CN1605809A - 无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，由两大部分组成：冷却水泵P₂、冷水机组CH₁的冷凝器C和冷却塔CT组成的无电动双通阀冷却水系统；由冷水机组CH₁的蒸发器E、冷水泵P₁、分水器DW、多个开关阀K、多个空调末端AHU(空气处理机、或风机盘管)、集水器CW组成的无电动双通调节阀的冷水系统。由于本发明上提出的空调水系统没有电动双通阀及其控制系统，水泵时时自发地在最节能的全相似工况运行，根据总的综合阻力系数S_t恒定不变原理，系统的构成、控制简单，投资节省，节能效果显著，节能理念新颖。因此，本发明的推广使用，必将产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。

Description

无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统

技术领域

本发明涉及舒适性中央空调系统，特别适用于一种无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统。

背景技术

空调是现代文明的产物，它已成为人们生活中不可或缺的设施了，但空调是耗能的，而且是耗能大户。现在，能源是关系我国现代化建设全局和国家安全的重要战略资源，特别是处在尖锐的能源供需矛盾的风口浪尖的空调行业，节能技术的推广就显得格外重要。

空调，特别是舒适性中央空调的负荷是随季节、时间、气候、设备、人员数量的增减时时变化的。为了跟踪负荷的变化，在组合式空调器上和新风机组上通常采用带电动双通调节阀的温度自动控制系统。当空调负荷发生变化引起送风温度(或回风温度)偏离设定值时，控制器根据偏差的大小，控制电动双通调节阀的开度，改变输入到盘管的水量，使空调器或新风机组输出的冷(热)量和空调负荷相适应，使被控温度又回到设定值附近。风机盘管空调器跟踪房间负荷的变化是采用带开关阀的温度控制系统，通过风机盘管空调器时均水流量产生的制冷(热)量是和房间冷(热)负荷相适应的。为了减小并联空调末端调节出力时相互干扰。通常中央空调系统在负荷侧采用定压、变流量控制系统。根据调节阀选择的原理，在设计工况电动双通调节阀上的压降约等于盘管上的压降(即选取阀权度为0.5，推荐阀权度为0.3～0.7)。这就是说，即便是电动双通调节阀选择非常合理，设计工况时在一个有调节阀的空调水系统的支路中，水泵输送功约有一半消耗在电动双通调节阀上。而空调系统99％的时间是在75％负荷率以下区段工作的，季节平均负荷率只有58％(参见文献：曹琦.部分负荷综合值IPLV的含义.制冷空调与电力机械，2003；曹琦.系统思考变频泵的应用.空调暖通技术(上海暖通技术交流网刊物)，2004-1 p9～11)。经计算，在平均负荷率下，有电动双通调节阀的定压变水量空调水系统的支路中，水泵输送功约有83.2％消耗在电动双通调节阀上。从以上对现有空调水系统应用控制技术的分析，不难理解现有空调系统设计，是按专业模块、按一个一个元件的功能进行“片面思考”的理念所构成。系统的设计普遍采用大保险系数，因而造成设备大马拉小车，在低效率、高能耗状态运行，引起能源的极大浪费。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种不仅能使空调水系统的水泵的装机容量降低10％～30％，而且能使水泵时时在最节能的全相似工况运行，可以大大降低水泵的运行能耗的无电动双通调节阀的节能型舒适中央空调系统。

