CN100427914C - 一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配方法，其方法包括：第i段管道沿程阻力ΔP_i的计算，第i段管道的综合阻力系数S_i的计算；第j个局部阻力元件的局部阻力ΔP_j的计算，第j个局部阻力元件的综合阻力系数S_j的计算；串联水路的总的综合阻力系数S_ts的计算；并联水回路的总的综合阻力系数S_tp的计算；水系统最不利水环路的总的阻力ΔP_t的计算。这种既简单、又准确的使选择水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法的自控方式和节能效果，水泵季节总节能率在61.9%，节能效果是传统的按专业模块“片面思考”理念构成的任何同类空调系统无法企及的。按本发明的技术方案将产生显著的节能效果和经济效益。

Description

一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法

技术领域

本发明涉及制冷空调领域中的集中式中央空调的一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法。

背景技术

空调水路系统阻力准确的计算对正确选择水泵和对空调系统的节能运行关系重大。因为水泵选择不准确，而使水泵实际运行在小温差(1℃～1.5℃)、大节流(泵出口阀门开度在50％左右)、高能耗、低效率状态。根据计算，如果100T/h的水泵富裕压头是1mH₂o，要多耗电0.62kW。为什么会产生这样的情况呢？这是因为现时计算水路系统阻力是用查图表的方法，计算方法繁复，阻力计算不准。图1为现时空调设计中常用的水管比摩阻计算图。为了保险，设计人员往往取用大的阻力系数、大的安全系数，最后在选择水泵型号时如果设计流量、压头在两个型号水泵性能中间，往往采用就高不就低的方法选取大一号的水泵，这种三重保险选取水泵的方法，必然带来水泵实际运行在高能耗状态。更有甚者，水系统的阻力是设计师靠经验拍脑袋决定的，其结果必然带来很多的问题。水泵的功耗占冷机房总功耗的20％～25％。如果水泵选择不当，水泵、冷机、水系统阻力性能不匹配，存在机房运行费用将会增加很多、电力资源白白浪费等缺陷。

发明内容

本发明的发明目的是根据“系统思考”理念，提供一种中央空调水系统阻力简单、准确的、以彻底改变传统计算方法的繁复、粗放的落后理念，为准确选用水泵和提高空调系统节能运行效果的一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法。

实现发明目的的技术方案是这样解决的：中央空调水系统由水泵、冷机、水管、末端、自控系统、环境等组成的不可分割的统一整体，一个大系统。这个大系统中各个子系统是相互关联的，任何一个子系统或环境发生变化，就会引起其他子系统和大系统状态发生变化，牵一发而动全身的。水系统由直管、局部阻力元件、串联水路、并联水路、水环路等基本元件、连接方式构成，这些管路、元件阻力的计算决定了水泵准确选型以及水泵和水系统中其他子系统的匹配，决定了整个空调大系统的节能。基于通盘考虑水系统节能的“系统思考”的理念，提出了一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法，这种计算从管路基本单元的阻力计算开始，按下述步骤进行：

A、第i段管道沿程阻力ΔP_i用公式(1)计算：

${\mathrm{\ΔP}}_i=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/{\mathrm{\π}}^2{d}_i^5)L_i^2$

$=S_i{L}_i^2---\left(1\right)$

式中：

ΔP_i——第i段管道的沿程阻力，Pa；

ρ——水的密度，kG/m³；

λ_i——第i段管道沿程阻力系数，无因次；

l_i——第i段管道长度，m；

d_i——第i段管道直径或当量直径，m，可以按经济流速选取；

L_i——通过第i段管道的流量，m³/s

S_i——第i段管道的综合阻力系数，kG/m⁷；

B、计算第i段管道的综合阻力系数用公式(2)计算：kG/m⁷；

$S_i=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/{\mathrm{\π}}^2{d}_i^5)=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/d_i^5)---\left(2\right)$

C、第j个局部阻力元件的局部阻力ΔP_j用公式(3)计算：

${\mathrm{\ΔP}}_j=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/{\mathrm{\π}}^2{d}_j^4)L_j^2$

