关键词：分布式；流体输配系统；节能；系统论观；科学范式

Abstract: Fluid transmission and distribution is the core subsystem to realize the purpose of water supply or cooling or heating on demand in HVAC system. The intelligent distributed transmission and distribution control system in HVAC is put forward by a new system theory and nonlinear thinking system integration scientific paradigm for the purpose of overall optimization. It opens up a new scientific road for the HVAC system with great energy consumption and high efficiency and energy saving.

Key words: Distributed; Fluid transmission and distribution system; Saving Energy; Systematic view; Scientific paradigm

1  概述

从系统观分析，暖通空调系统基底的、终极的、唯一的控制因素是有效能耗散流动过程，而流体输配系统是有效能流动的促成者与冷热的携带者，因此控制有效能畅通无阻、极致高效的流动，以最小的耗能满足系统各个末端按需供水或供热或供冷要求的主要任务就落在了流体输配系统上。在暖通空调系统运行中，是同步变频主泵网络控制系统首先发现系统的总负荷变化，控制改变主泵运行频率跟踪系统总负荷变化，并以1500m/s的速度，向各个末端发出系统总负荷变化的同步物理信号——声波，使各个末端控制回路也发生同步控制变化，跟踪各自末端负荷变化而达到系统整体运行协调的。这就是暖通空调系统非线性、不可简约性复杂大系统的特质要求系统中所有组成设备各司其职，协同配合同步和谐运行，才能使暖通空调系统成为一个整体优化的有机系统整体，达到极致高效节能效果的原理。

分布式输配系统推出的初衷是以泵代阀，以减小水泵总的装机容量，减少调节阀的节流损失，达到系统高效节能的目的。按系统论观、非线性思维以整体优化为目的系统集成科学范式推出的暖通空调中的智能分布式输配控制系统原理图如图1所示。图2是分布式输配系统水压图，图3是在图1上的任意两点(Ai，Bi)接入如图3混流泵Pi1、混流管、用户泵Pi2构成的变温应用系统。变温应用系统使得用一种温度冷热源，便可以适用于多个温度应用区域，增加了构成系统的灵活性及适应性。暖通空调中的智能分布式输配控制系统是在分布式输配控制系统的基础上，给系统整体及各个末端赋予“实时跟踪负荷且花最小的代价实现这个过程”的功能即赋予自适应和最小耗能两个生物基本生存智能，这样，就可以使整个系统达到极致的最节能的理想状态。

2. 分布式输配系统的构成

智能分布式输配系统的结构如图1中的集中冷冻水供冷系统所示。集中冷冻水供冷系统采用的冷水输配方式是分布式的。其结构是主供水泵P0只管左边主管到平衡点（主供回水管之间压差为零之点）回路（B1-B0-A0-A1）的流体输送；以平衡点为基点，各支管中的水泵Pi（i=1~n）只管末端i（i=1~n）用户回路（A1-Ai-Bi-B1）的流体输配。主供水泵的理论设计扬程ΔP₀由公式（1）计算：

                                  （1）

式中：ΔP₀——主供水泵的理论设计扬程，kPa；ΔP_j——主供水泵的回路（B1-B0-A0-A1）第j个管段或设备的阻力降，j=1~m，m此回路共有的管段和设备总数，kPa。

主供水泵的理论设计流量为L₀由公式（2）计算：

                                     （2）

式中：L₀——主供水泵P₀的理论设计流量，m³/s；L_i——第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）水泵Pi（i=1~n）的理论设计流量，m³/s。

第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）水泵Pi（i=1~n）的理论设计扬程由公式（3）计算：

                                    （3）

式中：ΔP_i——第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）水泵Pi（i=1~n）的理论设计扬程kPa；ΔP_k——第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）第k个管段或设备的阻力降，k=1~q，q此回路共有的管段和设备总数，kPa。

第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）水泵Pi（i=1~n）的理论设计流量为L_i，m³/s。

主管回路的总压降与流量的关系由公式（4）描述：

                                    （4）

式中：S₀——主供水泵回路（B1-B0-A0-A1）的综合阻力系数(kPa.s²)/m⁶。

     其他符号同前。

    第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）的总压降与流量的关系由公式（5）描述：

                                        （5）

式中：S_i——第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）的综合阻力系数(kPa.s²)/m⁶。如果在阻力平方区可从理论上推导出综合阻力系数计算公式（6）：

