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風機選型與安裝

工廠降溫FFU風機過濾單元的應用探討用變速風機調節(jié)風水工程

  FFU風機過濾單元工程也有缺點:風機數(shù)量大,故障機率大。且因FFU布置在吊頂上,維修有一定困難。而集中風工程因設備較為集中,數(shù)量也少,易于維護。但這也不完全是缺點:FFU工程正是因為數(shù)量眾多而分散,通常少量的FFU出現(xiàn)故障,并不能對潔凈度造成嚴重的破壞。甚至可以在對潔凈度幾乎沒有影響的情況下發(fā)現(xiàn)并修復故障單元。而集中送風工程只要一臺AHU出現(xiàn)故障,就會造成大面積的潔凈室停止運行,對生產(chǎn)的影響很大。在幾乎所有的項目中,冷凍機、空壓機、純水設備、水泵、真空泵搶救無效都可以做到備份,盡量減少設備故障對生活的影響。唯獨空調箱的備份幾乎沒用。FFU工程則在某種程度上達到了這個目的。
FFU(Fan Filter Unit),F(xiàn)FU風機過濾單元因省去了巨大的送回風管,故可節(jié)省安裝空間。對于層高緊張的改建項目非常合適。帶來的另一個好處因風管很少空間相對寬敞而使工期縮短。是一個自帶送風機(無殼風機)的高效過濾器送風口,它與其專用龍骨工程(Ceiling Grid)、冷卻盤管(一般為干盤管)、加壓風機、負壓通風系統(tǒng)以及專用燈具共同組成了FFU工程。 FFU風機過濾單元因省去了巨大的送回風管,故可節(jié)省安裝空間。對于層高緊張的改建項目非常合適。帶來的另一個好處因風管很少空間相對寬敞而使工期縮短。的使用方式是,新風有新風空調機處理至所需狀態(tài)點后送入,在靜壓箱內與回風混合后經(jīng)FFU的風機加壓后經(jīng)HEPA或ULPA送入室內,再經(jīng)架空地板或側墻回至干盤管,在此經(jīng)冷(熱)處理后經(jīng)由回壓機送回至靜壓箱完成循環(huán)。這樣的工程最為常用于有超靜要求的潔凈室,如大型集成電路晶圓的制造、尖端顯示器如TFT、PDP等的制造、硬盤的制造等。
通過5個工程實例,探討在供熱空調工程中利用變速風機和變速泵代替調節(jié)用風閥水閥實現(xiàn)風和水工程的調節(jié)的可能性。分析表明,這樣做可以節(jié)省運行能耗,同時改善工程的調節(jié)品質,工程的初投資一般也不會增加。

水泵和風機能耗約占供熱空調工程總能耗的40?這些能耗中的1/3左右被各種調節(jié)閥門所消耗,但這樣大的代價并沒有換來好的調節(jié)效果,反而導致工程中許多問題發(fā)生。采用變速風機和變速泵充當調節(jié)手段,可節(jié)省這部分能耗,并可解決許多調節(jié)中的困難。

1、引言

在暖通空調工程中,使用大量的風閥水閥對工程中的風量水量進行調整,使其滿足所要求的工況。它們的調節(jié)原理是增加工程的阻力,以消耗泵或風機提供的多余的壓頭,達到減少流量的目的。因此這些調節(jié)閥的調節(jié)作用是以消耗風機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調工程中愈來愈多地使用自動控制工程。為實現(xiàn)自控,許多風閥水閥還要使用電動執(zhí)行機構。

目前質量好的電動水閥價格為幾千甚至上萬元。電動風閥亦需要幾千元。電動風閥水閥的費用常常占到自控工程總費用的40%以上。能否改變工程的構成方式,減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門,用其它方式實現(xiàn)對流量的調節(jié)?風機水泵與風閥水閥是一一對應的兩類調節(jié)流量的設備。

風機水泵為流體提供動力,而風閥水閥則消耗流體多余的動力。因此,若用風機水泵代替風閥水閥,不是在能量多余處加裝閥門,而是在能量不足處增裝水泵或風機,通過調節(jié)風機水泵的轉速,同樣可以實現(xiàn)對工程的流量調節(jié)。

