0.引言
“大流量、小溫差”是集中空調冷水系統中常見問題，特別是對于空調末端以風機盤管為主的系統，在實際運行中，其總供回水溫差往往明顯低于設計值，導致輸配能耗顯著增加。如何采用**的技術手段，提高水系統的運行溫差，降低輸配系統的能耗，實現系統的節能運行，一直是業界關注的問題。
與空氣處理單元、新風機組等末端相比，風機盤管水側控制的特點在于采用通斷型電動兩通閥，其控制策略為：當室溫超過上限時，通斷型電動兩通閥開啟；當室溫低于下限時，通斷型電動兩通閥關閉。朱偉峰等人指出，在這樣的系統中，無論是否進行水力平衡，由于末端之間的水力影響，系統的總供回水溫差必然會在部分負荷工況下減小；而由于系統在全年絕大部分時間內運行于部分負荷工況，所以實際測試的結果總是“大流量、小溫差”。蔡宏武歸納了實際系統的逐時冷量、溫差數據，驗證了朱偉峰等人的結論。Chang等人給出了定量評價末端之間水力耦合程度的指標，以及根據該指標估算風機盤管水系統整體性能的方法。
因此，為了解決風機盤管水系統“大流量、小溫差”的問題，必須從風機盤管水閥的控制入手，改變控制方式，提高控制水平，使各末端都工作在合適的流量和溫差下，這是“治本”的方法；而其他措施，例如水泵變頻控制等，并不能單獨解決小溫差問題，而是應該配合末端的控制方式進行調整。
本文從冷水系統節能的角度出發，對風機盤管水閥控制的若干問題進行探討，在此基礎上提出一種結合通斷調節和連續調節優點的控制方法，并將此方法集成于雙溫度控制閥中。**，通過動態模擬實驗驗證這種控制方法的控制效果和節能收益。
1.風機盤管水閥通斷控制必然產生“大流量、小溫差”
風機盤管水系統之所以會出現小溫差，核心的原因在于末端之間的水力耦合。在系統的實際動態運行過程中，所有末端水閥全開的工況極少出現，在絕大部分工況下，都會有一部分末端關閉水閥，由于末端之間的水力耦合作用，這些水閥關閉的末端會將冷水“擠向”其余末端，導致其余末端流量上升，超過設計值。水閥關閉的末端僅維持很小的流量，對水系統的總溫差沒有影響；系統總溫差由水閥開啟的末端決定，而這部分末端由于水流量超過設計值，所以供回水溫差低于設計值。系統總負荷率越低，關閉的風機盤管越多，這種末端之間的“擠水”現象就越明顯，系統總溫差就越低。因此，當以系統總供回水溫差為觀察對象時，就會發現它總是低于設計值，特別是在部分負荷工況下。
下面以一個算例來說明上述問題。如圖1所示，一個簡單的水系統包含6臺風機盤管末端，每個末端的額定流量為1L/s，高擋風速下的額定供回水溫差為5℃。各支路的阻力系數如表1所示。

