異程布置的冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)水力特性計算方法

劉雪峰　劉金平　陳星龍

摘要：

大型中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)水力特性精確計算是研究其優(yōu)化設(shè)計和運行的必要條件，簡化模型因計算誤差大而無法應(yīng)用于大型管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水力計算。以異程布置的冷凍水系統(tǒng)為研究對象，在充分考慮末端支路溫度調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性的基礎(chǔ)上，建立了管網(wǎng)水力特性精確數(shù)學(xué)模型，提出了虛擬流量的計算機邏輯算法。以10個AHU支路的異程式管網(wǎng)為仿真計算對象，計算該管網(wǎng)最小供回水壓差以及不同供回水壓差條件下的各支路溫度調(diào)節(jié)閥開度和實際流量，計算結(jié)果符合異程式管網(wǎng)存在較大壓力不平衡的固有特性。該計算方法能夠確保計算收斂，實現(xiàn)了利用一個邏輯程序計算管網(wǎng)各種水力特性，為異程式管網(wǎng)水力特性研究提供了參考價值。

關(guān)鍵詞：

冷凍水系統(tǒng)；異程布置；水力特性；計算方法

大型中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)水力特性計算屬于多變量耦合的非線性問題，所有末端支路水力失調(diào)、部分末端支路水力失調(diào)以及所有末端支路水力可調(diào)是不同管網(wǎng)供回水壓差條件下的3種運行狀態(tài)，計算模型的變量類型和數(shù)量因管網(wǎng)供回水壓差不同而不同，傳統(tǒng)多變量迭代求解算法很難收斂，而簡化末端支路連接管類型及阻抗的簡化計算模型對于大型管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計算誤差很大，不利于研究管網(wǎng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和可靠性的物理機理。管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)流動計算模型在空調(diào)系統(tǒng)整體性能模擬計算中的應(yīng)用，為管網(wǎng)阻力特性計算研究提供了思路，基于流體力學(xué)一元流動連續(xù)方程、能量方程及串并聯(lián)管路流動規(guī)律，可以建立冷凍水系統(tǒng)阻力特性的簡化模型，其適合于計算穩(wěn)態(tài)條件下的冷凍水系統(tǒng)串并聯(lián)阻抗，計算循環(huán)壓力結(jié)果與實測值相吻合，表明并聯(lián)計算法有一定可行性[12]。回路法和道路法流量調(diào)節(jié)計算方法的原理也被應(yīng)用于供熱空調(diào)系統(tǒng)管網(wǎng)水力計算，將管網(wǎng)中各管段流量和水泵工況點作為已知參數(shù)計算管段阻力，并通過算例說明了該方法的有效性，運用迭代法對空調(diào)與熱水供熱管網(wǎng)進行數(shù)值仿真，可以有效地解決管網(wǎng)熱壓的計算[35]。將冷凍水和冷卻水管路不同管徑下的不同流量所對應(yīng)的比摩阻繪制成計算表，應(yīng)用該計算表能快速、準(zhǔn)確、方便進行空調(diào)水系統(tǒng)管路水力計算，并能找出管網(wǎng)中真正的最不利環(huán)路[68]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等數(shù)學(xué)方法為解決空調(diào)系統(tǒng)高度非線性問題成為可能，但往往忽略了空調(diào)系統(tǒng)自身的物理規(guī)律，末端設(shè)備溫度調(diào)節(jié)閥的實時調(diào)節(jié)作用所引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性變化等諸多問題，需要充分考慮冷凍水系統(tǒng)不同負(fù)荷分布特性的運行調(diào)節(jié)特性[910]。以管網(wǎng)最遠端壓差為反饋信號進行控制是常見的節(jié)能運行方式，假設(shè)管網(wǎng)阻抗為定值，通過阻抗串并聯(lián)原理逐次計算支路阻抗來確定壓差控制目標(biāo)值，同樣沒有考慮末端支路的調(diào)節(jié)作用[11]。而Hopfleld神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（HNN）應(yīng)用于異程布置管網(wǎng)供回水溫差與管網(wǎng)優(yōu)化運行關(guān)聯(lián)性研究，其前提就是假設(shè)所以末端支路水力可調(diào)，忽略了末端調(diào)節(jié)閥的物理特性[1213]。超高層建筑中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)難確定最不利回路壓差，因此有工程技術(shù)人員通過在管網(wǎng)中某一位置設(shè)定監(jiān)測點來推算管網(wǎng)最佳供回水壓差，并認(rèn)為監(jiān)測點壓差與管網(wǎng)最佳供回水壓差成線性關(guān)系，從而簡化管網(wǎng)水力計算模型，但忽略了管網(wǎng)支路負(fù)荷分布不平衡性對其所產(chǎn)生的影響[14]。

劉雪峰，等：異程布置的冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)水力特性計算方法

綜上所述，假設(shè)兩個相鄰支管路連接干管壓損忽略不計的簡化算法，實際上簡化了管網(wǎng)同程布置和異程布置的差異性，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，計算誤差越大，不利于研究大型管網(wǎng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)特性。本文充分考慮末端支路調(diào)節(jié)特性，通過虛擬最遠端支路流量，將復(fù)雜的管網(wǎng)水力計算，轉(zhuǎn)換為變步長和二分法的單變量邏輯計算過程，可以得到冷凍水管網(wǎng)各種運行狀態(tài)下支路實際流量及溫度調(diào)節(jié)閥開度的近似精確解，為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計與運行提供了計算分析方法。

