建筑供熱系統(tǒng)供回水壓差控制值的計(jì)算方法

1、建筑供熱系統(tǒng)供回水壓差控制值的計(jì)算方法一供熱水泵轉(zhuǎn)速的控制摘要 越來(lái)越多的集中供熱小區(qū)的二級(jí)供熱水泵安裝了變頻裝置，通過(guò)變頻裝置調(diào)節(jié) 水泵轉(zhuǎn)速以保持系統(tǒng)所需的供回水壓差、回水溫度或循環(huán)水量。供回水壓差、回水溫度以及循環(huán)水量的控制值往往被設(shè)為定值，或根據(jù)室外空氣溫度變化來(lái)設(shè)定，目前國(guó)內(nèi)外有些建筑供回水壓差控制值是根據(jù)循環(huán)流量設(shè)定的。然而很多情況下，這些控制值不是因?yàn)樘《鵁o(wú)法保證供熱系統(tǒng)對(duì)供回水壓差的需求， 就是因?yàn)樘蠖鴮?dǎo)致無(wú)用能耗。本文分析比較了供熱水泵轉(zhuǎn)速控制的幾種方法，其中由循環(huán)水量決定建筑供熱系統(tǒng)供回水壓差控制值的方法反映 了建筑熱負(fù)荷的變化，因而要比其它方法節(jié)能。本文還給出了該方法的

2、詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。關(guān)鍵詞 供熱系統(tǒng)供回水壓差變頻裝置水泵轉(zhuǎn)速The Heating Hot Water Building Differential Pressure Setpoint CalculationHeating Hot Water Pump Speed ControlChenggang Liu1, Haifeng Huang 1, Heinz-Axel Guo 2(1. School of Environmental Science and Engineering,Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011,Chi

3、na ; 2. Klimasystemtechnik Co., Ltd, Kunshan 215300, China) AbstractMore and more variable frequency devices (VFD) are being installed on building heating hot water pumps in central heating districts. Those pump speeds are varied to maintain hot water building differential pressure (DP) or return te

4、mperature or flow rate at their setpoints. The hot water DP setpoint or return temperature setpoint or flow rate setpoint was a constant value or reset based on outside air temperature. In some buildings, the hot water DP setpoints were reset based on flow rate. But in many instances those setpoint

5、schedules were either too low to maintain enough building DP requirement or too high and consumed excess energy. Among the pump speed control methods compared in this paper, the building DP reset schedule based on flow rate saves energy than the other methods, because it is achieved by tracking the

6、load change. Also the detailed calculation procedure for the building DP reset schedule based on flow rate is generated in the paper.Keywords: Heating system ; Differential Pressure (DP) ; Variable Frequency Devices (VFD); Pump Speed0引言在供熱水泵上安裝變頻裝置可以調(diào)節(jié)供熱水泵的轉(zhuǎn)速，從而保持建筑供熱系統(tǒng)所需的供回水壓差、回水溫度或者循環(huán)水量。供熱水泵變頻調(diào)速運(yùn)行

7、與定速運(yùn)行相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、在建筑部分熱負(fù)荷條件下，耗電量要比水泵定速運(yùn)行時(shí)小得多；2、可以防止供熱系統(tǒng)超壓，從而大大減小水泵的維修率以及控制閥和系統(tǒng)的漏水量。因此，在集中供熱的建筑小區(qū)中，變頻裝置作為有效的節(jié)能手段，已在越來(lái)越多的二級(jí)供熱水泵上得到了使用1。然而很多情況下，由于決定變頻水泵轉(zhuǎn)速的控制值沒(méi)有得到合理的確定和計(jì)算2,變頻系統(tǒng)的節(jié)能效果遠(yuǎn)未能充分、有效地發(fā)揮。1供熱水泵轉(zhuǎn)速控制方案比較江蘇省建設(shè)廳科技項(xiàng)目（編號(hào)：JS2007JH01）多數(shù)情況下，供熱水泵變頻裝置的作用 是用來(lái)改變水泵轉(zhuǎn)速以維持建筑供熱系統(tǒng) 供回水壓差在其控制值 （即供熱系統(tǒng)供回水 壓差控制值，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“壓差控