圖1 系統示意圖
表1 各支路阻力系數

在所有末端閥門全開的工況下，1～6號末端的相對流量（實際流量與額定流量之比）分別為1.3，1.2，1.1，1.0，1.0，1.0，總供回水溫差為4.9℃。而如果有一半的末端關閉水閥，例如1～3號末端關閉水閥，則4～6號末端的相對流量分別上升為1.2，1.2，1.1，總供回水溫差為4.5℃。
上述問題的根源有以下兩點，一是末端之間的水力耦合是必然存在的；二是通斷調節閥沒有連續調節流量的能力，所以當一個末端的冷水流量超過設計值時，該末端并不能自主地調低流量。因此，對于末端水閥通斷調節的系統，無論系統在初始狀態下是否調至平衡狀態，都不能解決系統動態運行過程中的小溫差問題。
為了提高風機盤管水系統的供回水溫差，常見的思路是在管網中安裝各類水力平衡閥，**各支路多余的資用壓差，避免各末端流量過大。然而這樣的做法在實際工程中卻常常無法得到理想的效果，下面按照平衡閥的安裝位置分兩種情況分析。
1）在各級輸配干管上安裝水力平衡閥。這樣的措施可以削弱輸配干管之間的不平衡性，但卻會增大末端之間的耦合程度，加重“擠水”作用。研究表明，在冷水輸配管網中，輸配干管阻力在管網總阻力中所占的比例越大，風機盤管之間的水力影響就越嚴重，系統總供回水溫差就越低。例如，在上文所述的算例中，在主回水管上增加一定的阻力，使得主回水管的壓降上升2m，相應增大水泵揚程，使得所有末端閥門全開工況下各末端流量不變，此時如果關閉1～3號末端的水閥，則4～6號末端的相對流量分別為1.3，1.3，1.2，總供回水溫差為4.2℃，與未增加主回水管阻力的情況相比，總溫差下降了0.3℃。
因此，在各級干管上安裝水力平衡閥，雖然能在極端情況（所有末端水閥全開）下緩解水力不平衡狀況，卻會加劇部分末端開啟時系統總溫差下降的程度。這就解釋了很多實際工程中雖然安裝了多級平衡閥并進行了專業的調節，水系統總溫差卻依然偏低的現象。
2）在空調末端支路上安裝平衡閥。這種方案有利于降低末端之間的耦合程度，減弱末端調節動作之間的影響。但是，在實際運行中各空調末端不斷進行調節，各末端支路兩端的壓差始終變化，使用靜態平衡閥不僅不能實現動態平衡，而且會在一些工況下加劇不平衡。而如果采用動態平衡閥，例如在每個風機盤管前安裝動態流量平衡閥，將其當作限流器使用，則必須配給平衡閥足夠的閥權度，否則難以實現良好的平衡效果。而且，除非每次換季都對動態平衡閥逐個重新整定，否則無法保證在供冷供熱兩種工況下都能滿足將各末端流量維持在設計值的要求。
為了解決風機盤管水系統小溫差的問題，必須改變末端水側的控制方式。如果能夠將末端水閥由通斷調節改為連續調節，則可以同時解決末端水力平衡和耦合影響的問題。一方面，各個末端能夠自主動態平衡，在輸配管網中不必再安裝平衡閥，在冬夏季交替時也不需重新進行平衡工作。汪善國指出，在一般商業建筑中使用等百分比兩通閥，在自動平衡各支路的流量之后，仍剩余足夠的閥桿行程供調節冷量。另一方面，當一些末端降低流量時，另一部分末端可以自主關小閥門開度，避免流量被動地上升，削弱了“擠水”現象的影響。而且，在部分負荷下，連續調節水閥可以將流量降低到設計值之下，將系統的供回水溫差提高到高于設計值的水平，大幅降低系統總流量，取得良好的節能效果。
2.風機盤管水閥連續調節存在的問題
如果將風機盤管水閥改為連續調節，以下兩個問題需要特別引起注意。
1）冷負荷偏小、**負荷較高時的**問題。通常舒適性空調在夏季利用冷水冷卻室內空氣，同時還對室內空氣進行**，當室內冷負荷較小而濕負荷不小，即熱濕比較小時，水閥開度會關小，降低冷水流量以滿足室內冷負荷的要求，此時表冷器的送風溫度和含濕量較高，導致送風的**性能惡化，造成室內相對濕度偏高，影響室內環境的舒適性。
2）水閥開度較小、冷水流量較低時的控制問題。根據盤管冷量－冷水流量曲線，當水閥開度較小、冷水流量偏低時，水量的微小改變會導致冷量的大幅變化。圖2顯示了一個典型盤管的相對冷量－相對流量曲線，其中相對冷量（流量）指實際冷量（流量）與其額定工作值之比，對于該盤管，如果相對流量低于0.2，冷量對流量的變化就會很敏感，例如相對流量由0.04增長為0.08，相對冷量即由0.15增長為0.30。這使得末端在這個區域內的調節特性很差，控制過程很難保持穩定。