实现发明目的的技术方案是这样解决的：无电动双通调节阀的节能型中央空调系统由两大部分组成：冷却水泵P2、冷水机组CH1的冷凝器C和冷却塔CT组成的无电动双通阀冷却水系统；由冷水机组CH1的蒸发器E、冷水泵P1、分水器DW、众多的开关阀K、众多的空调末端AHU(空气处理机、或风机盘管)、集水器CW组成的无电动双通调节阀的冷水系统。冷却水系统中有冷却水进出水管上的两个温度变送器T和流量变送器F构成的瞬间冷却符荷信息提取系统，有冷却水进出水总管上的两个温度变送器T和冷却水泵P2驱动变频器IV组成的冷却负荷跟踪控制系统和冷却水泵P2两端的压差变送器ΔP和流量传感器F组成冷却水系统总流动阻力测量系统。冷水系统中有冷水进出水总管上的两个温度变送器T和流量变送器F构成的瞬间冷符荷信息提取系统，有冷水进出水总管上的两个温度变送器T和冷水泵P1驱动变频器IV组成的冷负荷跟踪控制系统，冷水泵P1两端的压差变送器ΔP和流量传感器F组成冷水系统总流动阻力测量系统以及各末端设备AHU前的开关阀K组成构成的空调末端不运行即关闭的节能控制系统。无电动双通阀节能型舒适性中央空调系统技术方案特点在于，用“系统思考”的理念，从无电动双通阀节能型中央空调系统的整体全局设计构筑每一个子系统的功能和子系统间的关联，从而使系统整体的结构、运行更为合理、自然、协调，涌现出传统空调水系统无法企及的新的特性：无电动双通调节阀、显著的节能效果和简约的系统结构。

本发明与现有技术相比，去掉造价较贵、又有控制要求并消耗比较大的水泵输送功率的电动双通调节阀。无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调控制系统，不仅能使空调水系统的水泵的装机容量约降低10％～30％，而且能使水泵时时在最节能的全相似工况运行，可以大大降低水泵的运行能耗。据计算，在满足同样负荷的前提下，无电动双通调节阀水支路的泵能耗，仅仅是有阀水支路的泵能耗的11.3％，节能的效果相当显著，同时使控制系统大大简化。本发明不仅可以用到新设计的舒适性中央空调系统上，也可以用于老的空调系统改造上。据介绍，我国在运行的空调系统99％都是不节能的，本专利的系统的构成、控制技术方案如果在老的空调系统改造中推广应用，也将产生巨大的节能效果。总之，本发明的推广应用，必然能够取得可观的经济效益、社会效益和环境效益。

附图说明

图1为本发明的无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统流程图。

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例。

下面结合附图对本发明的具体内容作进一步说明：参照图1所示，无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，它由两大部分组成：冷却水泵P2、冷水机组CH1的冷凝器C和冷却塔CT组成的无电动双通阀冷却水系统；由冷水机组CH1的蒸发器E、冷水泵P1、分水器DW、众多开关阀K、众多的空调末端AHU(空气处理机、或风机盘管)、集水器CW组成的无电动双通阀冷水系统。冷却水系统中有冷却水进出水管上的两个温度变送器T和流量变送器F构成的瞬间冷却符荷信息提取系统，有冷却水进出水总管上的两个温度变送器T和冷却水泵P2驱动变频器IV组成的冷却负荷跟踪控制系统和冷却水泵P2两端的压差变送器ΔP和流量传感器F组成冷却水系统总流动阻力测量系统。冷水系统中有冷水进出水总管上的两个温度变送器T和流量变送器F构成的瞬间冷符荷信息提取系统，有冷水进出水总管上的两个温度变送器T和冷水泵P1驱动变频器IV组成的冷负荷跟踪控制系统，冷水泵P1两端的压差变送器ΔP和流量传感器F组成冷水系统总流动阻力测量系统以及各末端设备AHU前的开关阀K组成构成的空调末端不使用即关闭的节能控制系统。无电动双通阀节能型中央空调系统技术方案特点在于，用“系统思考”的理念，从无电动双通阀节能型中央空调系统的整体全局设计构筑每一个子系统的功能和子系统间的关联，从而使系统的结构、运行更为合理、自然、协调，涌现出传统空调水系统无法企及的新的特性：无电动双通调节阀、显著的节能效果和简约的系统结构。

本专利发明人在先200410073119.8的申请专利中，用“系统思考”的理念，从理论上已经证明并提出了在阻力平方区，水路系统中任何阻力元件的综合阻力系数S(管道的综合阻力系数Si或局部阻力元件综合阻力系数Sj)只和其几何参数有关，而和通过它的流量大小无关的新的理念。

