建筑供热系统供回水压差控制值的计算方法.doc

建筑供热系统供回水压差控制值计算方法
— 供热水泵转速控制

摘要 越来越多集中供热小区二级供热水泵安装了变频装置, 经过变频装置调整水泵转速以保持系统所需供回水压差、 回水温度或循环水量。供回水压差、 回水温度以及循环水量控制值往往被设为定值, 或依据室外空气温度改变来设定, 现在中国外有些建筑供回水压差控制值是依据循环流量设定。然而很多情况下, 这些控制值不是因为太小而无法确保供热系统对供回水压差需求, 就是因为太大而造成无用能耗。本文分析比较了供热水泵转速控制多个方法, 其中由循环水量决定建筑供热系统供回水压差控制值方法反应了建筑热负荷改变, 所以要比其它方法节能。本文还给出了该方法具体计算过程。
关键词 供热系统 供回水压差 变频装置 水泵转速
The Heating Hot Water Building Differential Pressure Setpoint Calculation
－Heating Hot Water Pump Speed Control
Chenggang Liu1, Haifeng Huang1, Heinz-Axel Guo2
(1. School of Environmental Science and Engineering,Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011,China; 2. Klimasystemtechnik Co., Ltd, Kunshan 215300, China)

Abstract
More 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 temperature 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 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 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 Speed