圖2 典型盤管曲線
綜上，風機盤管水閥連續調節的主要問題在于冷水流量較低時的**和控制調節。在這樣的工況下，采用通斷調節反而具有一定的優勢。首先，在通斷調節閥開啟時，盤管的流量較高，**性能有一定保證；其次，通斷調節閥非開即關，控制簡單，不存在閥門開度較小時調節困難的問題。
3.風機盤管水閥連續－通斷控制策略
3.1 制冷**工況
1）控制策略介紹
本文提出的風機盤管水閥控制策略結合了連續調節和通斷調節的優點。該策略既包含連續調節方式，又包含通斷調節方式�；厮疁囟缺挥脕砼袛嗍遣捎眠B續調節還是通斷調節。在夏季降溫同時要求**時，給出回水溫度的**限值tw，max，在常規的供水溫度、送回風溫度下，tw，max應當使風機盤管表冷器的表面平均溫度低于室內露點溫度，從而具有一定的**能力。
當回水溫度低于tw，max時，采用連續調節方式，由于盤管的表面溫度不會過高，所以送風的含濕量不會太高，即送風具有降溫能力的同時還有較強的**能力，可避免由于回水溫度過高而引起**性能惡化導致室內相對濕度偏高的現象。若回水溫度在tw，max之上，說明盤管表面溫度較高，**能力很差，通常這種工況對應的供冷量和冷水流量都較低。此時，根據回風溫度作進一步判斷：如果回風溫度高于其設定值，說明盤管供冷量不夠，需要繼續調大閥門開度，因此延續連續調節方式；如果回風溫度低于其設定值，說明盤管供冷量已經足夠，若繼續沿用連續調節方式，則會進一步降低冷水流量，而惡化末端的**能力和調節特性，應轉變為通斷調節方式。在連續調節和通斷調節的切換過程中，要設置控制死區，以避免閥門在兩個狀態間頻繁切換。
本文提出的控制策略如圖3所示，下面分別介紹回水溫度低于和高于上限值兩種情況的控制策略。

圖3 風機盤管連續－通斷控制策略
2）回水溫度低于上限值
當回水溫度低于上限值時，采用連續調節策略。常見的連續調節策略是簡單的單回路閉環反饋調節，即根據室內溫度與設定值的偏差控制水閥開度，從而實現室內溫度調節。然而，房間和盤管在熱慣性和調節特性上相差很大，房間溫度對供冷量變化的反應速度慢、線性強，而盤管供冷量對水閥開度變化的反應速度快、非線性強，因此，將房間和盤管直接置于一個回路中的調節質量不好，對調節對象和負荷變化的適應性差，過程的動態特性不佳。這種調節過程包含特性相差較大的對象的系統，適宜采用串級控制回路。
串級調節系統采用兩套傳感器和兩個調節器，兩個調節器串聯起來工作，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的給定，后一個調節器的輸出送往水閥；前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和調節的變量稱為主變量，即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和調節的變量稱為副變量，副變量是為了穩定主變量而引入的。本文采用的風機盤管串級控制策略中，主變量為房間溫度ta，副變量為回水溫度tw�？刂撇呗悦枋鋈缦拢�
①主回路策略比較元件1（指圖3中編號1，下同）通過比較室內溫度傳感器7檢測的室內溫度ta和室內溫度給定值ta，set，得出室內溫度偏差值e1，主調節器2根據室內溫度偏差值e1，通過閉環反饋算法，得出回水溫度給定值tw，set，但回水溫度給定值tw，set不得高于回水溫度的**限值tw，max。
②副回路策略比較元件3通過比較回水溫度傳感器8檢測的回水溫度tw和主調節器2輸出的回水溫度給定值tw，set后，得出回水溫度偏差值e2，副調節器4根據e2，通過閉環反饋算法，得出水閥開度命令值X，水閥開度命令值X作用于閥門及表冷器5，產生不同的換熱量Q，Q作用于調節對象房間6，從而調節室內溫度ta。
當諸如供水溫度、供水壓力變化所產生的二次擾動f2發生并進入副回路時，回水溫度tw很快受到影響，通過副回路的調節作用，快速抑制其影響，因此二次擾動f2在引起室內溫度ta波動之前即已被抑制，所以在滯后和時間常數較大的室內溫度調節中，采用上述串級調節系統，可減小超調量，縮短過渡時間，提高調節品質，特別是能大大增強抗二次擾動的能力，從而增強對水溫、水壓變化的適應性、改善過程的動態特性、進一步提高系統的調節質量。
3）回水溫度高于上限值
根據上文的分析，當回水溫度tw，set高于上限值tw，max時，需要分兩種情況討論。如果回風溫度高于其設定值，則采用上文所述的串級調節策略，增大閥門開度；如果回風溫度低于其設定值，則切換為通斷控制；若室溫低于下限，則關閉水閥；反之，則開啟水閥，但水閥并非全開，而是恢復到連續調節切換到通斷調節時的開度值。在這個開度值上，回水溫度約等于上限值。在水閥開啟的工況下，盤管具備一定的**能力，可以使得室內相對濕度不至于過高，且回避了小流量下冷量對流量變化非常敏感導致調節困難的問題。
3.2 供熱或供冷但沒有**需求的工況
在冬季供熱或夏季供冷但沒有**需求的工況，對回水溫度可不作限制，在所有工況下都采用連續調節方式。這使得流量可以被進一步降低，與夏季供冷**工況相比，可取得更顯著的節能效果。具體控制回路仍采用上文所述的串級控制系統。
3.3 采用連續－通斷控制策略的雙溫度控制閥
將上述策略和硬件集成在一起，可組成兼具連續調節與通斷調節功能的控制閥。由于在該閥門的控制過程中需要測量和控制室內空氣（回風）溫度和回水溫度，因此稱該閥門為雙溫度控制閥。雙溫度控制閥安裝在空調末端的回水管路上，采集副變量回水溫度的傳感器集成在閥體中，主調節器、副調節器、室內空氣（回風）溫度傳感器等集成在閥門驅動器中；室內控制器有一個人機界面，用于設定和顯示室內溫度；風機調速裝置既可置于室內控制器中，也可置于閥門驅動器中。
4.模擬分析
4.1 冷水系統動態模擬平臺
基于冷水系統動態模擬平臺進行了模擬實驗，驗證雙溫度控制閥的控制效果和節能效果。該平臺可以在秒級時間尺度上聯合求解空調末端控制過程和水力管網，從而既可以檢驗末端閉環控制效果，又可以計算水系統的整體流量、溫差和壓差。
4.2 模擬對象
模擬對象是一個包含50個風機盤管（FCU）的水系統。如圖4所示，該系統服務于5個樓層，每層有10臺風機盤管，每臺風機盤管負責1個房間。