$=S_j{L}_i^2---\left(3\right)$

ξ_j——第j个局部阻力元件的局部阻力系数，无因次；

d_j——第j个局部阻力元件的管径或当量直径，m；

L_j——通过第j个局部阻力元件的流量，m³/s；

S_j——第j个局部阻力元件的综合阻力系数，kG/m⁷；

$S_j=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/{\mathrm{\π}}^2{d}_j^4)=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/d_j^4)---\left(4\right)$

D、串联水回路的阻力压降用公式(5)计算：

ΔP_ts＝S_ts L²＝∑ΔP_i+∑ΔP_j＝(∑S_i+∑S_j)L²     (5)

$S_{\mathrm{ts}}=\mathrm{\Σ}{S}_i+\mathrm{\Σ}{S}_j=\mathrm{\Σ}0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/d_i^5)+\mathrm{\Σ}0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/d_j^4)---\left(6\right)$

式中：

ΔP_ts——串联水路总压降，Pa；

S_ts——串联水路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L——串联管路中的流量，m³/s；

其他符号同前；。

E、并联水回路的总的综合阻力系数S_tp用公式(8)计算：

ΔP_tp＝S_tpL² _tp＝S_tp(∑L_i)²       (7)

$S_{\mathrm{tp}}=1/{\left(\mathrm{\Σ}\sqrt{1/S_i}\right)}^2---\left(8\right)$

式中：

ΔP_tp——并联水路总压降，Pa；

S_tp——并联水路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_tp——并联管路总的流量，m³/s；

L_i——并联支管路的流量，m³/s；

其他符号同前；。

F、水系统最不利水环路的阻力计算，其计算公式如下：

$({\mathrm{\ΔP}}_t-H_0)=S_t{L}_t^2=\mathrm{\Σ}{S}_i{L}_i^2+\mathrm{\Σ}{S}_j{L}_j^2---\left(9\right)$

式中：

ΔP_t——最不利水环路总的阻力，等于水泵扬程，Pa；

H₀——开式水路系统最不利水环路静水位差，对于闭式水环路H₀＝0，

Pa；H₀相当于电回路中的反电势，我们称之谓反水势；

(ΔP_t-H₀)——最不利水环路总水势，Pa；

S_t——从水泵进出口端看，水环路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_t——水泵流量，m³/s；

S_i——最不利水环路第i段管道的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_i——最不利水环路第i段管道的流量，m³/s；

S_j——最不利水环路第j个局部阻力元件的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_j——最不利水环路第j个局部阻力元件的流量，m³/s。

本发明是把水回路中的水泵、冷机、管道、末端、自控系统、强电、建筑、建筑设备、照明、及人员等建筑物，当成一个不可分割的统一的有机整体，用“系统思考”的理念推导出来的；传统水路阻力计算方法是按专业模块用“片面思考”的理念提出的。

因此本专利与现有技术相比，突破了传统的空调设计中水路阻力计算水泵性能和水路阻力相匹配的观念。观念的突破不仅彻底改变了传统粗放的空调设计中水系统阻力的计算的理念和方法，使计算简单而准确，也可以使中央空调系统的结构、自控方式和节能效果发生传统观念无法理解的根本性的转变。比如，现在某些大公司极力推销的价格昂贵的水力平衡阀，用这一新的观念进行分析，水系统可以不要水力平衡阀而且比有水力平衡阀时运行时更为节能。这是因为，根据本发明提出的新观念，可以推导出在水系统中任何一个几何参数不变的阻力元件，理论上都可以作为流量计。有了作为流量计的盘管(通常盘管的流量特性是给定的)，有可调开度的末端盘管后面的隔离阀(顶好带刻度和锁紧装置)，这个水支路便具有了水力平衡阀的功能，因而该支路上无须再安装价格昂贵、又增加水系统节流损失的水力平衡阀，即可完成水力平衡调节的工作。采用本发明计算的中央空调的水路系统具有结构合理，节能效果显著，运行可靠，节省安装费用等特点，有很好的社会和经济效益。

