如ISG200-400用代码ISG200_400表示。（2）水泵直径和转速的存贮各类水泵的直径和转速，取自《产品样品》中所列的标准和标准转速。按表1所列格式的存贮在计算机内，其中的序号为水泵类型序号，与水泵型号的排列次序一致，以便计算机查询。表1水泵参数表序号标准直径数标准直径（mm）标准转速数标准转速（r/min）14125，160，200，25021450，2900…根据表1所列的数据，计算时可查出对应于任意类型、直径、任一转速的个体水泵。（3）水泵特性数据的存贮水泵的类型特性方程与同类型水泵的个体特性方程可以相互变换。为减少数据输入量，节约计算机内存，计算机只存贮各类水泵的类型特性方程。在选择计算时按式（10）和式（13）求出任一台个体水泵的特性方程。各类水泵的三个特性方程中，只需知道压力特性方程和效率特性方程即可，因此计算机可以只存贮各类水泵压力特性方程和效率特性方程的系数。各类水泵的压力特性曲线的合理工作段和效率曲线，用二次方程进行描述可得到足够的精度。因此，对于压力特性方程和效率特性方程可以用二次多项式。根据上述原则，将各类水泵的特性曲线，用最小二乘法拟合成二次方程，得到水泵压力特性方程和效率特性方程的系数。按表2的格式存贮。表2水泵类型压力特性方程和类型效率特性方程的系数序号类型压力特性方程系数类型效率特性方程系数常数项0a一次项1a二次项2a常数项0b一次项1b二次项2b（4）其它数据为了控制和掌握各类水泵的合理工作范围，需要确定各类水泵的类型压力曲线的合理工作段的上、下界点。可以使用上界点的压力和流量，下界点的流量对各类水泵的合理工作范围进行限定。其参数均采用无因次量，即压力用压力类型系数H，流量用类型流量系数Q458来表示。计算时可式（5）和式（6）换算成同类型个体水泵的压力和流量。表3水泵特性曲线特征点数据序号最大压力（Pa）上界点下界点的流量dQ流量uQ压力uH3.3用计算机优选水泵的方法和步骤采用筛选法选出能满足系统压力和流量要求的若干台“可用”水泵，并计算出各水泵的工况点参数。然后，将这些水泵按功率大小进行排序，并进行分类处理，即将同型号、同直径的水泵划归一类。再将各类水泵中功率最小的一台水泵记录下来，可得出一组水泵，这些水泵都能满足系统压力和流量要求，且在同类水泵中功率为最小。“可用”水泵是指能满足系统压力mH和流量mQ要求的个体水泵。选择的依据是水泵应负担的压力)2.1~1.1(mJJHHH和流量))1.1~05.1((mJJQQQ。在水泵的选择过程中，以类型、直径和转数组成多重循环，使各类水泵的所有个体水泵都参加比较，进行筛选，逐步把不满足JH和JQ的水泵筛去，最后剩下的水泵都是“可用”水泵。具体比较和筛选步骤如下：（1）将各类水泵的最大压力与JH比较，若小于JH，则该类水泵全部筛掉。（2）初步划定各台水泵的合理工作区，用上界点压力uH和下界点流量dQ限定，将JH与uH，JQ与dQ进行比较，若某台水泵的dQJQ，或uHJH，则将坐标点),(JJQHM位于矩形ACIOA以外的水泵筛去（如图1）。356/22DnHHuu（14）3.24/3DnQQdd（15）式中uH—水泵压力特性曲线合理工作区上界点无量纲压力，PadQ—水泵压力特性曲线合理工作区下界点无量纲流量，m3/s4590图1水泵合理工况选择示意图（3）对通过了上两步筛选的水泵，求出水泵压力－流量特性方程，即求出各台水泵压力－流量特性方程的系数。（4）求水泵的工作阻力数S。2/JJQHS(16)（5）求出水泵的个体特性方程后，用JQ计算各水泵对应于JQ的压力值)(JfQH，若JJfHQH)(，则将该水泵筛去，这时虽然有JuHH，JdQQ，但坐标点),(JJQHM落在水泵特性曲线的外侧，故应筛去。（6）为了限制入选水泵的功率，规定入选水泵的工况点流量不得大于1.3倍的JQ。因此要把工况点流量大于1.3倍的JQ水泵筛去，即把2)3.1()3.1(JJfQSQH的水泵筛去。（7）通过了以上各步筛选的水泵，皆为入选的“可用”水泵。逐台求出其工况点参数。实际上就是求个体水泵压力－流量特性曲线和工作阻力数曲线的交点，即个体水泵压力－流量特性方程和阻力特性方程的根。0)()()(22102ffffffQSAQAASQQHQf的根，求出fQ水泵的工况点压力：2210fffQAQAAH水泵的工况点效率为2210ffQBQBB460输出计算结果选出满足压力流量要求转数分类按功率大小排序选出满足Hj和Qj的给Hj和Qj赋值主界面开始建立原始数据文件且功率最佳的水泵可用水泵按型号、直径和图2计算机程序框图水泵的工况点功率为tffHKQN1000式中：K－功率备用系数，取2.1K；fQ－水泵工况点流量，m3/s；fH－水泵工况点压力，Pa；t－水泵的传动效率。（8）将入选水泵的型号、直径、转数、工况点压力、流量、功率和效率等参数记录下来。一般情况下，能满足系统要求的水泵往往有若干台，需综合考虑各台水泵的功率、效率、调节性能、价格等技术和经济指标，结合具体情况，从入选水泵中确定出一个最优水泵。4、计算机程序的编制根据上述算法，可以编制出计算机程序。程序框图见图2[3].5水泵设计选型实例某广场4号楼，地下一层,地下二十七层，总建筑面积为35600m2，其中裙房三层,客房为4~15层,办公为16~27层。本工程采用集中空调系统，夏季空调冷负荷为4600Kw,冬季热负荷为3600