1、风机盘管水系统调节特性模拟分析总装备部工程设计研究总院 李兆坚 刘建华 田雨忠 蒲婷摘要 采用 计算机模 拟的方法，对风机盘管加新风的水系统在温控阀调节状态下的性能和能耗的变化情况进行模拟分析。结果表明，水系统的总流量、总压头、水泵总能耗等参数与风机盘管关闭率有关，而与风机盘管开关位置关系不大。如果水泵不变频， 风机盘管供水 阀通断控制方式对减少空调水系统能耗的效果较小。关键词 空调 风机盘管 水系统 二次泵 调节特性 模拟0 引言风机盘管加新风空调系统是民用建筑中最常用的一种空调系统形式。它具有投资和能耗较少、机房面积较小、管道较小、布置方便、建筑层高要求低、各房间温度可以单独控制等优点，因
2、此它在民用建筑中得到了广泛应用。在空调水系统设计时，设计人员通常只考虑风机盘管供水阀全开的设计状态。但在实际运行工况下，风机盘管通过供水阀通断控制室温，风机盘管水系统通常处于非设计状态，其变化过程十分复杂，尤其是采用二次泵的风机盘管水系统，其非设计状态的性能变化更为复杂。风机盘管温控阀随机开关调节对水系统的流量和能耗以及其他设备的工作状态有何影响？这是设计和管理人员十分关心的问题，也是亟待研究解决的一个技术难题。一些学者对风机盘管系统的调节特性进行了研究，文献1对一个小型风机盘管一次泵水系统在冬季工况下干管阀门调节时的供回水温差变化情况进行模拟和试验分析；文献2介绍了瞬态电磁阀总开启率一定的情
3、况下确定风机盘管水系统等效阻力系数变化范围的方法；文献3对风机盘管水系统的通断调节特性进行分析，通过概率计算分析, 指出在某确定的中、高负荷率下, 末端通断控制的风机盘管水系统的阻力特性和总水量波动不大。文献2和3都对一次泵水系统风机盘管温控阀的开启率与水系统流动状态的关系进行分析，但没有考虑新风机组的影响，也没有对水系统能耗变化进行分析。本文采用计算机模拟分析的方法，对一个采用二次泵的风机盘管水系统在温控阀调节的变工况条件下的性能和能耗的变化规律进行模拟分析，为风机盘管空调水系统的合理设计和运行管理提供参考。1 计算对象由于空调水系统变水量调节工况模拟计算的工作量很大，因此选择一个小型的风机
4、盘管加新风空调系统作为计算对象，该建筑物为一个三层办公楼，层高 3.2m，每层建筑平面相同，设置一台新风机和 4 台风机盘管，各层设备和管道的布置相同,各设备间距 5m。为了简化计算，假设所有新风机的型号相同，所有风机盘管的型号也相同。新风机的新风量为 1000m3/h、额定冷量为 5600W。风机盘管为FP6.3、额定冷量为 3600W。空调水系统为二次泵系统，风机盘管为双管制，管路为异程布置，空调水温为 712。该空调水系统的流程简图和主要参数见图 1。每层的供回水总管以及每个风机盘管和新风机组的供、回水支管均设置一个手动截止阀。水管的管径按比摩阻限值为 120Pa/m 选取。一次水泵和二
5、次水泵的型号相同。系统调节方式为：系统调试时，通过调节手动截止阀，使空调设备流量均处于设计状态。然后风机盘管供水阀按照室内温度启停调节，其他阀门不调节，新风机组水路阀门不调节。二次泵水系统的二次泵通常是变频的, 而一次泵水系统的水泵通常是定频的, 为了分析水泵不变频的情况下, 风机盘管供水阀关闭的节能效果, 计算时一次泵和二次泵都按定频考虑。2 计算方法简介为了简化计算，根据实际情况，作如下假设： 对于风机盘管、冷水机组、新风机组、管道和阀门的阻力特性均满足方程：PSG 2。 供水管与其相应回水管的阻力特性相同。 系统按压力和热力稳定状态计算。 不考虑温差的自然压头，由于流速较低，也不考虑流体
6、动压的影响。 风机盘管和新风机组的水温均为 712。 除了表 1 的计算外, 其它的计算均假设系统经过了初调节, 在设计状态下，各回路均达到设计流量。通过计算和参考相关产品样本数据，在设计状态下，每段管段的阻力为 1kPa，每个阀门和三通的阻力为 1kPa，水泵出口和入口管件的阻力均为 10 kPa，风机盘管的阻力为 15 kPa，新风机组的阻力为 35 kPa。对水系统的所有节点列出质量守恒方程，对所有管路列出压力平衡方程，对风机盘管、冷水机组、新风机组、管道和阀门列出阻力特性方程，采用产品样本的试验数据插值拟合出水泵特性方程。然后采用计算机对所有方程进行联立求解，计算出水系统各部分的流量和