附图说明

图1为现时空调设计中常用的水管比摩阻计算图。

图2为变频水泵性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的内容作进一步的说明：

实施例1

对于集中空调水系统管道、局部阻力元件流动阻力分析计算如下：

第i段管道沿程阻力ΔP_i用公式(1)计算：

${\mathrm{\ΔP}}_i=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/{\mathrm{\π}}^2{d}_i^5)L_i^2$

$=S_i{L}_i^2---\left(1\right)$

式中：

ΔP_i——第i段管道的沿程阻力，Pa；

ρ——水的密度，kG/m³；

λ_i——第i段管道沿程阻力系数，无因次；

l_i——第i段管道长度，m；

d_i——第i段管道直径或当量直径，m，可以按经济流速选取；

L_i——通过第i段管道的流量，m³/s；

S_i——第i段管道的综合阻力系数，kG/m⁷。

$S_i=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/{\mathrm{\π}}^2{d}_i^5)$

$=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/d_i^5)---\left(2\right)$

第j个局部阻力元件的局部阻力ΔP_j用公式(3)计算：

${\mathrm{\ΔP}}_j=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/{\mathrm{\π}}^2{d}_j^4)L_j^2$

${=S}_j{L}_i^2---\left(3\right)$

ξ_j——第j个局部阻力元件的局部阻力系数，无因次；

d_j——第j个局部阻力元件的管径或当量直径，m；

L_j——通过第j个局部阻力元件的流量，m³/s；

S_j——第j个局部阻力元件的综合阻力系数，kG/m⁷。

$S_j=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/{\mathrm{\π}}^2{d}_j^4)=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/d_j^4)---\left(4\right)$

在工程中，水管内的流动大部分在阻力平方区。在阻力平方区，管道的沿程阻力系数λ_i和局部阻力元件的局部阻力系数ξ_j是不变的。因此在空调工程计算水系统的阻力时虽不明说，但都暗含有流动在阻力平方区的假设。因为，在所有空调设计手册或厂家产品样本给出的管道、换热器阻力-流量特性曲线LogΔP-LogL图均为直线，如图1所示。

在流动在阻力平方区假设的前提下，从公式(2)、(4)可以看出，管道的综合阻力系数S_i和局部阻力元件的综合阻力系数S_j只是管道、局部阻力元件的几何参数(如管径、管长、特定局部阻力元件的几何形状、开度不变的阀门等)的函数，而和流量无关。有了这个结论，用公式(1)将所有设计手册中的管道阻力计算图表(如图1)进行彻底改造，将图表上的每一种管径的阻力-流量特性曲线——比摩阻图用相应管道的比综合阻力系数( $s_i=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i/d_i^5)$ ，即1m管长上的综合阻力系数)来代替。例如比摩阻图上DN100管道比摩阻曲线上某一点的流量为0.1667m³/s，比摩阻为490.3Pa，用公式(1)计算出DN100管道的比综合阻力系数为s_i＝17643.7kG/m⁸，对于DN100管道的比综合阻力系数为s_i在任何流量是恒定不变的，因此计算某一流量流阻时只要用公式(1)计算就可以了，而不必再麻烦地查图。同样用公式(4)计算出相应尺寸局部阻力元件的综合阻力系数S_j来代替局部阻力元件的局部阻力系数ξ_j。例如，对于DN100、90°的普通弯头，其局部阻力系数ξ_j＝0.3，用公式(4)计算出该弯头的的综合阻力系数S_j＝2.43×10⁶kG/m⁷，同样，这个数值不随流量的变化而变化，利用公式(1)就可以计算出弯头在某一流量时的阻力。进行了上述工作就可以用公式(1)、(3)计算管道和局部阻力元件设计工况或变工况的水阻力。整个水系统，就可以借用水电比拟法进行额定工况或者变工况水阻力的计算。

在水电比拟中，水压P相当于电压U，水流量L相当于电流I，水阻R_w相当于电阻R_e(但要注意，电阻R_e不随电流I的变化而变化，而水阻R_w却随水流量L的变化而变化，在水路中保持不变的是水路元件的综合阻力系数S！)这样就可以借用电路计算的欧姆定律、基尔霍夫回路电压定律∑U＝0、基尔霍夫节点电流定律∑I＝0等电路分析计算法来进行水路阻力的计算。