圖4 風機盤管水系統
模擬設定如下：
1）風機盤管選型：風機盤管的設計進風溫度為24℃，設計進水溫度為7℃，設計供回水溫差為5℃。
2）冷水供水溫度始終保持在7℃，室溫設定值為24℃。
3）風機盤管的風量分為高、中、低三擋，由用戶自主調節。本算例中50個房間的風機擋位隨機分布在3個擋位上。
4）各房間的得熱量和產濕量隨機給定，但**值不超過盤管的制冷能力和**能力。
5）為了模擬實際控制過程中的各種擾動，在房間溫度傳感器的讀數上加入幅度不超過0.2℃的隨機誤差。
以制冷工況為例，對比計算如下兩個案例。
案例一：采用雙溫度控制閥，按照上述連續－通斷控制策略進行控制，其中回水溫度上限值為15℃。
案例二：采用傳統的通斷型電動兩通閥，當室溫高于24.5℃時，開啟水閥；當室溫低于23.5℃時，關閉水閥。
在上述兩個案例中，都沒有安裝各類水力平衡閥。案例二末端支路的設計資用壓頭為4m，案例一則設置閥權度為0.5，并相應增加了4m的資用壓頭。管網各支路的選型均一致。
4.3 模擬結果
1）雙溫度控制閥的房間溫濕度控制效果
圖5顯示了雙溫度控制閥的動態控制過程。在250min之前，房間得熱量較多，負荷率（房間得熱量與盤管額定供冷量之比）在70%左右波動；控制結果顯示，水閥開度在45%左右，房間溫度被控制在設定值（24℃）附近，房間相對濕度在50%左右，回水溫度約為12～13℃。在250min之后，房間內部發熱量下降，負荷率在30%左右波動；控制結果顯示，水閥開度迅速下降，當水閥開度下降到20%左右時，回水溫度達到15℃，此時切換為通斷調節模式，水閥在最小開度和20%開度之間調節。在轉換過程和通斷調節過程中，房間溫度始終能夠穩定地維持在設定值附近，房間相對濕度雖然有所上升，但是由于盤管仍然具有一定的**能力，所以也維持在70%以下，回水溫度則在15℃左右。值得注意的是，在上述算例中，為了考察雙溫度控制閥處理房間得熱量突變的能力，給出了房間得熱量迅速下降的工況，而為了考察其在低負荷下的**能力，當房間得熱量迅速下降時，產濕量并沒有隨之變化，因此相對濕度升高較明顯；而實際情況下房間得熱量迅速下降往往同時帶來產濕量的下降，例如人員離開房間等情況，因此相對濕度的升高不會有上述算例中那樣明顯�？梢�，雙溫度控制閥采用連續－通斷控制策略并使用串級控制回路，可以穩定地實現房間溫度的控制，并將濕度維持在合理的范圍內。