8、制值”）3'4 圖1給出了建筑供熱系統(tǒng)的供回水壓差控制 原理，能源管理系統(tǒng)接收供回水管上壓力傳 感器發(fā)送的信號(hào)，在將測(cè)定壓差值與設(shè)定的 壓差控制值做比較后，對(duì)變頻器和可調(diào)總控 制閥的控制器發(fā)出相應(yīng)指令，其控制邏輯 如下：當(dāng)小區(qū)熱網(wǎng)供回水壓差高于建筑供 熱系統(tǒng)壓差控制值時(shí)， 能源管理自控系統(tǒng)會(huì) 將水泵自動(dòng)關(guān)停，利用小區(qū)熱網(wǎng)水壓滿(mǎn)足建 筑供熱要求。同時(shí)，利用建筑供熱系統(tǒng)總控o5圖1.變頻水泵控制供熱系統(tǒng)供回水壓差制閥來(lái)控制供回水壓差， 并協(xié)助小區(qū)供熱管網(wǎng)的壓力平衡。當(dāng)小區(qū)熱網(wǎng)供回水壓差低于建筑供熱系統(tǒng)壓差控制值時(shí)，供熱系統(tǒng)總控制閥完全打開(kāi)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)，并利用變頻裝置控制供回水壓差。從而也

9、會(huì)影響系統(tǒng)的節(jié)能效可見(jiàn)，壓差控制值的設(shè)定大小將直接影響水泵的運(yùn)行狀態(tài)， 果。目前主要有以下幾種設(shè)定方法：1）將壓差控制值設(shè)定為恒定值。為保證系統(tǒng)最大負(fù)荷時(shí)的安全運(yùn)行，應(yīng)將此時(shí)運(yùn)行所需的供回水壓差作為壓差控制值，此設(shè)定方法雖然簡(jiǎn)單，但當(dāng)系統(tǒng)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較多的能量浪費(fèi)，因此不推薦采用。2）根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)確定供回水壓差控制值。此法適用于建筑熱負(fù)荷主要取決室外空氣溫度的情形，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷占建筑熱負(fù)荷的主導(dǎo)地位的建筑。表1是某建筑供熱系統(tǒng)根據(jù)室外空氣溫度設(shè)定壓差控制值的例子，顯然這是一種易于操作的方法，但對(duì)于內(nèi)熱源較大的建筑（如體育館，實(shí)驗(yàn)室、數(shù)據(jù)中心等），用這種方法控制水泵的轉(zhuǎn)速是不經(jīng)

10、濟(jì)的。室外空氣溫度（C）10152132壓差控制值（KPa）6956.241.628水泵3）根據(jù)供熱單元上的控制閥開(kāi)啟 度控制水泵轉(zhuǎn)速。圖 2為通過(guò)保持各供 熱單元控制閥開(kāi)啟度處于設(shè)定值（如 95%）來(lái)控制水泵轉(zhuǎn)速的邏輯原理：能 源管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所有控制閥開(kāi)啟狀態(tài)， 并把閥門(mén)最大開(kāi)啟度要求預(yù)先置入其水 泵轉(zhuǎn)速控制回路中，控制回路可以對(duì)水 泵變頻控制器輸出指令信號(hào)。當(dāng)小區(qū)供 熱管網(wǎng)壓力足以維持閥門(mén)最大開(kāi)啟度 時(shí)，關(guān)閉水泵，并由建筑總控制閥來(lái)維供熱單元1供熱 單元2供熱單元3變頻器控制器總控制閥控制器控制器（控制器L1能源管理系統(tǒng)圖2.供熱單元控制閥開(kāi)啟度控制水泵轉(zhuǎn)速表1某建筑供熱系統(tǒng)壓差控制值持閥