对于串联水路，管路中的流量L是不变的，假设串联水路中的元件几何参数不变，则各元件的综合阻力系数S不变，因此串联水回路的阻力压降由公式(5)计算：

ΔP_ts＝S_tsL²＝∑ΔP_i+∑ΔP_j＝(∑S_i+∑S_j)L²    (5)

$S_{\mathrm{ts}}=\mathrm{\Σ}{S}_i+\mathrm{\Σ}{S}_j=\mathrm{\Σ}0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{1}_i/d_i^5)+\mathrm{\Σ}0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/d_j^4)---\left(6\right)$

式中：

ΔP_ts——串联水路总压降，Pa；

S_ts——串联水路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L——串联管路中的流量，m³/s。

其他符号同前。

对于并联水路，各个支管路两端的压差ΔP_tp是不变的，并联水路总水量等于各个支管路流量之和L_tp＝∑L_i。假设并联水路中的元件几何参数不变，则各个并联支管路的综合阻力系数S_i不变，因此并联水回路的总的综合阻力系数S_tp由公式(8)计算：

ΔP_tp＝S_tpL² _tp＝S_tp(∑L_i)²       (7)

$S_{\mathrm{tp}}=1/{\left(\mathrm{\Σ}\sqrt{1/S_i}\right)}^2---\left(8\right)$

式中：

ΔP_tp——并联水路总压降，Pa；

S_tp——并联水路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_tp——并联管路总的流量，m³/s；

L_i——第i个并联支管路的流量，m³/s。

其他符号同前；

有了(1)～(8)的水路通用计算公式，借用电路的计算方法，就可以进行水系统最大阻力的计算和水泵参数的选择计算。通常是水系统最不利水环路的阻力就是水系统最大的阻力，最不利水环路就是离水泵最远端、最长路径的水环路，因此水系统最大阻力的计算就是水系统最不利水环路的阻力计算，其计算公式如下：

$(\mathrm{\Δ}{P}_t-H_0)=S_t{L}_t^2=\mathrm{\Σ}{S}_i{L}_i^2+\mathrm{\Σ}{S}_j{L}_j^2---\left(9\right)$

式中：

ΔP_t——最不利水环路总的阻力，等于水泵扬程，Pa；

H₀——开式水系统最不利水环路静水位差，对于闭式水环路H₀＝0，Pa。H₀相当于电回路中的反电势，我们称之谓反水势。

(ΔP_t-H₀)——最不利水环路总水势，Pa；

S_t——从水泵进出口端看，水环路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_t——水泵流量，m³/s；

S_i——最不利水环路第i段管道的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_i——最不利水环路第i段管道的流量，m³/s；

S_j——最不利水环路第j个局部阻力元件的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_j——最不利水环路第j个局部阻力元件的流量，m³/s。

公式(9)实质上和电路中的基尔霍夫回路电压定律∑U＝0相似。

图2所示是变频水泵性能曲线。管路特性曲线S_t如公式(9)描述，n₀、n₁是转速水泵在转速n₀、n₁时的特性曲线。工况点A₀和A₁的压力表达式和回路水势做的功表达式如下：

$(\mathrm{\Δ}{P}_{t0}-H_0)=S_{t0}{L}_{t0}^2---\left(10\right)$

$({\mathrm{\ΔP}}_{t1}-H_0)=S_{t1}{L}_{t1}^2---\left(11\right)$

$W_{t0}=(\mathrm{\Δ}{P}_{t0}-H_0)L_{t0}=S_{t0}{L}_{t0}^3---\left(12\right)$

$W_{t1}=(\mathrm{\Δ}{P}_{t1}-H_0)L_{t1}=S_{t1}{L}_{t1}^3---\left(13\right)$

如果水泵的工况点A₀和A₁是相似的，则公式(10)、(11)相比(10)/(11)，公式(12)、(13)相比(12)/(13)有：

$\frac{({\mathrm{\ΔP}}_{t0}-H_0)}{({\mathrm{\ΔP}}_{t1}-H_0)}=\frac{S_0}{S_1}{\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^2---\left(14\right)$

