建筑供热系统供回水压差控制值的计算方法

建筑供热系统供回水压差控制值的计算方法—供热水泵转速的控制摘要越来越多的集中供热小区的二级供热水泵安装了变频装置，通过变频装置调节水泵转速以保持系统所需的供回水压差、回水温度或循环水量。供回水压差、回水温度以及循环水量的控制值往往被设为定值，或根据室外空气温度变化来设定，目前国内外有些建筑供回水压差控制值是根据循环流量设定的。然而很多情况下，这些控制值不是因为太小而无法保证供热系统对供回水压差的需求，就是因为太大而导致无用能耗。本文分析比较了供热水泵转速控制的几种方法，其中由循环水量决定建筑供热系统供回水压差控制值的方法反映了建筑热负荷的变化，因而要比其它方法节能。本文还给出了该方法的详细计算过程。关键词供热系统供回水压差变频装置水泵转速TheHeatingHotWaterBuildingDifferentialPressureSetpointCalculation－HeatingHotWaterPumpSpeedControlChenggangLiu1，HaifengHuang1，Heinz-AxelGuo2(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011,China；2.KlimasystemtechnikCo.,Ltd,Kunshan215300,China)AbstractMoreandmorevariablefrequencydevices(VFD)arebeinginstalledonbuildingheatinghotwaterpumpsincentralheatingdistricts.Thosepumpspeedsarevariedtomaintainhotwaterbuildingdifferentialpressure(DP)orreturntemperatureorflowrateattheirsetpoints.ThehotwaterDPsetpointorreturntemperaturesetpointorflowratesetpointwasaconstantvalueorresetbasedonoutsideairtemperature.Insomebuildings,thehotwaterDPsetpointswereresetbasedonflowrate.ButinmanyinstancesthosesetpointscheduleswereeithertoolowtomaintainenoughbuildingDPrequirementortoohighandconsumedexcessenergy.Amongthepumpspeedcontrolmethodscomparedinthispaper,thebuildingDPresetschedulebasedonflowratesavesenergythantheothermethods,becauseitisachievedbytrackingtheloadchange.AlsothedetailedcalculationprocedureforthebuildingDPresetschedulebasedonflowrateisgeneratedinthepaper.Keywords:Heatingsystem；DifferentialPressure(DP)；VariableFrequencyDevices(VFD)；PumpSpeed0引言在供热水泵上安装变频装置可以调节供热水泵的转速，从而保持建筑供热系统所需的供回水压差、回水温度或者循环水量。供热水泵变频调速运行与定速运行相比，具有以下优点：1、在建筑部分热负荷条件下，耗电量要比水泵定速运行时小得多；2、可以防止供热系统超压，从而大大减小水泵的维修率以及控制阀和系统的漏水量。因此，在集中供热的建筑小区中，变频装置作为有效的节能手段，已在越来越多的二级供热水泵上得到了使用[1]。然而很多情况下，由于决定变频水泵转速的控制值没有得到合理的确定和计算[2]，变频系统的节能效果远未能充分、有效地发挥。1供热水泵转速控制方案比较江苏省建设厅科技项目（编号：JS2007JH01）多数情况下，供热水泵变频装置的作用是用来改变水泵转速以维持建筑供热系统供回水压差在其控制值（即供热系统供回水压差控制值，以下简称“压差控制值”）[3,4]。图1给出了建筑供热系统的供回水压差控制原理，能源管理系统接收供回水管上压力传感器发送的信号，在将测定压差值与设定的压差控制值做比较后，对变频器和可调总控制阀的控制器发出相应指令，其控制逻辑[5]如下：①当小区热网供回水压差高于建筑供热系统压差控制值时，能源管理自控系统会将水泵自动关停，利用小区热网水压满足建筑供热要求。同时，利用建筑供热系统总控制阀来控制供回水压差，并协助小区供热管网的压力平衡。②当小区热网供回水压差低于建筑供热系统压差控制值时，供热系统总控制阀完全打开，水泵自动启动，并利用变频装置控制供回水压差。可见，压差控制值的设定大小将直接影响水泵的运行状态，从而也会影响系统的节能效果。目前主要有以下几种设定方法：1)将压差控制值设定为恒定值。为保证系统最大负荷时的安全运行，应将此时运行所需的供回水压差作为压差控制值，此设定方法虽然简单，但当系统在部分负荷运行时，会导致较多的能量浪费，因此不推荐采用。2)根据环境温度来确定供回水压差控制值。此法适用于建筑热负荷主要取决室外空气温度的情形，即围护结构热负荷占建筑热负荷的主导地位的建筑。表1是某建筑供热系统根据室外空气温度设定压差控制值的例子，显然这是一种易于操作的方法，但对于内热源较大的建筑（如体育馆，实验室、数据中心等），用这种方法控制水泵的转速是不经济的。表1某建筑供热系统压差控制值室外空气温度（℃）10152132压差控制值（KPa）6956.241.6283)根据供热单元上的控制阀开启度控制水泵转速。