11、門(mén)開(kāi)啟度處于設(shè)定值。此控制方法能較好地保證供熱系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能性，但如果系統(tǒng)某一控制閥失靈而不能全部開(kāi)啟，或被人為地完全開(kāi)啟， 在問(wèn)題得到完全解決前， 水泵將保持全速運(yùn)轉(zhuǎn)，因而會(huì)造成大量無(wú)用能耗。A差壓水回供水泵特性曲線(xiàn)-J1系統(tǒng)特性曲線(xiàn) A90% B70%循環(huán)水量（Q圖3.變頻水泵工作原理4）根據(jù)循環(huán)水量確定壓差控制值。圖3表示了系統(tǒng) 循環(huán)水量與所需壓差的關(guān)系：A點(diǎn)是建筑較高熱負(fù)荷時(shí)的水泵工作點(diǎn)，當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，循環(huán)水量減小，變頻水 泵也隨之降低轉(zhuǎn)速，使水泵工作點(diǎn)從A沿著系統(tǒng)特性曲DPsp=kQ2線(xiàn)移至B,從而維持系統(tǒng)此時(shí)所需較低的供回水壓差。 供熱系統(tǒng)循環(huán)水量和供回水壓差間存在的定量關(guān)系，為 循

12、環(huán)水量法確定壓差控制值提供了可操作性。壓差控制 值可按式（1）計(jì)算：式中DPp一壓差控制值（Kpa）;d系統(tǒng)循環(huán)水量（ni/h ）;k一供熱系統(tǒng)特性系數(shù)。實(shí)際工程中，供熱系統(tǒng)的特性系數(shù)k可按式（2）計(jì)算:2k = DPmax /Qmax（2）式中Qax系統(tǒng)最大熱負(fù)荷時(shí)的循環(huán)水量（m/h ）；DRax-當(dāng)循環(huán)水量達(dá)到 Qnax時(shí)測(cè)出的供回水壓差（Kpa）。建筑熱負(fù)荷增加或減少時(shí)，循環(huán)水量將隨之相應(yīng)地增加或減少，根據(jù)式（1）,壓差控制值也會(huì)隨之變化。因此，循環(huán)水量法確定壓差控制值與其它方法相比，能客觀、準(zhǔn)確地反映建筑熱負(fù)荷的變化，可以更大程度地發(fā)揮變頻泵的節(jié)能效果。2循環(huán)流量法壓差控制值的計(jì)算方法

13、2.1計(jì)算準(zhǔn)備分析式（1）、式（2）可知，由循環(huán)流量計(jì)算壓差控制值，關(guān)鍵在于系統(tǒng)特性系數(shù)k的確定，這需要測(cè)定在建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷條件下 （各供熱末端裝置均達(dá)到設(shè)計(jì)水量和壓降時(shí)）供熱系統(tǒng)的總循環(huán)水量和供回水壓差值。為此，在計(jì)算k值之前，須完成下列事宜：1）實(shí)測(cè)準(zhǔn)備：熟悉供熱系統(tǒng)，清楚控制閥、平衡閥，流量計(jì)和壓力傳感器等位置；檢查供熱系統(tǒng)流量計(jì)和壓力傳感器工作是正常；確保水泵運(yùn)行狀態(tài)良好；排除管道系統(tǒng)中的空氣；反沖洗供熱末端裝置。2）供熱末端裝置設(shè)計(jì)值資料準(zhǔn)備：了解各供熱末端裝置的設(shè)計(jì)水流量和設(shè)計(jì)壓降；供熱末端裝置的實(shí)際流量將通過(guò)其壓降計(jì)算出來(lái)；如果水泵流量小于末端裝置總循環(huán)水量，應(yīng)以式（3）修正末端

14、裝置的設(shè)計(jì)壓差值：DPco=（Qp/£ Qu）DPdes（3）式中DRr一供熱末端裝置設(shè)計(jì)壓差修正值（Kpa）；DPes一供熱末端裝置設(shè)計(jì)壓差（Kpa）；Q一水泵流量 （m/h ）;E Q一供熱末端裝置總循環(huán)水量（m3/h ）。2.2供熱系統(tǒng)水力平衡調(diào)試供熱系統(tǒng)水力平衡調(diào)試應(yīng)使系統(tǒng)中所有末端裝置基本達(dá)到且不超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的狀態(tài)，其目的是保障系統(tǒng)最佳節(jié)能效果，調(diào)試步驟如下：1）完全打開(kāi)建筑供熱系統(tǒng)總控制閥、手動(dòng)閥，完全打開(kāi)每個(gè)供熱末端裝置的熱水控制 閥、平衡閥和手動(dòng)閥；2）將循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)到 100%3）測(cè)量距離水泵最近的末端供熱裝置的壓降，如果泵房在建筑的下部，第一個(gè)末端裝置可能在地下