$\frac{W_0}{W_1}=\frac{S_0}{S_1}{\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^3---\left(15\right)$

式中：

W——水回路总水势做的功，kW；

n——水泵转速，rpm；

下标0、1——分别代表在转速n₀、n₁时水泵或系统的参数。

如果S₁＝S₀则公式(14)、(15)变为公式(16)、(17)：

$\frac{({\mathrm{\ΔP}}_{t0}-H_0)}{({\mathrm{\ΔP}}_{t1}-H_0)}={\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^2---\left(16\right)$

$\frac{W_0}{W_1}={\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^3---\left(17\right)$

对于闭式水系统，H₀＝0，公式(16)、(17)变为公式(18)、(19)：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{t0}}{{\mathrm{\ΔP}}_{t1}}={\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^2---\left(18\right)$

$\frac{W_0}{W_1}={\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^3---\left(19\right)$

公式(18)、(19)在形式上和变频泵相似公式没有什么两样，但在内涵上却有本质的差别。公式(14)～(19)是把水系统当成—个不可分割的、有机的整体，用系统思考的理念推导出来的。公式(14)、(16)、(18)左边的压力项代表的是水回路水势之和；公式(15)、(17)、(19)左边的功率项代表的是水回路总水势做的功，它们是在广义的(ΔP_t-H₀)-L_t坐标系里推导出来的，适用于广义的水系统，即对于开式、闭式水系统的相似分析均适合。水系统全相似不仅对水泵有要求，对系统也有要求，这就是在(ΔP_t-H₀)-L_t坐标系里如果水系统要在最节能的完全相似的工况(即几何相似、运动相似、动力相似)工作，充分必要条件是使水系统的综合阻力系数S在变工况保持恒定不变，即使S₁＝S₀，这是水系统完全相似条件对水系统的约束要求。它意味着水系统中没有一个可以随负荷变化而改变几何参数的调节阀。我们一再强调水系统要在完全相似的工况上运行，这是因为只有在完全相似的工况，水泵才能有最节能的运行形式：节能和转速的三次方成正比的关系，相应在物理上就是水系统具有最小综合阻力系数，节流损失最小。分析在水泵n₁特性曲线上除了n₁特性曲线和管路阻力特性曲线S_t的交点A₁外，其他任何工况点均没有这样的关系。例如在等压线上的C点，即常用的变频定压供水系统在水泵转速为n₁时的工况点，可以推导出，这时水泵的功耗只和流量的一次方成正比。而形式上和(18)、(19)完全相同的传统水泵相似表达式，它是把水泵从水系统中孤立出来，用相似理论分析得出的，显然它没有考虑水泵放入水系统中要想使水泵在相似工况运行，对水系统有什么要求。在传统的水泵相似运行形如公式(18)的左边压力项代表的是水泵的压头，形如公式(19)的左边功率项代表的是水泵的流动功，它们是用现行的按专业模块用“片面思考”的理念推导出来的。现在许多有关变频器的文章或样本上不分场合宣称水泵、风机用变频器后节省的功率和转速的三次方成正比，而照此理念完成的工程，常有风机、水泵使用变频器后达不到三次方的节能效果的案例，使用者根本不清楚问题的症结所在。究其原因，其实这是理论概念上的错误。

系统是物质存在的基本形式和根本属性，按照“系统思考”的理念设计、构筑的中央空调系统，比起“片面思考”的理念更符合客观实际，因而有更优越的性能。按照“系统思考”理念构成的中央空调系统的许多性能，比如水泵自发地跟踪最小综合阻力特性曲线运行的性能，是传统按专业模块“片面思考”的理念无法理解的，其优良的性能也是传统理念构成的空调系统无法企及的。

由于最不利环路中每一个元件的综合阻力系数(S_i或S_j)和通过的流量(L_i和L_j)可以事先根据负荷大小精确计算出来，因此用公式(9)很容易精确计算出设计工况时水泵的扬程，然后根据扬程和流量进行水泵的参数选型计算。由于环路中每一个元件的综合阻力系数(S_i或S_j)在变工况是不变的，根据负荷的变化，便很容易确定变工况时每个元件的流量(L_i和L_j)，那么利用公式(9)就可以计算出变工况时水系统阻力特性及水泵节能运行特性。用公式(9)计算水系统阻力的工作变得非常简单、准确，正因为简单，才把握住了水系统运行的核心本质，更显示出这种方法强大的生命力来。