1冷凍水系統(tǒng)異程布置形式

冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)異程布置是常見的一種管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)簡單，投資較小，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如

2.4計算方法及邏輯

2.4.1計算最小供回水壓差冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)最小供回水壓差即為滿足所有末端支路流量要求的最小供回水壓差，至少保證有一個末端支路溫度調(diào)節(jié)閥開度Kvalve_temp_n=1，且支路實際流量等于實際需求流量，這時管網(wǎng)冷凍水輸送的動力功耗最小。已知管網(wǎng)負(fù)荷分布，將管網(wǎng)最遠端支路實際流量（Gbranch_virtual）假設(shè)為虛擬變量進行迭代計算，利用變步長和二分法迭代計算方法進行計算機邏輯計算編程。在計算過程中，如果虛擬流量小于該支路實際需求流量，則虛擬流量等于該支路實際流量；如果虛擬流量大于或等于該支路實際需求流量，則該支路實際需求流量等于該支路實際流量，最遠端支路虛擬流量與實際需求流量的差值則等價轉(zhuǎn)換為溫度調(diào)節(jié)閥兩端壓差，可以表示為：

其等同于最遠端支路流量與管網(wǎng)供回水壓差為單一函數(shù)關(guān)系式，由管網(wǎng)最遠端到最近端逐次進行水力計算，根據(jù)單變量迭代求解的算法，就可以得到每個支路溫度調(diào)節(jié)閥開度、支路壓差、冷凍水流量以及管網(wǎng)供回水壓差，計算邏輯如圖2所示：

圖2冷凍水管網(wǎng)最小供回水壓差計算邏輯圖

2.4.2管網(wǎng)水力特性計算變壓差控制作為冷凍水系統(tǒng)節(jié)能運行的方式之一其水力特性精確求解為深入研究其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和可調(diào)性提供理論計算方法，是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計和運行的基礎(chǔ)。如果冷凍水管網(wǎng)所有末端支路水力可調(diào)，管網(wǎng)負(fù)荷分布與管網(wǎng)最小供回水壓差為單值函數(shù)關(guān)系。當(dāng)管網(wǎng)供回水壓差大于最小供回水壓差時，管網(wǎng)各支路流量在溫度調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)作用下維持恒定，改變的是溫度調(diào)節(jié)閥的開度；當(dāng)管網(wǎng)供回水壓差小于最小供回水壓差時，管網(wǎng)各支路流量存在部分或全部水力失調(diào)現(xiàn)象，水力失調(diào)的支路其溫度調(diào)節(jié)閥開度始終為1，改變的是該支路冷凍水流量。在已知管網(wǎng)各個支路理論需求流量條件下，根據(jù)管網(wǎng)實際供回水壓差，利用變步長和二分法迭代計算方法，虛擬管網(wǎng)最遠端支路實際流量Gbranch_virtual進行迭代計算，從而可以得到已知管網(wǎng)供回水壓差條件下的末端支路溫度調(diào)節(jié)閥開度、壓差以及實際流量，計算邏輯如圖3所示：

圖3根據(jù)供回水壓差求解流量的計算邏輯圖

3實例計算

3.1計算參數(shù)與條件

以異程布置的冷凍水管網(wǎng)為仿真計算對象，管網(wǎng)共并聯(lián)了10個AHU節(jié)點，每個末端支路的冷凍水實際需求流量已知，末端支路溫度調(diào)節(jié)閥為比例積分線性閥門，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷凍水管網(wǎng)節(jié)點的計算參數(shù)如表1所示。

3.2計算結(jié)果

3.2.1所有末端支路水力可調(diào)根據(jù)圖2和圖3的計算邏輯，利用VB編程軟件編寫了計算程序。根據(jù)計算結(jié)果，該均勻負(fù)荷分布的冷凍水管網(wǎng)最小供回水壓差為ΔpAB_min=128 035 Pa，圖4反映了最小供回水壓差條件下的各末端支路溫度調(diào)節(jié)閥開度變化規(guī)律，最遠端支路溫度調(diào)節(jié)閥開度Kvalve_temp_1=1，越靠近管網(wǎng)供回水總管端，溫度調(diào)節(jié)閥開度越小，由遠端支路及近端支路，溫度調(diào)節(jié)閥開度由急劇減少過渡至緩慢減少階段，說明了異程布置的管網(wǎng)支路壓差不平衡性很大，這正是異程布置形式管網(wǎng)的典型特點，符合異程布置的冷凍水管網(wǎng)變壓差控制更容易引起遠端AHU熱濕處理能力急劇下降的工程現(xiàn)象。根據(jù)圖5和圖6所示，當(dāng)ΔpAB>ΔpAB_min時，管網(wǎng)末端支路溫度調(diào)節(jié)閥開度Kvalve_temp_1<1，末端支路冷凍水流量不變，供回水壓差越大，支路溫度調(diào)節(jié)閥開度的差異性越小，支路壓差不平衡性減少；當(dāng)ΔpAB<ΔpAB_min時，隨管網(wǎng)供回水壓差不斷減少，末端支路從最遠端開始依次進入水力失調(diào)運行狀態(tài)，支路水力失調(diào)運行狀態(tài)下的冷凍水流量隨供回水壓差減少而減少。冷凍水管網(wǎng)總流量隨管網(wǎng)供回水壓差減少而減少，且變化幅度越來越大，如圖7所示。以上計算分析跟異程布置管網(wǎng)實際運行特性吻合，反映了異程布置管網(wǎng)壓差不平衡性特性，說明計算結(jié)果是可靠的。