这个理念深刻的涵义在于，对于任何复杂的水路系统，和电路一样，可以通过计算，求得水系统总的综合阻力系数St，而St也只和水系统中的各个阻力元件的几何参数有关，和系统总的流量Lt无关。系统中阀门开度的改变，也就是阀门这个局部阻力元件的几何参数发生了改变，它的综合阻力系数Sj随之发生改变，因而引起水系统总的综合阻力系数St的变化。这个现象反映了水系统是一个统一的整体，是牵一发而动全身的。

本专利发明人在先200410073119.8的申请专利中，已经从理论上证明了水路系统在最节能的完全相似工况运行的充分必要条件是，在(ΔPt-H0)-L(ΔPt——水泵压头，Pa；H0——水环路系统静压头，Pa；L——水泵流量，m3/s)坐标系统中总的综合阻力系数St在运行过程中保持恒定不变。水泵在完全相似的工况运行，功耗和水泵转速的3次方成正比，是最节能的运行状态。综合阻力系数St在运行过程中保持恒定不变，意味着水系统中没有任何可以改变几何参数的阻力元件，当然也包括可以改变几何参数的电动双通调节阀(或有电动双通阀，但开度一经确定，在运行中的开度不再允许变动)。这就是发明无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调控制系统的理论依据。

在具体实施上，水系统的静态水力平衡调节非常重要。静态水力平衡调节是用已知流量特性的盘管做流量计，用盘管后面的隔离阀作调节阀或用静态水力平衡阀，在支路额定资用压差下，调节支路中的水流量等于额定流量的过程。静态水力平衡调节也是空调试调的主要内容。静态水力平衡调节的目的是使每一个空调末端的水流量等于额定流量，达到这个要求，也就使水系统每一个支路的流量等于额定流量。静态水力平衡调节的实质，是给水系统的每一条支路和水系统整体一个最小的、合适的综合阻力系数。

空调总负荷和供回水温度、流量的关系如公式(1)所示：Q＝M·Cp(tw2-tw1)                       (1)式中：Q——系统瞬时总冷(热)负荷，W；M——水系统总质量流量，kG/s，M＝ρLt；ρ——水的密度，4℃时，ρ＝1000，kG/m3；Cp——水的定压比热，4℃时，Cp＝4.186，kJ/(kG·℃)；Lt——水系统总体积流量，m3/s；tw2——回水总管回水温度，℃；tw1——送水总管送水温度，℃在通常的空调系统中，制冷时冷水供水温度tw1＝7℃。当冷水系统为定流量系统时，回水温度tw2和空调负荷成正比。如果流量控制系统跟踪的目标是保持(tw2-tw1)＝5℃，那么从公式(1)可以看出，质量流量M的变化和负荷变化成正比例。这时控制系统的配置和流程如图1所示。系统设置的传感器有：水泵扬程传感器(ΔP)ΔPpt、水系统总供水、回水干管上的温度传感器(T)tw2、tw1，水系统总的流量传感器(F)Lt；系统中并联的每台水泵均为变频水泵(这种理论，对冷却水系统、冷冻水系统均适用)。发明者在(文献：曹琦.系统思考变频泵的应用.空调暖通技术(上海暖通技术交流网刊物))一文中已经证明，“一变多定”的变频泵配置方案只适用于定压、变流量水系统，它的能耗只和水泵流量的一次方成正比，这种方案取得的节能效果是有限的。要使水泵在最节能的完全相似的工况下运行，也就是系统在变压力、变流量状态下工作，每台并联运行的水泵必须是变频的。同时笔者在(文献：曹琦.系统思考变频泵的应用.空调暖通技术(上海暖通技术交流网刊物))一文中也证明了，变频泵的流量在100％～70％的流量范围内是节能的。通常空调设计中采用三台冷机配三台变频水泵一一对应的组成方案，空调系统能量调节的方法是水泵变频加水泵台数的控制，如果每台变频泵的流量在100％～70％的流量范围内变化，能使整个空调系统的冷(热)量出力从100％连续变化到21％，这完全满足整个空调季节大楼负荷连续变化的控制要求，同时对于每一台冷机的最小流量为额定值的70％，对冷机的运行非常安全，同时每台变频水泵也在最节能的范围内运行。