15、室或一樓。比較測(cè)量得到的末端裝置的供回水壓差和其設(shè)計(jì)壓差，如果測(cè)量壓差高于設(shè)計(jì)壓差，調(diào)節(jié)該末端裝置的平衡閥使其達(dá)到期望壓差。如果沒(méi)有平衡閥，可以用調(diào)節(jié)控制閥代替；4）和步驟3相同，對(duì)這層樓的其余供熱末端裝置進(jìn)行壓差測(cè)量，并進(jìn)行必要的水力平 衡；5）對(duì)該建筑中的其它樓層上的供熱末端裝置，重復(fù)步驟3至步驟4,進(jìn)行壓差測(cè)量和水力平衡，直到頂層為止；6）測(cè)量系統(tǒng)最后一個(gè)供熱末端裝置（位于建筑頂層或屋頂）壓差，這個(gè)壓差值應(yīng)該等 于或高于其設(shè)計(jì)值，如果測(cè)量的壓差高于設(shè)計(jì)值，降低水泵的轉(zhuǎn)速使測(cè)量壓差等于或接近設(shè) 計(jì)值；7）重復(fù)步驟3至步驟6,直到所有供熱末端裝置測(cè)量壓差與其設(shè)計(jì)值接近。如果在步 驟6中降低了

16、水泵轉(zhuǎn)速，從一樓到頂樓當(dāng)中的某些末端裝置的測(cè)量壓差可能低于其設(shè)計(jì)值。在這種情況下，首先要通過(guò)打開(kāi)末端裝置的平衡閥來(lái)增加其壓差，使其達(dá)到設(shè)計(jì)值，如果平衡閥完全打開(kāi)時(shí)的測(cè)量壓差仍然低于設(shè)計(jì)值，就需要提高水泵轉(zhuǎn)速來(lái)增加其壓差，并且重新進(jìn)行水力平衡。2.3壓差控制值計(jì)算1）通過(guò)水力平衡調(diào)試，所有供熱末端裝置測(cè)量壓差與設(shè)計(jì)值一致時(shí)，分別讀取供熱系 統(tǒng)的總循環(huán)水量、系統(tǒng)的供回水干管壓力；2）根據(jù)式（1）和式（2）以及測(cè)量所得數(shù)據(jù)，建筑供熱系統(tǒng)熱水壓差控制值按式（4）計(jì)算：2DP" S ；）Q +Rdd（4）Qbl式中DRp、QA同式（1）說(shuō)明；PS供水干管壓力（Kpa）;R 一回水干管壓力（Kp

17、a）;3Qi 一系統(tǒng)水力平衡倜試后總循環(huán)水量（m/h ）;而-壓差控制值的附加壓力，用以滿(mǎn)足各個(gè)控制閥實(shí)現(xiàn)控制熱水流量的需要，根據(jù)工 程經(jīng)驗(yàn)取值范圍為 510Kpa。結(jié)論1）用建筑供熱系統(tǒng)循環(huán)水流量決定系統(tǒng)的供回水壓差控制值的水泵轉(zhuǎn)速控制方案，可 以客觀、準(zhǔn)確地反映建筑熱負(fù)荷的變化，因而比其它轉(zhuǎn)速控制方案更節(jié)能。2）在對(duì)建筑供熱系統(tǒng)水力平衡調(diào)試，并測(cè)定系統(tǒng)總循環(huán)流量和供回水壓差值后，可以 計(jì)算得到系統(tǒng)供回水壓差控制值。參考文獻(xiàn)1 郭曙光.兩級(jí)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中水泵的變頻調(diào)速控制模式J.節(jié)能,1997（6）:19-212 Larry Tillack, James B. Rishel,et al. Proper Control of HVAC Variable Speed PumpJ. ASHRAE Journal,Nov. 1998: 41-473 C. Liu, Homer L. Bruner, et al. The Chilled Water and Hot Water Building DeferentialPressureSetpoint Calculation Chilled Water and Hot