变流量控制方法的评价标准与应用

中图分类号：TB657.2 文献标识码：A 文章编号：

对于空调变流量水系统的研究，有人从自控角度出发，将PID技术、模糊控制技术、神经网络技术引入变流量控制，研制新的控制方法[30，31]。因此，现有变流量控制方法多种多样，其节能能力各有千秋，适用场合也各不相同。哪种控制方法更优化、更适用，各种说法众说纷纭 [32，33]，一直没有一个统一的标准来对各控制方法进行评价。为了明确对空调VWV系统进行更深入研究的方向，得到更优化的控制方法，需要提出一个衡量控制方法优劣性的标准。

一、衡量标准参数的提出

对空调水系统进行变流量控制的直接目的是为了节能。在水泵选型合适，且忽略机组效率变化影响的前提下，节能就是节省循环水泵的输送能耗。水泵选型合适，即认为水泵在多数运行时间内处于高效区，可忽略运行工况变化对水泵效率的影响，只考虑水泵的有效功率。

水泵有效功率N的计算公式 [34]：

（kW）

（3-1）

式中：m为流量，单位m3/s；H为扬程，单位m；ρ为液体密度，单位kg/m3；g=9.8N/kg。

管网特性曲线公式：

（3-2）

式中：S为管网阻力系数，单位s2/m5。

将式（3-2）代入式（3-1），得

（3-3）

由于液体密度ρ和g均为常数，从式（3-3）可看出，在流量m一定时，水泵功率N与系统管网阻力系数S成正比。空调水系统部分负荷运行时，管网阻力系数S越小，水泵功率N越小，系统越节能。从管网整体来看，由于系统运行时阀门的开度发生变化，管网阻力系数S总是大于初始阻力系数S0。S值越靠近S0，说明水系统越节能。

因此，提出衡量控制方法优劣程度的第一个参数――阻力变化系数X：

（3-4）

式中：S0为管网的初始阻力系数；S为部分负荷时，管网的阻力系数。X的范围[0，∞)。

阻力变化系数X是反映控制方法节能程度的无量纲量。由于X是一个相对值，所以不同控制方法在不同管网中使用的节能程度有了一个统一的比较标准。X值越小，说明控制方法越节能。

空调的存在价值就是给用户提供舒适的生活环境，保证室内空气品质。不能为了单纯的节能而牺牲用户的空气品质，发生本末倒置的现象，节能是在满足用户要求前提下的节能。

供给用户的实际冷量（热量）与当时负荷的相对偏差用ZA表示。

（3-5）

式中：Q为供给用户的冷量（热量），单位kW；Q0为当时的需求负荷，单位kW。

根据用户供给冷量（热量）比负荷偏大与偏小产生的舒适度效果及用户心理接受度的不同，引入修正偏差量Z。

（3-6）

供给量较负荷大时，取K=0.4；供给量较负荷小时，取K=0.6。

再次引入一个衡量系统所有用户整体舒适程度的参数――偏差系数Y。

（3-7）

式中：n为管网中用户的数量；Zi为第i用户的修正偏差量，也是一个无量纲量。

偏差系数Y是反映管网系统各用户整体实际供给量与需求负荷契合程度的无量纲量，取值范围[0，∞)。Y值越小，说明用户的舒适度程度越高，该控制方法越适用。

二、 衡量标准的应用

以下运用该衡量标准评价定供回水压差控制与温差控制的优劣，并对非同步荷率下的运行情况进行分析。

存在某一水系统，如图3-1所示。图中在设计工况下：，，制冷机压降；干管供水温度Tg=7℃，回水温度Th=12℃；流量m0=30L/s，。水泵的工作扬程，有效功率。根据式（3-2）可得到管网的初始阻力系数S0=28345s2/m5。

1、 特定负荷率下的应用分析

对某一一般性部分负荷情况进行分析，用户1的负荷率a1=70%（即需求负荷为设计负荷的70%），用户2、用户3的负荷率分别为a2=60%，a3=50%。

图3-1 空调水系统

Fig.3-1 A water system of air-conditioning

（1）、 压差控制

该控制方法的特点：各用户侧的调节阀根据实际负荷的变化调节水系统流量，并且在调节过程中，通过对水泵转速进行调节，使供回水干管间的压差始终保持为一个定值。

因此，在部分负荷时，PADCB=170 kPa不变，PBG发生变化。

在运行时要保证每一用户要求，所以总流量按最大负荷用户取。

进而可计算出为

此时水泵扬程为

管网阻力系数为

阻力变化系数X1为

由该控制方法的特点可知，通过用户侧阀门调节，供给各用户的实际冷量（热量）与每户负荷均一致。故偏差系数为Y1=0。

由以上分析计算可知，定供回水干管压差控制时，阻力变化系数X1=0.71，偏差系数Y1=0。

（2）、 温差控制

温差控制方法的特点：使系统在运行时，供回水干管间的温差始终保持为一设定值，用户侧不提供调节能力。因此，在部分负荷时，T=Tg-Th=5℃不变，其他参数发生变化。

该控制方法通过供回水干管间的温差对水泵转速进行控制，在管网中不通过阀门进行调节，因而管网阻力系数没有发生变化，即，故X2=0。

系统总负荷为

根据式，得管网总流量为

每个用户的流量为

不考虑用户支路温差与干管温差的差别，按照式（3-5）至式（3-7）计算系统偏差系数Y2。计算结果见表3-1。

表3-1 温差控制下的计算结果

由以上分析计算可知，温差控制时，阻力变化系数X2=0，偏差系数Y2=0.83。

（3）、阀位控制

阀位控制是空调VWV系统的一种新型控制方法，该控制方法的基本思路是，在集中空调系统运行时，满足用户需求的前提下，使电动调节阀始终处于允许的最大开度，使得空调水系统的阻力系数最小。即系统中始终有至少一个电动调节阀处于全开状态或开度极限（如90%）下。本文中当电动调节阀的开度达到某一极限值（如90%）时，即认为电动调节阀已达全开状态。