7、压差以及水泵的轴功率。图 1 空调水系统流程简图00.10.20.30.40.50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12风 机 盘 管 关 闭 台 数水泵总功率(kW)关 闭 方 式 1关 闭 方 式 2图 2 风机盘管关闭台数和顺序对水泵总功率的影响3 计算结果图 2图 4 为风机盘管关闭台数不同、关闭位置不同对系统水泵功率、系统流量、新风机组流量的影响。图 5 为风机盘管关闭的台数不同、关闭的顺序方向不同，对其他风机盘管流量的影响，在三层 4 号风机盘管流量计算时，风机盘管温控阀的关闭方式采用关闭方式 1，在一层 1 号风机盘管流量计算时，风机盘管温控阀的关闭方式采用关闭方
8、式 2。图例中的编号均为风机盘管关闭方式的代号，风机盘管关闭方式 1 为 从最近处开始关，每次各层相同编号的 3台风机盘管同时关闭，直到全关；风机盘管关闭方式 2 与编号 1相反，从最远处开始关。表 1 为手动阀全开时系统中各设备流量不平衡的情况。表2 和表 3 分别为最近和最远的风机盘管温控阀关闭后对其他设备流量的影响，表中的数值为某风机盘管温控阀关闭后其他设备流量比关闭前增加的百分数。表 4 为最近和最远的风机盘管关闭对系统性能影响的模拟计算结果。4 结果分析 初始状态的水力平衡状况分析由于风机盘管等空调设备的阻力较大，通常认为空调水系统的水力失调现象并不严重，因此其空调水系统通常采用异程
9、布置方式，也较少进行水力平衡计算。但由表 1 可以看出，如果不进行水力平衡调节，风机盘管异程水系统的不平衡情况比较严重，越近的地方流量越大，最近处风机盘管的流量比最远处大 22.8%。以末端为基准，00.20.40.60.811.20% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%风 机 盘 管 关 闭 比 例流量(m3/h)三 层 4号 风 盘 一 层 1号 风 盘024681012140% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%风 机 盘 管 关 闭 比 例流量(m3/h) 二 次 泵 (1)一 次 泵 (1)二 次 泵 (2)一
10、 次 泵 (2)00.511.520% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%风 机 盘 管 关 闭 比 例流量(m3/h)1号 新 风 机 (1)1号 新 风 机 (2)图 3 风机盘管关闭比例和顺序对水泵流量的影响图 4 风机盘管关闭比例和顺序对新风机流量的影响图 5 风机盘管关闭比例对未关闭风机盘管流量的影响同一层各风机盘管的流量最大相差 15.4%; 不同楼层之间相同位置设备的流量相差的比例基本相同。由于计算对象只是一个三层小楼，对于高层建筑其水力失调现象将更为严重。表 1 阀门全开状态下系统流量的不平衡率（）编号 新风机 FC 1 FC 2
11、FC 3 FC 4第三层 0 15.4 10.3 5.1 0第二层 3.2 19.1 13.8 8.5 3.2第一层 6.4 22.8 17.4 11.9 6.4注：表中风机盘管的百分比数值为以最远端风机盘管（第三层第 4 号）的流量为基数计算出流量增加百分比，新风机组的百分比数值为以最远端的新风机组(新风机组 3)的流量为基数计算出流量增加百分比。表 2 最近处风机盘管温控阀关闭时其他设备流量增加率（）编号 新风机 FC 1 FC 2 FC 3 FC 4第三层 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3第二层 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3第一层 4.9 关 6.2 6.2 6.1表 3