管道的综合阻力系数S_i和局部阻力元件的综合阻力系数S_j只是管道、元件几何参数(如管径、管长、特定局部阻力元件的几何形状、开度不变的阀门等)的函数，而和流量无关。从这个结论的推导过程可以看出，本专利是把空调水系统的水管、末端、冷机、水泵、水路系统的控制策略及环境作为一个统一的整体，用“系统思考”的理念来解决空调整个系统的节能问题的。突破了传统的按专业模块“片面思考”的空调设计中水系统阻力计算的观念。观念的突破不仅彻底改变了传统的片面思考的空调设计中水系统阻力的计算方法，使计算简单而准确，也可以使中央空调系统的结构、自控方式和节能效果发生传统观念无法理解的根本性的转变。比如，现在某些大公司极力推销的价格昂贵的水力平衡阀，用这一新的观念进行分析，水系统可以不要水力平衡阀而且比有水力平衡阀的系统运行更为节能。这是因为，根据本专利提出的新观念，可以推导出在水系统中任何一个几何参数不变的阻力元件，理论上都可以作为流量计。有了作为流量计的盘管(因为，通常盘管的流量特性是给定的)，有末端盘管后面可调开度的隔离阀(顶好是带刻度和锁紧装置的)，这个水支路便有了水力平衡阀的功能，因而系统无须再安装价格昂贵、又增加水系统节流损失的水力平衡阀，也可以进行系统的水力平衡调节。

实施例2

在这里，用北京地区建筑面积为1万m²的典型的综合办公楼空调水系统设计为例，来说明本专利和传统水系统设计的异同。

对于1万m²的综合办公楼，冷负荷概算指标为130w/m²，大楼总的冷负荷为1300kW，大楼选用最常用的风机盘管加新风系统。按照最常用的机房构成采用3台冷机、3台冷却泵、3台冷冻泵的一对一的结构模式。

由于空调绝大多数时间都在部分负荷下运行，季节平均负荷只有58％，因此实际负荷在冷机出力两档参数中间时，采用就小不就大的理念，故选取CIATLW1400型螺杆式冷水机组3台。其性能如下：额定工况制冷量404.8kW，输入功率96kW。理论上冷冻水泵水量为69.6m³/h；冷却水量为86m³/h。根据一般经验估算，冷冻泵的压头在33mH₂o，查水泵样本，选用Wilo-NP 65-160-φ166水泵，功率为8.5kW；冷却水泵的压头在25mH₂o，查水泵样本，选用Wilo-NP 65-160-φ157.5水泵，功率为8.0kW。

这里采用的是估算方法。实际可以用本专利水路阻力计算法，准确计算出水系统的总压头ΔP_t，根据总负荷求出水系统的总流量L_t那么，可以根据公式(9)计算出水系统的总的综合阻力系数S_t。在水泵特性曲线上按一定间隔分为若干个工况点，用公式(9)计算出特性曲线上每一个工况点的综合阻力系数S_p，S_p与相应工况点的ΔP_p(压头)、L_p(流量)、W_p(功率)、η_p(效率)、(P_p)价格组成数组(ΔP_p、L_p、W_p、η_p、P_p、S_p)，将水泵特性曲线上所有选定的工况点的(ΔP_p、L_p、W_p、η_p、S_p)做成列表函数，构成矩阵，把水泵的压头-流量特性曲线ΔP_p-L_p彻底改造为适合计算机程序处理运算的形式。把所有常用水泵特性都转换成列表函数表示，做成矩阵形数据库，就可以用水系统总的综合系数S_t采用程序插值法求出水泵实际工况点，从而选择出匹配最好的水泵(目标函数是最高的效率或最低的价格)。如果选出水泵实际工况点的压头ΔP_p、流量L_p和系统要求参数不符，压头相差为ΔP_d＝(ΔP_p-ΔP_t)，那么需要关小水泵出口的隔离阀，将富裕的压头消耗掉，这造成的附加阻力节流损失由公式(20)计算：