假设所用电动调节阀的开度与流量成正比、与阻力系数成反比。在上述部分负荷率下，调节稳定后，用户阀位分别为90%、80%、70%。因此根据假设有，

根据式[35]可计算出用户侧阻力系数为。

由于干管中没有调节阀因此其阻力系数不变，。进而系统在该负荷率下的阻力系数。

阻力变化系数X3为

计算结果见表3-2。

表3-2 阀位控制下的计算结果

与压差控制方法类似，该控制方法提供用户以调节能力，可以认为供给用户的冷热量均与所需负荷一致。因此，故偏差系数为Y3=0。

由以上分析计算可知，阀位控制时，阻力变化系数X3=0.03，偏差系数Y3=0。

（4）、三种控制法的比较分析

至此，特定负荷率（a1=70%，a2=60%，a3=50%）时的空调水系统，在不同控制方法控制时的衡量参数均已得出，具体数据见表3-3。可以看出，在该负荷率下，运用压差控制方法时，用户的舒适度得到保证，但节能能力达不到三次方的理论节能效果；运用温差控制时，理论节能能力较好，但用户的舒适度不能得到完全保证；而阀位控制时，节能能力比压差控制好的多，与温差控制相差不大，且其能保证用户舒适度，该控制是较压差、温差控制更优化的控制方法，值得深入研究。

表3-3三种控制法的比较

2、 一般负荷率下的应用分析

本文对该系统用户负荷率大于0.1的情况进行了仿真模拟，仿真结果见图3-2至图3-5。

图3-2至图3-3模拟的是不同负荷率下压差控制、阀位控制时的阻力变化系数X值。图3-2是表示a1=0.5，a2、a3任意时的X值；图3-3是图3-2中的一条特殊曲线，表示a1=0.5、a2=a3时的X值。

从整体来看，阀位控制时的X值小于压差控制时的X值，阀位控制的节能能力更强。从局部来看，a2>0.9时，阀位控制时的X大于压差控制时的X值，其原因是由于本文设定的阀位开度极限值为90%。当a1=50%，a2、a3大于90%时，在压差控制下，电动调节阀动作很小，引起的系统阻力系数变化极小，X极小；而在阀位控制下，电动调节阀仍需关到90%，因而X值较压差控制时大。

从图3-2、图3-3中还可以看出，用户负荷率变化时，X值变化范围小且变化平缓。这说明在系统运行时，电动调节阀的开度大，且变化幅度小，消耗在阀门上的能量少，可以最大程度地节省系统输送能耗。

图3-2 两种控制下的X值（a1=50%，a2、a3为任意值）

Fig.3-2 X value of two different controls (a1=50%，a2、a3 are random)

图3-3 两种控制下的X值（a1=50%，a2=a3）

Fig.3-3 X value of two different controls (a1=50%，a2=a3)

图3-4 温差控制（a2、a3为任意值）

Fig.3-4 Result of temperature difference control(a2、a3 are random)

图3-5 温差控制（a2=a3，a1=0.5）

Fig.3-5 Result of temperature difference control(a2=a3，a1=0.5)

图3-4、图3-5模拟的是不同负荷率下温差控制时的偏差系数Y值。图3-4是表示a1=0.5，a2、a3任意时的Y值；图3-5是图3-4中的一条特殊曲线，表示a1=0.5、a2=a3时的Y值。

从图3-4中可以看出，负荷率a2、a3相差越大，Y越大。说明用户负荷率差异越大，用户舒适度就越不能得到保证，甚至发生调节失效的现象。

图3-5中，Y值随负荷率a2、a3不断增大而先降后升，当a2=a3=0.5时，Y=0。说明用户负荷率同步变化时，舒适度最好，证明温差控制适用于用户负荷率同步变化的系统。

三、 本章小结

面对空调水系统各种控制方法没有统一衡量标准的现状，本章提出了两个参数（阻力变化系数X、偏差系数Y）作为评价控制方法的标准。并应用该衡量标准对压差控制、温差控制及阀位控制进行分析，得出如下结论：

1.压差控制法可以保证用户的舒适度，但节能能力达不到三次方的理论节能效果。

2.温差控制法适用于负荷变化差异不大的系统，理论节能能力较好，但用户的舒适度不能得到完全保证。特别是用户负荷率差异较大时，甚至会出现调节失效的现象。

3.阀位控制法可以在保证用户需要的情况下，实现最大程度的节能。

以上述两个参数作为衡量空调VWV系统控制方法优劣的标准，简洁实用，消除了对各种控制法方法各执一词的混乱现象。