12、 最远处风机盘管温控阀关闭时其他设备流量增加率（）编号 新风机 FC 1 FC 2 FC 3 FC 4第三层 4.8 5.9 7.6 10.2 关第二层 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2第一层 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9表 4 风机盘管关闭对系统性能的影响设计总流量变化率总功率变化率 一次水量变化率二次水量变化率三层 4 号关 -6 -0.6 -0.4 -1.9一层 1 号关 -6 -0.7 -0.3 -2.1 风机盘管温控阀调节时水系统节能率分析风机盘管温控阀关闭率与水系统功率呈现明显的非线性关系，在设计状态下风机盘管的总流量占系统总流量的 72，当风机盘管全关闭时，其二次
13、泵流量减少约 50，总功率只减少 18。这是因为风机盘管全关闭时，如果一次水泵不变频，则管道压差增大，通过新风机组的流量增大，新风机组水侧的流动能耗增加，这使水系统的节能效果大打折扣。由图 2 和表 3 可以看出，风机盘管关闭率较小时，对系统总体性能和能耗的影响很小，关闭占总流量 6的风机盘管，其总功率只减少 0.6%。当关闭率很大时，其对系统能耗的影响才比较明显。 风机盘管温控阀调节对其他设备工作状态的影响由图 2图 4 和表 4 可以看出，系统的总体性能与风机盘管关闭率有关，而与风机盘管开关位置基本没有关系。由表 2 和表 3 可以看出，某一风机盘管关闭将使其他设备的流量增加，它对同层其他
14、设备影响较大，位置越近影响越大，但对其它层的影响较小，而且对其他层的不同设备的影响比例基本相同。5 主要结论对风机盘管加新风的空调水系统，在水泵不变频仅通过风机盘管温控阀调节时的性能和能耗进行模拟分析，得出了下列主要结论：图 5 风机盘管关闭比例和顺序对新风机流量的影响 如果不采取初调节措施，风机盘管空调水系统的水力失调问题比较严重，对于所研究的小空调水系统，最近和最远的风机盘管的流量最大相差达 22.8%，因此这一问题应引起重视，空调水系统应进行水力平衡计算分析，尤其是高层建筑和水平距离较长的建筑，另外空调水系统的初调节仍然是有必要的。 风机盘管供水阀通断控制是一种控制室温、减少系统冷量或热
15、量损耗的方法，但如果水泵不采取配套的变频措施，单纯采用该调控方法对水系统的节能作用并不明显。占设计总流量 72的风机盘管全关闭时，其二次泵流量只减少 50，水泵总功率只减少 18。风机盘管关闭率较小时，关闭率对系统总体性能和能耗的影响很小，关闭占总流量 6的风机盘管，其总功率只减少 0.6%。当风机盘管的关闭率很大时，其对系统能耗的影响才比较明显。因此风机盘管的变流量调节方式只有配合水泵变频调节才能显著减少水系统的能耗。 水系统的总体性能（总流量、水泵能耗等）与风机盘管关闭率有关，而与风机盘管开关位置基本没有关系。因此在进行空调水系统水泵性能和能耗的计算分析时，可以只考虑风机盘管的关闭率，不考
16、虑其具体位置，这样可以避开风机盘管开关位置随机性变化的复杂问题，使系统的计算和分析工作大大简化。 风机盘管关闭对其同层的其他设备影响较大，位置越近影响越大, 对其它层的影响较小，而且对其他层的不同设备的影响比例基本相同。风机盘管空调水系统变流量调节的工况变化十分复杂，本文只是针对所研究问题做了一些初步的模拟分析，其中不少问题还需要深入分析。参考文献1 孙金鹏,王树刚. 变水量空调冷冻水系统整体特性的模拟研究J. 建筑科学. 2008，24（8）：90-932朱伟峰,江亿. 电磁阀通断控制的风机盘管水系统整体水力和热力特性分析J. 暖通空调.2003,33(4): 36-433朱伟峰,江亿.风机盘管水系统电磁阀总开启率的变化范围及其影响J. 暖通空调.2002,32(6): 4-7