ΔW_d＝(ΔP_d·L_t)/(η_p·η_m·η_in)       (20)

式中：

ΔW_d——富裕压头造成的附加节流损失，kW；

ΔP_d——富裕压头，Pa；

η_p——水泵效率；

η_m——水泵驱动电机效率；

η_in——水泵电机变频器效率。

注意，以上的讨论是在(ΔP_t-H₀)—L坐标系中进行的，由于对不同的开式水系统的静压头H₀数值是不同的，给建立水泵性能列表函数数据库的工作带来一定困难，为此，先建立和静压头H₀无关的闭式水系统水泵性能列表函数数据库，如果在开式水系统中应用时，将数据库的数据转换到(ΔP_t-H₀)-L坐标系统中就可以了。

这样选择出的水泵在水系统建成前的运行效果，便可以计算出来，而不必非要等到整个空调系统完工调试测定才能确定。水泵实际运行效果的这种计算和每一种管道的按经济流速确定的管道直径计算出的比综合阻力系数s_i的计算方法，使设计人员在空调系统设计中每一步选择的后果心知肚明。在设计中对选择行为后果的可预知性，也是本专利不同于传统设计理念的非常重要的特色。

假定所选择的水泵和系统特性非常匹配(传统设计法没有这种功能，现在假定已有最佳结果)，比较计算时均负荷率58％时水泵的功耗。各个空调方案用冷机工作的台数进行能量粗调，在时均负荷时，各空调方案均有两组冷机、水泵工作。假设空调季节运行累计时间为1200h，电价为1.00y/kWh，假定冷却水系统的静压头为50000Pa(5mH₂o)。

1.对于传统的定水量系统，在时均负荷率为58％时，系统有两组冷机、水泵工作：

冷却水泵总功耗为：2×8＝16kW，空调季节总电费为1.92万元；

冷冻水泵总功耗为：2×8.5＝17.0kW，空调季节总电费为2.04万元。

2.对于冷冻水变频定压变流量系统，即通常用的“一变多定”变频泵控制方案。在时均负荷率为58％时，系统的冷冻水总流量为额定流量的58％，系统有两组冷机、水泵工作：

冷却水泵总功耗为：2×8＝16kW，空调季节总电费为1.92万元；

冷冻水泵总功耗只和流量的一次方成正比，但只有两台水泵投入运行，即时额定流量为总额定流量的2/3，总流量58％占2/3流量的87％，则有：0.87×17＝14.79kW，空调季节总电费为1.775万元，是定流量系统冷却水泵季节总电费的87.0％。

3.本专利提出的变压、变流量完全相似控制方案，是各台水泵均采用变频器控制的方案。在系统负荷率为58％时，系统的总流量为额定流量的58％，这时系统有两组冷机、水泵工作，系统即时额定流量是总额定流量的2/3，总流量58％占2/3流量的87％，则有：

用公式(16)、(17)计算冷却水泵总功耗为8.16kW，空调季节总电费为0.98万元，是定流量系统冷却水泵季节总电费的51.0％；

用公式(18)、(19)计算冷冻水泵总功耗为4.39kW，空调季节总电费为0.527万元，是定流量系统冷冻水泵季节总电费的25.8％，是定压变流量系统冷冻水泵季节总电费的29.7％。

用本专利构成中央空调系统在一个空调季节水泵总电费为1.507万元，是定流量中央空调系统季节水泵总电费的38.1％，与定流量水系统水泵季节总电费3.96万元比较，季节节省总电费为2.453万元，节省率为61.9％，节能效果、节约电费相当显著。

实施例2仅是水泵节能运行计算出的结果，但已足以说明本专利使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配方法中“系统思考”理念的新颖性及创造性，它必将有很好的应用前景。

Claims (3)

1、一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法，其特征在于按下述步骤导出：

A、第i段管道沿程阻力ΔP_i用公式(1)计算：

$\mathrm{\Δ}{P}_i=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/{\mathrm{\π}}^2{d}_i^5)L_i^2$