忽略建筑朝向引起的负荷大小、时间上的差异，并用适当加大空调末端设计容量和利用风机盘管风机三速任选的功能来弥补各个空调区域负荷上的差异，加上人体对温度的不敏感性，可以假定建筑物各个空调分区和各个房间的负荷变化是同步的。因为，空调负荷中气候引起的负荷是主要的，通常占80％以上，加上人体对温度反应的迟钝，这种忽略人员、设备、朝向引起的负荷在时间上的差异，不会引起大楼空调效果实质性的变差。

有了这个假设，在空调的末端只安装综合阻力系数小的开关阀，去掉综合阻力系数大的电动双通阀调节阀；空调系统中用量最大的房间风机盘管空调器的电动两通阀，控制上只在盘管运行时才打开，停止用时关闭，不作负荷开关调节使用。控制系统跟踪总的回水、供水温度差(tw2-tw1)＝5℃，改变变频泵的供水流量，追踪大楼负荷的变化。由于系统阻力特性是固定不变的，各个末端支路进出口压差和水泵的扬程同步、成比例的变化，因而各个末端的流量和水泵的流量同步、成比例的变化，同时满足末端负荷变化的要求。虽然，控制系统是按照总的回水、供水温度差来控制整个空调系统的，并不知道哪一个末端变化多大，但系统是整体的，是牵一发动全身的，整个大楼总的负荷变化是可以从系统总水管上设置的温度传感器tw2、tw1和水系统总的流量传感器Lt精确测量出来，如公式(1)所示。空调系统负荷变化时，传感器首先发现的是回水温度tw2的变化，然后根据tw2与12℃的偏差，控制系统按一定规律改变变频水泵的流量，使tw2趋于12℃。然而由于水系统的热惰性很大，调节后要经过很长的时间才能反应出来，因此控制系统应当采用断续控制，即调一调，停一停，等待系统反应过来了，再调节，或者采用专门用于大惯性系统控制的斯密特预估控制。

空调末端设置的开关阀，起到了不用时随手关灯的节能作用。

由于水系统没有可以改变几何参数的电动双通调节阀，系统总的最小综合阻力系数St＝Const，水泵便会自动沿着瞬时最小阻力特性曲线上运行，各个空调末端也自动同步按比例地增减流量，跟踪负荷的变化，水泵时时自发地在最节能的全相似工况运行。没有电动双通调节阀的舒适性空调系统的控制、结构比有电动双通调节阀空调系统的更为简单，运行更为节能，因而性能更为优越。

实施例1支路水管有无电动双通阀阻力的比较。对于麦克维尔MDM-0813型组合式空气处理机基本参数如下：风量：20000m3/h；盘管结构：6排管；空调工况制冷量：151kW；

进出水管管径：DN65这种组合式空气处理机适用于约1200m2的建筑物的全空气空调系统。

水流量的计算：7.21L/s，26.0m3/h；水管内水流速：2.17m/s；盘管水阻力：117kPa。

根据自控原理，在给MDM-0813型组合式空气处理机的盘管水路选取电动双通调节阀时，双通调节阀的阀权系数Wv＝0.5(推荐Wv＝0.3～0.7，选取中间值)，这时选用调节阀的压降为120kPa，计算调节阀的流量系数Kv＝23.73。

查SIMENS双通调节阀特性，选DN50 VVF41.50型电动双通阀，它的Kv＝31；计算该阀门装入MDM-0813型组合式空气处理机的盘管水路中在额定流量时，阀门两端的压降为0.70bar；实际阀权度系数Wv＝0.375。那么117+70＝187kPa，就是该水支路的资用压力。假定空调年运行时间为2400h，电费为1.00元/kWh。水泵输送额定水量在支路上或支路阀门上的功耗由公式(2)计算：Wv＝(ΔPv·L)/(ηp·ηm·ηm)                       (2)式中：Wv——水泵输送额定水量在水支路上或阀门上的功耗，W；ΔPv——水支路或阀门两端水压降，Pa；L——通过阀门的流量，m3/h；ηp——水泵流动效率，额定工况ηp≈0.85；ηm——水泵电机效率，额定工况ηp≈0.87；ηin——变频器效率，额定工况ηp≈98％。