此時由于減少了調節(jié)閥,也就減少了閥門所消耗的能量,因此會減小運行能耗。同時,目前可變轉速的風機、水泵價格與相同流量的電動風閥、水閥價格接近,甚至更低,因此初投資也不會提高。從這一思路出發(fā),本文先給出幾個用泵代閥的例子,然后進一步討論這一方案對暖能空調工程的意義及要注意的問題,以期引起大家的討論。

2、實例分析

2.1 簡單工程的流量控制

一個簡單的控制循環(huán)流量的工程,泵P提供動力以實現(xiàn)水通過閥V、管道及用戶U間的循環(huán)。圖2給出當閥全開、泵的轉速n=n0時工程的工作點。此時,流量為G0,水泵工作效率為η0,即效率最高點。要使流量減小一半,一種方式是將閥門關小,使管網(wǎng)等效阻力特性曲線向左偏移,此時泵的效率降低至η1,壓力升至p1。

由于壓力升高,效率降低,因此盡管流量減少至一半,泵耗僅減少20%~30%,此時除閥門以外的管網(wǎng)部分由于其阻力特性不變,因此僅消耗壓降p0/4,剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在閥門上,它消耗了此時泵耗的80%,這就是為什么說調節(jié)閥消耗了大部分水泵能耗的依據(jù)。此外,水泵工作點偏移造成的不穩(wěn)定、閥關小后大的節(jié)流和壓降引起的噪聲,都對工程有不良影響。

若保持不變,但將泵的轉速降至50%,同時給出此時的工作狀況,這時管網(wǎng)的阻力特性曲線不變,泵的工作曲線下移,泵的工作效率仍將為η0,壓力p2為p0/4。這樣,減少流量后泵耗僅為原來的1/8,具有極顯著的節(jié)能效果。同時,由于泵的工作點及閥的位置均未變,因此工程工作穩(wěn)定,且不會有節(jié)流噪聲。
此簡單例子說明:

(1) 當調節(jié)閥產(chǎn)生調節(jié)作用時,將消耗其所在支路的大部分流體動力。并且由于改變了管網(wǎng)阻力特性,使管網(wǎng)中的動力機械工作點偏移,在多數(shù)情況下這將導致效率下降。

(2) 當采用變速方式調節(jié)流量時,泵或風機能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于工程阻力特性不變,泵或風機的工作點不變,因此效率不變,泵、風機及工程均可穩(wěn)定地工作。

(3) 以調整泵或風機的轉速來調整流量應該是流量調節(jié)的最好手段。

2.2 供熱水網(wǎng)

若工程設計合理,泵選擇適當,則最遠端用戶處的余壓恰好為它所需要的壓頭,閥V5全開,不多消耗能量。此時,若各用戶流量相等,彼此距離相等,主干管上比摩阻相同且忽略閥門全開時的阻力,對于n個用戶,閥門V1消耗的能量與用戶外管網(wǎng)所消耗的總能量的百分比EV1為:

EV1=(1/n)×((n-1)/n)

第k個閥門所消耗能量與用戶外管網(wǎng)總能耗的百分比EVk

EV1=(1/n)×((n-1)/n)

前n-1個閥門共消耗的能量為:

當熱用戶個數(shù)足夠多時,(n-1)/(2n)約等于50%,也就是消耗在外網(wǎng)的能耗約有一半被各支路的調節(jié)閥所消耗。一般用戶側真正需要的揚程僅為循環(huán)泵揚程的20%~30%,即外網(wǎng)消耗70%~80%。因此,總泵耗的35%~40%的能量被調節(jié)閥消耗掉。有時為安全起見,循環(huán)泵的揚程還要選大些,然后再通過圖3中的閥門V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網(wǎng)中調節(jié)閥消耗一半以上的泵耗。

若改用圖5方式連接熱水管網(wǎng),在各用戶處安裝用戶回水加壓泵,代替調節(jié)閥,減小主循環(huán)泵的揚程,使其只承擔熱源及一部分干管的壓降,用戶的壓降及另一部分干管壓降由各用戶內的回水加壓泵提供,則其水壓圖見圖6。

