空调水输配系统管网特性仿真模拟与优化

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1、空调水输配系统管网特性仿真模拟与优化戴　红　魏业香　唐　英（中国市政工程西南设计研究总院，四川成都，６１００８１）摘　要　建立了典型的集中空调水系统管网系统模型，并且对管网各个环节进行了仿真模拟，得到了系统各个环节的压力分布图、速度分布图等，分析了整个管网的输送及分配特性。在明确了各个管段和用户的负荷需求与变化后，通过分析定压和变压系统水泵功率和流量的关系，以及不同水泵组合模式对效率的影响，指明了最大程度上优化管网特性的方法与途径，从而节约水输配系统能耗。关键词　输送能耗　分布图　水泵变频　高效０　引言　　综合建筑中，中央空调系统耗能占建筑总能耗可达50

2、%左右，有些甚至更高，而系统的循环水泵耗电量，又占空调系统耗电量的20%左右，即循环水泵耗电量占整个建筑总耗电量的10%左右，这是一个非常可观的数字【1】。因此，对空调系统的正确合理设计是当前节约能源的重要途径。但是从目前的实际情况来看，设计人员往往是根据设计负荷，即最大负荷来选择机组和水泵等设备，这就使机组和水泵绝大部分时间处于“大马拉小车”的状态，其效率自然很低。也由于这个缘故，导致系统的流量分配不合理，出现大流量小温差的现象，实际流量比设计流量增大不少，进一步加大了能耗。１　典型集中空调水系统管网系统模型构建　　该工程为一典型户式中央空调水系统，见

3、图1，经调试可以正常运行，其空调设计夏季冷负荷为22.6kW，室外机正常的工作压力为0.5MPa。下面用flowmaster2建立它的管网模型，通过对管网每个环节进行模拟，得出精确的压力和流速分布，从而检验此系统运行工况下是否可靠安全、经济合理。１.1　建立模型　（１）选取上面系统图中的最不利环路1-2-3-4-5-6-7-8-9为对象；　（2）为了简化，这里将局部阻力损失当成沿程阻力损失，即ξ/λ=L/D，其中L为弯头的当量长度，D为管道内径；ξ为弯头的局部阻力系数，λ为管道沿程阻力系数；　（3）忽略系统的换热效果，所有用户及换热器均用压力损失元件模拟

4、，并且在分支处设压力源和流量源【2】；图1　空调水系统图1.2　参数设定　（１）压力源模拟系统正常运行时的工作压力，根据系统的各支路末端设备的工作流量来设定各结点的流量源，并且规定数值的流入为正，流出为负；　（２）管道绝对粗糙度取0.2mm，各节点标高取系统实际标高值。２　输送及分配特性仿真研究通过上午9点系统部分负荷运行工况和下午2点系统额定工况两种情况，对该系统进行模拟分析，即可得到整个管网内的水系统在两个时刻稳态运行状态下各管段内的速度分布和压力分布，其结果分别见图2、图3、图4和图5【3】。图2　上午9点各管段流速分布图3　上午9点各管段压力分布

5、由图3可知，即使系统在部分负荷运行工况下，系统末端仍有很大余压，这主要是由于水泵选型基于额定工况，因此，如何通过改变水泵流量与扬程来适应空调负荷的变化，将对系统节能效果产生很大影响。３　输送及分配特性优化图4　下午2点各管段流速分布图5　下午2点各管段压力分布３.1　变频水泵的变频原理　　根据水泵相似定律，流量Q、扬程H、轴功率N和转速n的关系如下：Q1/Q2=n1/n2（1）H1/H2=（n1/n2）2（2）　　N1/N2=（n1/n2）3（3）　　将上式（3）代入（1），得到水泵转速与流量的三次方成正比，即当流量为额定流量的一半时，水泵消耗功率为额定

6、功率的1-（0.5）3=87.5%，可见采用变频控制水泵流量与扬程可达到节能的效果【4】。其原理图如图6：S为管路特性曲线，1、2点对应水泵变频前后的状态点。　　值得一提的是，在定压空调系统，即供回水压差不随工况变化的系统中，水泵不满足相似定律中的运动相似和动力相似这两个条件，即其变工况和额定工况不相似，那么流量与功率之间的关系如何，还要做进一步的分析。图6　水泵变速调节原理图3.2压差控制系统变频水泵能耗分析考虑把压差的测量点不设在冷冻机房内的供回水主管道上,而是移到最不利环路的管道上，虽然测点之间的压差维持恒定,但对整个空调水系统来说,压力是变化的,

7、水泵的扬程也是变化的,因此能取得更好的节能效果。　　由水泵的有效功率计算公式：　　N=ρgQH/1000（4）　　式中：N为水泵的有效功率，kW；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8m/s2；Q为水流量，m3/s；H为扬程，m。　　式（4）表明水泵功率与流量的一次方成正比。在压差控制系统中，水泵的运行工况变化如图7所示。如图７所示，S1为最不利环路末端设备及其支路（假设为1段）的综合管路阻力系数；S2为其余管路（假设为2段）的综合阻力系数；S为系统总综合阻力系数，H1为末端定压差控制的压差设定值，A点为系统设计工况下水泵的运行工况点。在最大负

8、荷时，1段的特征曲线为S1曲线，2段的特性曲线为S2曲线。当用户端负荷减小时，末