图2为通过保持各供热单元控制阀开启度处于设定值（如95％）来控制水泵转速的逻辑原理：能源管理系统监测所有控制阀开启状态，并把阀门最大开启度要求预先置入其水泵转速控制回路中，控制回路可以对水泵变频控制器输出指令信号。当小区供热管网压力足以维持阀门最大开启度时，关闭水泵，并由建筑总控制阀来维持阀门开启度处于设定值。此控制方法能较好地保证供热系统运行节能性，但如果系统某一控制阀失灵而不能全部开启，或被人为地完全开启，在问题得到完全解决前，水泵将保持全速运转，因而会造成大量无用能耗。建筑热负荷能源管理系统控制器控制器变频器水泵PP总控制阀图1.变频水泵控制供热系统供回水压差图2.供热单元控制阀开启度控制水泵转速总控制阀水泵能源管理系统变频器供热单元1控制器控制器单元2供热控制器供热单元3控制器4)根据循环水量确定压差控制值。图3表示了系统循环水量与所需压差的关系：A点是建筑较高热负荷时的水泵工作点，当负荷减小时，循环水量减小，变频水泵也随之降低转速，使水泵工作点从A沿着系统特性曲线移至B，从而维持系统此时所需较低的供回水压差。供热系统循环水量和供回水压差间存在的定量关系，为循环水量法确定压差控制值提供了可操作性。压差控制值可按式（1）计算：2kQDPsp(1)式中DPsp－压差控制值（Kpa）；Q－系统循环水量（m3/h）；k－供热系统特性系数。实际工程中，供热系统的特性系数k可按式（2）计算：2maxmax/QDPk(2)式中Qmax－系统最大热负荷时的循环水量（m3/h）；DPmax－当循环水量达到Qmax时测出的供回水压差（Kpa）。建筑热负荷增加或减少时，循环水量将随之相应地增加或减少，根据式（1），压差控制值也会随之变化。因此，循环水量法确定压差控制值与其它方法相比，能客观、准确地反映建筑热负荷的变化，可以更大程度地发挥变频泵的节能效果。2循环流量法压差控制值的计算方法2.1计算准备分析式（1）、式（2）可知，由循环流量计算压差控制值，关键在于系统特性系数k的确定，这需要测定在建筑设计热负荷条件下（各供热末端装置均达到设计水量和压降时）供热系统的总循环水量和供回水压差值。为此，在计算k值之前，须完成下列事宜：1)实测准备：①熟悉供热系统，清楚控制阀、平衡阀，流量计和压力传感器等位置；②检查供热系统流量计和压力传感器工作是正常；③确保水泵运行状态良好；④排除管道系统中的空气；⑤反冲洗供热末端装置。2)供热末端装置设计值资料准备：①了解各供热末端装置的设计水流量和设计压降；②供热末端装置的实际流量将通过其压降计算出来；③如果水泵流量小于末端装置总循环水量，应以式（3）修正末端装置的设计压差值：desupcorDPQQDP2)/(（3）式中DPcor－供热末端装置设计压差修正值（Kpa）；DPdes－供热末端装置设计压差（Kpa）；Qp－水泵流量（m3/h）；∑Qu－供热末端装置总循环水量（m3/h）。2.2供热系统水力平衡调试供热系统水力平衡调试应使系统中所有末端装置基本达到且不超过设计负荷的状态，其目的是保障系统最佳节能效果，调试步骤如下：1)完全打开建筑供热系统总控制阀、手动阀，完全打开每个供热末端装置的热水控制阀、平衡阀和手动阀；2)将循环水泵转速调到100%；图3.变频水泵工作原理供回水压差（DP）A循环水量（Q）水泵特性曲线系统特性曲线B90％70％3)测量距离水泵最近的末端供热装置的压降，如果泵房在建筑的下部，第一个末端装置可能在地下室或一楼。比较测量得到的末端装置的供回水压差和其设计压差，如果测量压差高于设计压差，调节该末端装置的平衡阀使其达到期望压差。如果没有平衡阀，可以用调节控制阀代替；4)和步骤3相同，对这层楼的其余供热末端装置进行压差测量，并进行必要的水力平衡；5)对该建筑中的其它楼层上的供热末端装置，重复步骤3至步骤4，进行压差测量和水力平衡，直到顶层为止；6)测量系统最后一个供热末端装置（位于建筑顶层或屋顶）压差，这个压差值应该等于或高于其设计值，如果测量的压差高于设计值，降低水泵的转速使测量压差等于或接近设计值；7)重复步骤3至步骤6，直到所有供热末端装置测量压差与其设计值接近。如果在步骤6中降低了水泵转速，从一楼到顶楼当中的某些末端装置的测量压差可能低于其设计值。在这种情况下，首先要通过打开末端装置的平衡阀来增加其压差，使其达到设计值，如果平衡阀完全打开时的测量压差仍然低于设计值，就需要提高水泵转速来增加其压差，并且重新进行水力平衡。2.3压差控制值计算1)通过水力平衡调试，所有供热末端装置测量压差与设计值一致时，分别读取供热系统的总循环水量、系统的供回水干管压力；2)根据式（1）和式（2）以及测量所得数据，建筑供热系统热水压差控制值按式（4）计算：addblrsspPQQPPDP22)(（4）式中DPsp、Q－同式（1）说明；Ps－供水干管压力（Kpa）；Pr－回水干管压力（Kpa）；Qbl－系统水力平衡调试后总循环水量（m3/h）；Padd－压差控制值的附加压力，用以满足各个控制阀实现控制热水流量的需要，根据工程经验取值范围为5～10Kpa。结论1)用建筑供热系统循环水流量决定系统的供回水压差控制值的水泵转速控制方案，可以客观、准确地反映建筑热负荷的变化，因而比其它转速控制方案更节能。2)在对建筑供热系统水力平衡调试，并测定系统总循环流量和供回水压差值后，可以计算得到系统供回水压差控制值。参考文献[1]郭曙光.两级供热管网系统中水泵的变频调速控制模式[J].节能,1997(6):19-21[2]LarryTillack,JamesB.Rishel,etal.ProperControlofHVACVariableSpeedPump[J].ASHRAEJournal,Nov.1998:41-47[3]C.Liu,HomerL.Bruner,etal.TheChilledWaterandHot