1.对于定压、变流量水系统1).额定工况水泵输送额定水量在阀门上的功耗，是将相应额定工况参数代入公式(2)计算得到：977W；支路水泵总功耗为2610W；

2).对于有电动双通阀定压变流量空调系统，在空调季节时均负荷率58％时，支路水流量为额定流量的58％，为4.18L/s，资用压力不变的情况，阀门上的压降147.7kPa，功耗为834.7W，全年水泵消耗在阀门上的运行电费为2003.2元；支路总功耗为1513.8W，全年水泵消耗在支路上的运行电费为3633.1元。

2.对于无电动双通阀水路系统，水泵始终处于最节能的全相似工况运行1).额定工况水支路的功耗只是盘管上的功耗，考虑到有变频器，功耗为1666.3W；2).在空调季节时均负荷率58％时，支路水流量为额定流量的58％，为4.18L/s，水支路的功耗为325.1W，全年水泵消耗在支路上的运行电费为780.2元，是有电动双通调节阀水系统全年运行电费的21.5％，节省率在78.5％，节能效果十分显著。同时一套DN50电动双通调节阀的价格为3300元，配套的温度传感器和楼控系统的一个AI、一个AO接口软件控制器价格4500元左右，去掉电动双通调节阀的系统可节省设备一次投资费约7800元。这只是一个组合式空调器产生的经济效益，如果系统非常大，空调器非常多，节省运行电费和一次性投资将是非常可观的。

由于本专利提出的空调水系统没有电动双通阀及其控制系统，水泵时时自发地在最节能的全相似工况运行。因而系统的构成、控制简单，投资节省，节能效果显著，节能理念新颖。因此，本专利的推广使用，必将产生巨大的经济效益、社会效益、环境效益。

Claims (5)

1.无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，包括两大组成部分：冷却水泵(P2)、冷水机组(CH1)的冷凝器(C)和冷却塔(CT)组成的无电动双通阀冷却水系统；由冷水机组(CH1)的蒸发器(E)、冷水泵(P1)、分水器(DW)、每个支路上的开关阀(K)、各个空调末端空气处理机或风机盘管(AHU)、集水器(CW)组成的无电动双通调节阀冷水系统，其特征在于还包括由冷却水系统中有冷却水进出水管上的两个温度变送器(T)和流量变送器(F)构成的瞬时冷却负荷信息提取系统，有冷却水进出水总管上的两个温度变送器(T)和冷却水泵(P2)驱动变频器(IV)组成的冷却负荷跟踪控制系统和冷却水泵(P2)两端的压差变送器(ΔP)和流量传感器(F)组成冷却水系统总流动阻力测量系统；冷水系统中有冷水进出水总管上的两个温度变送器(T)和流量变送器(F)构成的瞬时冷负荷信息提取系统；有冷水进出水总管上的两个温度变送器(T)和冷水泵(P1)驱动变频器(IV)组成的冷负荷跟踪控制系统；有冷水泵(P1)两端的压差变送器(ΔP)和流量传感器(F)组成冷水系统总流动阻力测量系统和各末端设备(AHU)前的开关阀K组成构成的空调末端不运行即关闭的节能控制系统。

2.根据权利要求1所述的无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，其特征在于冷水系统和冷却水系统没有一个用于负荷调节的电动双通阀。

3.根据权利要求1所述的无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，其特征在于从冷水泵(P1)进出口提取冷负荷变化信息并精确跟踪冷负荷变化；在于从冷却水泵(P2)进出口提取冷却负荷变化信息并精确跟踪冷却负荷变化。

4.根据权利要求1所述的无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，其特征在于变频的冷水泵(P1)和冷却水泵(P2)时时自发地在最节能的全相似工况下运行。

5.根据权利要求1所述的无电动双通调节阀的节能型舒适性中央空调系统，其特征在于，整个空调系统中各个空调末端是同步跟踪空调负荷变化的。