此時無調節(jié)閥,因此也無調節(jié)閥損失的泵耗,用戶處各個回水加壓泵的揚程應仔細選擇。若選擇過大,再用閥門降低同樣會消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過調整轉速來實現(xiàn)各個用戶所要求的流量,因此不再靠調節(jié)閥消耗泵耗,這樣,盡管多裝了許多泵,但運行電耗將降低50%以上。

在這種情況下,若各用戶要求的流量變化頻繁,整個工程的總流量亦在較大范圍內變化,總循環(huán)泵也可用變頻泵,并根據(jù)干管中部供回水壓差(見圖5、6中點A)來控制其轉速,使該點壓差維持為零,則工程具有非常好的調節(jié)性能與節(jié)能效果。分析表明,當采用如圖3常規(guī)的管網(wǎng)方式時,若由于某種原因,一半用戶關閉,不需要供水時,未關的用戶水量會增加,最大的流量可增加50%以上,而同樣的管網(wǎng)采用圖5的方式,并且對主循環(huán)泵的轉速進行上述方式的控制,則同樣情況下未關閉的用戶的水量增加最大的不超8%,工程的水力穩(wěn)定性大為改善。
此方面的進一步詳細分析見文獻[1],這一方案準備在已開始施工的杭州熱電廠冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)中使用,各用戶為吸收式制冷機、生活熱水用換熱器,冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明,對于這種負荷大范圍變化的工程,采用這種方式,比常規(guī)方式節(jié)省泵的電耗62%,并改善了工程的水力穩(wěn)定性。同時還使整個工程壓力變化范圍減小,從而可降低管網(wǎng)承壓要求,處長管網(wǎng)壽命。在各用戶處安裝調速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調節(jié)閥及節(jié)省的用電增容費中補齊,因此總投資可以不增加甚至有所降低。

2.3 空調水工程

為減少水泵電耗,便于工程調節(jié),許多工程采用兩級泵方式,如圖7。泵組P1可根據(jù)要求的制冷機的運行臺數(shù)而啟停,其揚程僅克服蒸發(fā)器阻力及冷凍站內部分管路的壓降,泵組P2則克服干管及冷水用戶的壓降。為了節(jié)能,P2有時還采用變速泵,根據(jù)用戶要求的流量調節(jié)泵的轉速,調節(jié)規(guī)則是維持最遠端用戶處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻[2]中指出,P2采用變速泵后,其能耗并非如廠商所宣傳的那樣“與流量的三次方成正比”。

假設冷水用戶所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50%,例如均為5m,則泵組P2的轉速就要按照使最末端壓差恒定為5m來控制。假設各用戶要求的流量均為最大流量的50%,則各用戶本身的調節(jié)閥都紛紛關小,此時末端壓差仍為5m,干管流量降低一斗,故壓降變?yōu)?.25m,泵組P2所要求的壓降從原來的10m降至6.25m,流量雖降至一半,但泵的工作點左偏,效率降低,因此泵耗約為最大流量時的45%左右,而并非按照三次方規(guī)律所預測的12.5%。造成這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于各用戶調節(jié)閥關小,消耗了多余的這部分能量。

此外,如果干管壓降占P2揚程的一半,則如同上一例所分析,由于各用戶遠近不同,這部分泵耗的一半也被各用戶的調節(jié)閥所消耗。并且空調工程為了改善其調節(jié)性能,還希望調節(jié)閥兩側壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣,平均估計,即使采用變速泵,泵組P2的能量中也有60%以上被各個調節(jié)閥消耗掉。

再分析這種工程的穩(wěn)定性。當由于某種原因,一些用戶關閉,一些用戶調小,總流量降低50%時,干管壓降減少,泵的轉速未變化的用戶的流量最大增加幅度約為10%~20%,與泵的性能曲線形狀有關。這時只要將轉速相應地減少,即可維持原流量。采用這種方式,用各個小變頻泵代替一組大變頻泵,由于總功率降低20%~30%,因此價格不會增加。采用新方案后,還省掉各個空調機的電動調節(jié)閥,因此初投資將降低。


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