风机盘管水系统旁通管设计的模拟分析
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摘 要：本文在建立稳态流体管网解算模型的基础上，对某通断控制的风机盘管冷冻水系统在部分负荷下的水力工况进行了模拟计算。分析表明，当供回水管间设置旁通管和电动旁通阀时，部分负荷下，开启的盘管实际流量大于其满负荷设计流量，而且负荷率越低，这种状况越明显。取消旁通管后，在不同负荷状况下冷机均在其额定流量的70%以上运行，因此对于通断控制的风机盘管系统，取消旁通管使冷机变流量运行是完全可行的。
关键词：风机盘管 旁通管 部分负荷 模拟
1 引言
风机盘管加新风是办公建筑中使用最普遍的空调系统形式，风机盘管末端通常有电磁阀进行通断控制，而冷冻水系统供回水总管间常设有旁通管与旁通阀，当末端负荷变化时，由于末端盘管电磁阀的启闭引起供回水管间（或分集水器间）压差的改变，此时旁通阀的开度相应变化，从而调整流经旁通管的水量，以保持供回水管间（或末端最不利环路）的压差恒定，从而使冷机近似在定流量下运行。而该系统在实际运行中，主要存在“低温差综合症”从而引起控制失调的问题[1]，主要体现为供回水温差过小，负荷侧流量大大高于需求。本文将通过模拟计算讨论在不同负荷率下，及有无旁通管和旁通阀两种情况下系统的水力工况，对该系统的设计提出建议。
2 空调管网的水力解算模型
若管网的节点数为N+1，管段数为b，则整个管网的稳态流动可由流量平衡方程和回路压降平衡方程来表示[2]：
(1)
(2)
式中，A为N×b阶基本节点-分支关联矩阵，其元素由+1和-1或0组成；
为分支流量（b维）列矢量；C为（b-N）×b阶基本回路-分支关联矩阵，其元素由+1和-1或0组成；
为分支的动力压头（如水泵扬程、风机风压等）向量；
为分支的附加作用压头或自然循环作用力；R和|Gb|分别代表分支阻抗和流量的绝对值，均为对角方阵。模型求解需确定管段阻抗、水泵、阀门的方程。为避免假收敛，水泵性能曲线给出5次多项式。管段摩擦阻抗和局部阻抗分别与沿程阻力系数λ和局部损失系数ζ有关。对于管内湍流，λ按显式格式进行计算[3]；ζ的值从相关手册中查取。
另外，对于具有M个末端用户的风机盘管水系统，负荷率为α时，程序中将产生Mα个不重复的随机数，并将该随机数对应的风机盘管关闭，从而实现该系统特有的随机性。旁通阀阻抗随负荷率不同而不同，从而保证供回水管间的压力恒定；当通过旁通管的流量大于等于单台冷机额定流量时，旁通阀的阻抗取无穷大从而将旁通管关闭。上述管网模型可用Cross迭代法进行求解[2]。
3 模拟算例
3.1不同负荷率下系统水力工况的模拟计算
某空调系统选用2台离心式冷水机组制备7～12℃冷冻水，设计流量为365m3/h。每台机组配一台冷冻水泵和冷却水泵，冷冻水泵的扬程为35m，3台冷冻水泵二用一备。冷冻水系统为二管制，末端为24个通断控制的用户。分集水器之间设置旁通管和旁通阀，旁通阀开启压力为186kPa。该冷冻水系统管网示意图见图1所示。涉及模拟计算的管段为180条，节点154个。受篇幅所限，各管段及节点信息不再给出。
首先对90%、70%、50%三种负荷率下的水力工况进行模拟计算。图2～4给出了三种负荷率下1～24号用户的实际流量与满负荷设计流量之比（以下简称流量比）。由图可见，在部分负荷下，开启用户的实际流量反而大于其满负荷设计流量，自然会造成“大流量小温差”的问题。而且负荷率越低，这种状况越明显；另外，由于在部分负荷下，一部分冷冻水供水经旁通管直接回到冷机，更加剧了供回水温差变小的趋势。以70%负荷率为例，图5给出了十次模拟中旁通管中的流量。值得注意的是，虽然同一负荷率下关闭的用户数量相同，但由于随机关闭的用户位置不同，从而使系统的水力工况有些许差别。当负荷率为70%时，而流经旁通管的流量达到了99 m3/h(取10次模拟结果的平均值)，也就是说， 整个冷冻水系统近15%的水量被旁通掉了。
设计旁通管和旁通阀的初衷是为了使系统冷机在恒定流量下运行，从而保证低负荷工况下蒸发器内的传热系数，并防止蒸发器的冻结。但是通过以上分析可见，旁通管的存在却成为末端通断控制水系统“低温差综合症”的根源所在，因此，对冷水机组变水量运行的要求日益迫切。许多冷水机组生产厂家给出了蒸发器的水流速在较大范围内变化的运行数据。目前，将冷水机组的下限流量定为其额定流量的50%～60%是可行的[4]，这也给取消旁通管，使冷机在变流量下运行这一设计思路提供了空间，而取消旁通管后在部分负荷率下冷机水量的定量变化范围就变成了亟待解决的问题。
3.2 取消旁通管后不同负荷率下系统的水力工况计算
系统取消旁通管后，分析末端风机盘管使用率在90%、70%、50%和30%四种情况下冷机流量和供回水压差的变化范围。图6和图7分别给出了冷机流量和供回水压差的变化范围。系统不用旁通管时，分析末端风机盘管使用率在90%、70%、50%和30%四种情况下冷机流量和供回水压差的变化范围。在系统负荷低于50%时，程序设定关闭一台冷机和水泵。图6和图7分别给出了冷机流量和供回水压差的变化范围。
由图可见，即使在50%的负荷率下，冷机流量也不会低于290m3/h，也就是说，大于冷机额定流量的70%，因此在中高负荷下不会对冷机运行的安全性造成危险。在30%的负荷率下，虽然系统总水量较小，但由于此时已经关闭一台水泵和冷机，因此开启的一台冷机的流量反而较大。另外，在一定的开启率下，尽管开启和关闭的用户是随机的，但冷机流量和供回水压差都保持在一定的范围内，不会出现太大的波动。相对而言，负荷率越小，冷机流量的变动幅度越大。
因此，对于末端通断控制的水系统，在部分负荷率下，取消旁通管与旁通阀后完全可以满足冷机变流量工况运行的要求。值得注意的是，如果在低负荷时，系统如果仍然需要低温的冷冻水作除湿用，必须慎重考虑是否采用取消旁通管的系统。
4 结论
通过建立空调水管网的完整解算模型，本文对部分负荷下，通断控制的风机盘管水系统的水力工况进行了定量计算，得到了以下结论：
(1)在设置旁通管的水系统中，在部分负荷下开启用户的实际流量大于其满负荷设计流量，负荷率越低，这种状况越明显。并且相当数量的冷冻水直接旁通回冷机，造成了系统的“大流量小温差”的问题；
（2）取消旁通管后，同一负荷率下，冷机的流量和供回水压差变化幅度并不大。不同负荷率下冷机均可在其额定流量的70%以上运行，因此对于通断控制的风机盘管系统，取消旁通管使冷机变流量运行是完全可行的。
参考文献
[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[2] 王树刚,孙多斌.稳态流体管网理论[M]. 北京:煤炭工业出版社,2007.
[3] Haaland SE.Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent flow. Trans. ASME,J.Fluids Engng.1983,105(1):89-90
[4]朱伟峰.空调冷冻水系统的特性研究: [博士学位论文].北京:清华大学,2002.
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