0 引言 江苏省建设厅科技项目（编号: JSJH01）

在供热水泵上安装变频装置能够调整供热水泵转速, 从而保持建筑供热系统所需供回水压差、 回水温度或者循环水量。供热水泵变频调速运行与定速运行相比, 含有以下优点: 1、 在建筑部分热负荷条件下, 耗电量要比水泵定速运行时小得多; 2、 能够预防供热系统超压, 从而大大减小水泵维修率以及控制阀和系统漏水量。所以, 在集中供热建筑小区中, 变频装置作为有效节能手段, 已在越来越多二级供热水泵上得到了使用[1]。然而很多情况下, 因为决定变频水泵转速控制值没有得到合理确定和计算[2], 变频系统节能效果远未能充足、 有效地发挥。
1 供热水泵转速控制方案比较
图1.变频水泵控制供热系统供回水压差
多数情况下, 供热水泵变频装置作用是用来改变水泵转速以维持建筑供热系统供回水压差在其控制值（即供热系统供回水压差控制值, 以下简称“压差控制值”）[3,4]。图1给出了建筑供热系统供回水压差控制原理, 能源管理系统接收供回水管上压力传感器发送信号, 在将测定压差值与设定压差控制值做比较后, 对变频器和可调总控制阀控制器发出对应指令, 其控制逻辑[5]以下: ①当小区热网供回水压差高于建筑供热系统压差控制值时, 能源管理自控系统会将水泵自动关停, 利用小区热网水压满足建筑供热要求。同时, 利用建筑供热系统总控制阀来控制供回水压差, 并帮助小区供热管网压力平衡。②当小区热网供回水压差低于建筑供热系统压差控制值时, 供热系统总控制阀完全打开, 水泵自动开启, 并利用变频装置控制供回水压差。
可见, 压差控制值设定大小将直接影响水泵运行状态, 从而也会影响系统节能效果。现在关键有以下多个设定方法:
1) 将压差控制值设定为恒定值。为确保系统最大负荷时安全运行, 应将此时运行所需供回水压差作为压差控制值, 此设定方法即使简单, 但当系统在部分负荷运行时, 会造成较多能量浪费, 所以不推荐采取。
2) 依据环境温度来确定供回水压差控制值。此法适适用于建筑热负荷关键取决室外空气温度情形, 即围护结构热负荷占建筑热负荷主导地位建筑。表1是某建筑供热系统依据室外空气温度设定压差控制值例子, 显然这是一个易于操作方法, 但对于内热源较大建筑（如体育馆, 试验室、 数据中心等）, 用这种方法控制水泵转速是不经济。
表1 某建筑供热系统压差控制值
室外空气温度（℃）
10
15
21
32
压差控制值（KPa）
69
56.2
41.6
28
图2. 供热单元控制阀开启度控制水泵转速
3) 依据供热单元上控制阀开启度控制水泵转速。图2为经过保持各供热单元控制阀开启度处于设定值（如95％）来控制水泵转速逻辑原理: 能源管理系统监测全部控制阀开启状态, 并把阀门最大开启度要求预先置入其水泵转速控制回路中, 控制回路能够对水泵变频控制器输出指令信号。当小区供热管网压力足以维持阀门最大开启度时, 关闭水泵, 并由建筑总控制阀来维持阀门开启度处于设定值。此控制方法能很好地确保供热系统运行节能性, 但假如系统某一控制阀失灵而不能全部开启, 或被人为地完全开启, 在问题得到完全处理前, 水泵将保持全速运转, 所以会造成大量无用能耗。
4) 依据循环水量确定压差控制值。图3表示了系统循环水量与所需压差关系: A点是建筑较高热负荷时水泵工作点, 当负荷减小时, 循环水量减小, 变频水泵也随之降低转速, 图3. 变频水泵工作原理
使水泵工作点从A沿着系统特征曲线移至B, 从而维持系统此时所需较低供回水压差。供热系统循环水量和供回水压差间存在定量关系, 为循环水量法确定压差控制值提供了可操作性。压差控制值可按式（1）计算:
(1)
式中DPsp－压差控制值（Kpa）;
Q－系统循环水量（m3/h）;
k－供热系统特征系数。
实际工程中, 供热系统特征系数k可按式（2）计算:
(2)
式中Qmax－系统最大热负荷时循环水量（m3/h）;
DPmax－当循环水量达成Q max时测出供回水压差（Kpa）。
建筑热负荷增加或降低时, 循环水量将随之对应地增加或降低, 依据式（1）, 压差控制值也会随之改变。所以, 循环水量法确定压差控制值与其它方法相比, 能客观、 正确地反应建筑热负荷改变, 能够更大程度地发挥变频泵节能效果。
2 循环流量法压差控制值计算方法
2.1 计算准备
分析式（1）、 式（2）可知, 由循环流量计算压差控制值, 关键在于系统特征系数k确定, 这需要测定在建筑设计热负荷条件下（各供热末端装置均达成设计水量和压降时）供热系统总循环水量和供回水压差值。为此, 在计算k值之前, 须完成下列事宜:
1) 实测准备: ①熟悉供热系统, 清楚控制阀、 平衡阀, 流量计和压力传感器等位置; ②检验供热系统流量计和压力传感器工作是正常; ③确保水泵运行状态良好; ④排除管道系统中空气; ⑤反冲洗供热末端装置。
2) 供热末端装置设计值资料准备: ①了解各供热末端装置设计水流量和设计压降; ②供热末端装置实际流量将经过其压降计算出来; ③假如水泵流量小于末端装置总循环水量, 应以式（3）修正末端装置设计压差值:
（3）
式中DPcor－ 供热末端装置设计压差修正值（Kpa）;
DPdes－供热末端装置设计压差（Kpa）;
Qp－水泵流量（m3/h）;
∑Qu－供热末端装置总循环水量（m3/h）。
2.2 供热系统水力平衡调试
供热系统水力平衡调试应使系统中全部末端装置基础达成且不超出设计负荷状态, 其目是保障系统最好节能效果, 调试步骤以下:
1) 完全打开建筑供热系统总控制阀、 手动阀, 完全打开每个供热末端装置热水控制阀、 平衡阀和手动阀;
2) 将循环水泵转速调到100%;
3) 测量距离水泵最近末端供热装置压降, 假如泵房在建筑下部, 第一个末端装置可能在地下室或一楼。比较测量得到末端装置供回水压差和其设计压差, 假如测量压差高于设计压差, 调整该末端装置平衡阀使其达成期望压差。假如没有平衡阀, 能够用调整控制阀替换;
4) 和步骤3相同, 对这层楼其它供热末端装置进行压差测量, 并进行必需水力平衡;
5) 对该建筑中其它楼层上供热末端装置, 反复步骤3至步骤4, 进行压差测量和水力平衡, 直到顶层为止;
6) 测量系统最终一个供热末端装置（位于建筑顶层或屋顶）压差, 这个压差值应该等于或高于其设计值, 假如测量压差高于设计值, 降低水泵转速使测量压差等于或靠近设计值;
7) 反复步骤3至步骤6, 直到全部供热末端装置测量压差与其设计值靠近。假如在步骤6中降低了水泵转速, 从一楼到顶楼当中一些末端装置测量压差可能低于其设计值。在这种情况下, 首先要经过打开末端装置平衡阀来增加其压差, 使其达成设计值, 假如平衡阀完全打开时测量压差仍然低于设计值, 就需要提升水泵转速来增加其压差, 而且重新进行水力平衡。
2.3 压差控制值计算
1) 经过水力平衡调试, 全部供热末端装置测量压差与设计值一致时, 分别读取供热系统总循环水量、 系统供回水干管压力;
2) 依据式（1）和式（2）以及测量所得数据, 建筑供热系统热水压差控制值按式（4）计算:
（4）
式中DPsp、 Q－同式（1）说明;
Ps－供水干管压力（Kpa）;
Pr－回水干管压力（Kpa）;
Qbl－系统水力平衡调试后总循环水量（m3/h）;
Padd－压差控制值附加压力, 用以满足各个控制阀实现控制热水流量需要, 依据工程经验取值范围为5～10Kpa。
结论
1) 用建筑供热系统循环水流量决定系统供回水压差控制值水泵转速控制方案, 能够客观、 正确地反应建筑热负荷改变, 所以比其它转速控制方案更节能。
2) 在对建筑供热系统水力平衡调试, 并测定系统总循环流量和供回水压差值后, 能够计算得到系统供回水压差控制值。
参考文件
[1] 郭曙光.两级供热管网系统中水泵变频调速控制模式[J].节能,1997(6):19-21
[2] Larry Tillack, James B. Rishel,et al. Proper Control of HVAC Variable Speed Pump[J]. ASHRAE Journal,Nov. 1998: 41-47
[3] C. Liu, Homer L. Bruner, et al. The Chilled Water and Hot Water Building Deferential Pressure Setpoint Calculation —Chilled Water and Hot Water Pump Speed Control[C]. The 2nd ICEBO, Dallas, TX, Oct.
[4] 黄奕沄,张玲. 相关压差控制水泵变频调整工作特征探讨[C].浙江省暖通空调动力学术年会论文集,
[5] G. Wei,et al. Improved Air Volume Control Logic for VAV Systems[C]. Proc. Of the 12th Symposium on Improving Building Systems in Hot and Humid Climates, : 195-198