$=S_i{L}_i^2---\left(1\right)$

式中：

ΔP_i——第i段管道的沿程阻力，Pa；

ρ——水的密度，kG/m³；

λ_i——第i段管道沿程阻力系数，无因次；

l_i——第i段管道长度，m；

d_i——第i段管道直径或当量直径，m，可以按经济流速选取；

L_i——通过第i段管道的流量，m³/s；

S_i-第i段管道的综合阻力系数，kG/m⁷；

B、计算第i段管道的综合阻力系数用公式(2)计算：kG/m⁷；

$S_i=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/{\mathrm{\π}}^2{d}_i^5)=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/d_i^5)---\left(2\right)$

C、第j个局部阻力元件的局部阻力ΔP_j用公式(3)计算：

$\mathrm{\Δ}{P}_j=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/{\mathrm{\π}}^2{d}_j^4)L_j^2$

$=S_j{L}_i^2---\left(3\right)$

ξ_j——第j个局部阻力元件的局部阻力系数，无因次；

d_j——第j个局部阻力元件的管径或当量直径，m；

L_j——通过第j个局部阻力元件的流量，m³/s；

S_j——第j个局部阻力元件的综合阻力系数，kG/m⁷；

$S_j=8\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/{\mathrm{\π}}^2{d}_j^4)=0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/d_j^4)---\left(4\right)$

D、串联水回路的阻力压降用公式(5)计算：

ΔP_ts＝S_tsL²＝∑ΔP_i+∑ΔP_j＝(∑S_i+∑S_j)L²    (5)

$S_{\mathrm{ts}}=\mathrm{\Σ}{S}_i+\mathrm{\Σ}{S}_j=\mathrm{\Σ}0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\λ}}_i{l}_i/d_i^5)+\mathrm{\Σ}0.81\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ξ}}_j/d_j^4)---\left(6\right)$

式中：

ΔP_ts——串联水路总压降，Pa；

S_ts——串联水路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L——串联管路中的流量，m³/s；

其他符号同前；。

E、并联水回路的总的综合阻力系数S_tp用公式(8)计算：

ΔP_tp＝S_tpL² _tp＝S_tp(∑L_i)²                   (7)

$S_{\mathrm{tp}}=1/{\left(\mathrm{\Σ}\sqrt{1/S_i}\right)}^2---\left(8\right)$

式中：

ΔP_tp——并联水路总压降，Pa；

S_tp——并联水路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_tp——并联管路总的流量，m³/s；

L_i——并联支管路的流量，m³/s  ；

其他符号同前；。

F、水系统最不利水环路的阻力计算，其计算公式如下：

$(\mathrm{\Δ}{P}_t-H_0)=S_t{L}_t^2=\mathrm{\Σ}{S}_i{L}_i^2+\mathrm{\Σ}{S}_j{L}_j^2---\left(9\right)$

式中：

ΔP_t——最不利水环路总的阻力，等于水泵扬程，Pa；

H₀——开式水系统最不利水环路静水位差，对于闭式水环路H₀＝0，Pa；H₀相当于电回路中的反电势，我们称之谓反水势；

(ΔP_t-H₀)——最不利水环路总水势，Pa；

S_t——从水泵进出口端看，水环路总的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_t——水泵流量，即水系统总流量，m³/s；

S_i——最不利水环路第i段管道的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_i——最不利水环路第i段管道的流量，m³/s；

S_j——最不利水环路第j个局部阻力元件的综合阻力系数，kG/m⁷；

L_j——最不利水环路第j个局部阻力元件的流量，m³/s。

2、根据权利要求1所述的一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法，其特征在于综合阻力系数S_i和局部阻力元件的综合阻力系数S_j只是管道、局部阻力元件几何参数的函数，而与流量无关。

3、根据权利要求1所述的一种使水泵性能和中央空调水路系统阻力相匹配的方法，其特征在于，对于开式或闭式中央空调水系统，如果在最节能的全相似的工况运行，充分必要的条件是在(ΔP_t-H₀)-L坐标系中，水环路总的综合阻力系数S_t保持恒定不变。

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