圖5 連續－通斷控制策略的房間溫濕度控制效果
2）能耗對比
為了研究方便，將水系統在給定工況下的總冷量和總流量作為該工況下的系統工作點的參數，將全年各工況下的系統工作點繪制于一張圖上，如圖6所示，該圖可以完整地反映出水系統的整體性能。在圖6中，總冷量和總流量都采用了相對量，其值等于工作點總冷量（總流量）與設計**冷量（設計**流量）之比。圖6中每一點與原點連線的斜率正比于該工況下的供回水溫差，因此在圖6上可以做出等溫差線。

圖6 水系統整體性能對比
圖6a顯示，對于采用雙溫度控制閥的水系統，總供回水溫差在大部分工況下都能保持在5～7℃之間。采用傳統通斷控制策略的水系統的總供回水溫差則在3～4℃之間，特別是在部分負荷率下溫差較低。
根據圖6得到全年每個工況點的總流量，由水系統動態模擬平臺中的管網模型和水泵模型，可得每個工況點的冷水泵實際揚程和效率，由式（1）計算得每個工況點的冷水泵功率，最終得到冷水泵全年能耗。結果顯示，由于系統溫差的提升，末端采用雙溫度控制閥取得了良好的節能收益，在上述算例中，與傳統通斷控制策略相比節能收益達到36%。值得注意的是，上述算例**于制冷工況，在供暖工況下，由于盤管和室內空氣之間的傳熱溫差更大，且沒有**需求，所以采用雙溫度控制閥可以達到更大的供回水溫差；從全年運行的角度來看，采用雙溫度控制閥的收益要高于本算例的結果。

（1）
式中　W為水泵功率，kW；Q為水泵工作流量，m3/h；Δp為水泵工作壓力，MPa；η為水泵效率。
3）小結
動態模擬結果顯示，雙溫度控制閥具有良好的控制穩定性，可以實現室溫的穩定控制，并且兼顧濕度；同時，采用雙溫度控制閥可以**提升系統供回水溫差，減小系統流量，大幅降低輸配能耗。
5.結論
5.1 采用連續－通斷控制策略的雙溫度控制閥可以克服現有水系統平衡和節能方案只重主干、忽視末端的現象，通過末端控制策略的優化，綜合連續調節和通斷調節的優點，在末端解決資用壓頭和流量過剩的問題，很大程度緩解了大流量、小溫差的問題，大幅降低冷水輸送能耗。
5.2 采用雙溫度控制閥后，不再需要安裝平衡閥，即可自動實現系統在制冷季和供暖季的動態平衡；既節約了初投資，又避免了過度安裝平衡閥造成的水泵揚程上升。
5.3 雙溫度控制閥采用以回水溫度為副變量的串級控制回路，室溫控制穩定，能夠抑制水系統由于供水壓力、供水溫度變化帶來的干擾，縮短室溫調節的過渡時間，提高調節品質；同時，這種方法兼顧了室內空氣的相對濕度，提高了舒適度。
文章鏈接：http://www.klevalve.com/jsxw/1214.htm

資訊來源：無錫科萊恩流體控制設備有限公司