                            （6）

式中：ρ——水的密度，kg/m³；Δ_i——第i段管道绝对粗糙度，m；l_i——第i段管道长度或局部阻力元件的当量长度，m；d_i——第i段管道内径，m。

    从公式（6）可以看出，在阻力平方区综合阻力系数只和管道的几何参数有关和流量无关。

    其他符号同前。

可以从理论上证明，如果管道中水流动在阻力平方区即在水力光滑区（暖通空调管网阻力计算诺莫图，都是按照这个假设进行的），主管回路综合阻力系数S₀和第i个末端回路（A1-Ai-Bi-B1）的综合阻力系数S_i只和回路中管道、设备的几何参数有关，和管内的流速无关；①如果集中供冷系统运行时，系统中所有的管道及设备（包括几何参数可改变的阀门）的几何参数不变；②如果把系统严格控制为量调系统；③根据哈肯协同学原理推论出的各末端负荷同步变化的假设，主供水泵实时同步变频跟踪系统总负荷，水泵P_i实时变频跟踪第i个末端的负荷。如果系统所有水泵和管道、设备时时满足这3个条件，可以证明，分散式冷冻水供冷系统中的所有水泵就在如图4所示的最节能的全相似状态同步变频运行，系统始终处于动态平衡状态，系统便具有了自适应与最小耗能两个生物基本生存智能，根据系统哲学第三原理，系统就是和谐的、内在结构是健康的、整体优化的，那么系统便有能力在系统整体层面上涌现出一系列外在的优良健康属性，如，有自适应、最小耗能两个生物基本生存智能；系统达到了极致的最节能的状态；可智能地自动保持系统动态水力平衡；各末端按需供水，不多不少恰到好处；系统是透明的，各末端水泵、设备运行参数均可在控制屏上实时显示；如果加上特殊的换热器结垢监测装置，也可以实时监测换热器结垢情况并对预后结果做出预测。

这里要提醒2点：

①各末端设备是广义的，它可以代表一个门洞、一幢大楼、一个小区；

②各水泵代表1台、多台水泵并联运行，并联变频水泵要同步变频实时跟踪负荷控制。

3. 智能分布式输配控制系统的构成

如图1所示，智能分布式输配控制系统采用最先进的计算机网络控制技术，由高性能的主站从站和现场控制总线或无线组网将主站从站连接构成的DCS（Distributed Control System集散式控制系统)控制系统。DCS控制系统设计的初衷是“任务分散，风险分散”的原则，使得一处下位机甚至主机万一发生故障时，不致使整个系统全面瘫痪、崩溃，从而大大提高了系统运行的可靠性、稳定性，这是大型工业化生产计算机控制系统必不可少性能要求。DCS控制系统中使用的传感器、调节器、执行器及控制方法都是常规的，但就是这些最简单可靠的常规可靠的器件、方法融入系统论观构成的系统中蜕变升华而具有自适应与最小耗能两个生物基本生存智能而表现出不平常的生物活性。系统论观非线性思维科学范式抓住了耗能系统最底层的、终极的、唯一的要素有效能耗散流动要畅通无阻的规则，才使非线性复杂中央空调系统中问题的处理大大简化，正如“朴素定律”描述：“如果一个事物一个人，让你觉得眼花缭乱，那么大概率是错的、假的、低劣的。最了不起的人和事，都简洁而优雅，朴素到一剑封喉。”

4. 智能分布式输配控制系统的运行原理

由图1可以看出，智能分布式输配控制系统中共有4种控制模块。其中模块1为主站，其余3种模块都是从站。从站2~4都是现场控制单元，它们的任务是完成其被控设备“实时跟踪负荷且花最小的代价”的智能控制并且采集被控设备的运行、状态参数上传主站；主站为上位机，其主要的的任务是协调各从站运行，使整个系统所有设备都按照“实时跟踪负荷且花最小的代价”的生物智能运行规则运行，并且接收下位机上传的设备实时运行状态参数，做历史数据记录、故障报警、实时画面刷新、报表打印、连接互联网，将空调系统所有设备现场实时运行参数上传企业ERP系统、云端，进行云计算、大数据计算挖掘工作，将控制指令下达从站，或将一个从站的数据转送到另一个从站中，使从站-从站共同组成一个闭环计算机控制系统。

如果分布式流体输配系统的规模比较小，则主站和从站可用现场控制总线连接构成DCS控制系统；如果分布式流体输配系统的规模比较大，例如一个供热半径达10公里的大规模的集中供热系统，则需要用无线组网或者光纤组网控制技术。理论证明，只要系统在满足维持全相似条件下严格按照量调控制系统运行，系统就可以做到实时控制的目的。因为量调系统流量的调节是靠压力波传递进行的，压力波在水中的传播速度1500m/s，即便是10km的远处，压力传播到是时间6.7秒，对于供热半径10公里，用户有万千的巨大的区域供热系统，最长的传递延迟只有6.7秒，这已经是非常实时的了。

5. 智能分布式输配控制系统发展前景

智能分布式输配控制系统是在传统流体分布式输配系统的基础上，用先进的计算机网络技术赋予系统每个设备及系统整体自适应与最小耗能两个生物基本生存智能完成的。系统有了自适应与最小耗能两个生物基本生存智能，那它就是和谐的、内在结构健康的、整体优化的，这样系统便有能力在整体层面上涌现出一系列外在的优良健康属性。智能分布式输配控制系统的水泵装机容量同样可以达到传统分布式输配系统装机容量的水平，为集中式系统的60%。由于系统中所有的水泵都处在最节能的全相似工况运行，它的运行耗能大大降低，理论计算只有装机额定功率的21.6%。此外，系统可以智能地保持动态水力平衡状态，满足各个末端最小耗能按需供水或供冷或供热，系统始终处于高效节能的最佳内在结构，从而彻底从理论上、实践上解决了一直困扰业界老大难的技术问题。相信随着技术的不断推广智能分布式输配控制系统一定能得到广泛的应用。