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空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)計對策的若干探討

肖劍仁

(福建省建筑設(shè)計研究院  350001)

1.引言

    隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，建筑事業(yè)也呈現(xiàn)出一片蓬勃繁榮的景象，中央空調(diào)系統(tǒng)在賓館、辦公大樓、商業(yè)中心、醫(yī)院及其他建筑得到廣泛的應(yīng)用。中央空調(diào)系統(tǒng)不但涉及到高額的資金初投入，同時也是建筑的耗能大戶。建設(shè)綠色建筑、實現(xiàn)節(jié)能減排時下成為本屆政府面臨重要的命題，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計理應(yīng)引起廣大暖通空調(diào)設(shè)計工程師重點的關(guān)注，面臨迫切的任務(wù)。大多數(shù)工程設(shè)計中，最關(guān)心的是空調(diào)冷熱源方案初投資的經(jīng)濟性以及設(shè)計工況下運行耗能的比較，但選擇理想的冷熱源方案只是良好的開端，中央空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能與否很大程度上取決于空調(diào)冷水系統(tǒng)有效運行，系統(tǒng)設(shè)計對策合理、調(diào)試完善、管理技術(shù)措施到位，才是其最有力的保障。

2.機房側(cè)的設(shè)計配置

    2.1冷水機組、冷凍水泵的容量合理配置

    冷水機組容量偏大的問題是目前中央空調(diào)系統(tǒng)存在比較普遍的問題，容量閑置無疑是最大的浪費，一方面增加了工程建設(shè)初投資，另一方面又加劇了系統(tǒng)的運行能耗。冷水機組的容量決定了冷凍、冷卻水泵的容量，如水系統(tǒng)的水力又缺乏詳細的計算，那么水泵選型揚程難免偏大，也會進一步增加水泵的功耗。造成這種現(xiàn)象是由于對空調(diào)冷負荷未進行仔細的計算，取而代之為“拍腦袋”，一方面是設(shè)計工程師缺乏足夠的時間去做這些繁瑣的計算工作，另一方面是業(yè)界缺乏對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的評判準則，業(yè)主單方面認為房間溫度夠低或感覺夠冷，便達到空調(diào)效果。影響空調(diào)系統(tǒng)的“發(fā)揮能力”有多方面因素，除了設(shè)計的因素，還應(yīng)包括施工安裝質(zhì)量、竣工調(diào)試、運行管理等，都可能成為制約空調(diào)系統(tǒng)效能發(fā)揮重要的因素。如一個系統(tǒng)總冷量配置是合適的，但系統(tǒng)未經(jīng)仔細的調(diào)試，很容易造成客觀上貧富不均，進而產(chǎn)生空調(diào)效果不好或總制冷量不足的假象。基于這種的憂慮，設(shè)計中加大“安全系數(shù)”，造成冷水機組、水泵容量偏大，投資浪費、建筑耗能大在所難免。詳細認真的空調(diào)冷負荷和水力計算是降低初投資、實現(xiàn)節(jié)能降耗最根本、也是最有效的路徑，同時提高施工安裝質(zhì)量和竣工調(diào)試水平是其最直接的保障措施。

    2.2機房側(cè)機組有效運行管理設(shè)計對策

    大型的中央空調(diào)系統(tǒng)冷源所配備的冷水機組，常常不止一臺，有的是二～四臺，甚至超過四臺。機組與水泵管路連接上大多采用先并聯(lián)后串聯(lián)方式，這種布置方式具有系統(tǒng)簡潔、節(jié)省管材的優(yōu)點，但如果空調(diào)水系統(tǒng)未采用BAS監(jiān)控管理系統(tǒng)，在部分空調(diào)負荷下，部分冷水機組處于停開狀態(tài)，管理人員操作管理上出現(xiàn)疏忽，未把停開冷水機組管路上的閥門關(guān)閉，冷凍水就會出現(xiàn)旁通分流的現(xiàn)象。通過分析我們不難得出，冷水旁通分流會影響冷水機組效能的發(fā)揮，降低機組的 COP值。另一方面如果末端空調(diào)負荷的需求遞增，需要增開冷水機組的臺數(shù)，這要求管理人員能及時到位，打開相應(yīng)管路上的閥門。在大多數(shù)工程的實際管理中，這種操作管理模式證明是不可行的，系統(tǒng)更多是處在“放任自由”的狀態(tài)，無疑主機組和水泵運行節(jié)能成為空談。解決這對矛盾最經(jīng)濟的措施是冷水機組管路中考慮增設(shè)電動蝶閥，電動蝶閥和冷水機組一一對應(yīng)，兩者并為連鎖運行控制，這樣才能有效方便控制冷凍水的通路，解決冷凍水旁通分流的現(xiàn)象。如果在適當追加投資資金，還可以考慮僅把機房側(cè)部分納入小型智能監(jiān)控系統(tǒng)，這樣便可把空調(diào)系統(tǒng)中耗能最大部分，也是節(jié)能最具潛力的區(qū)域納入智能化的控制，做到最經(jīng)濟的投資，最節(jié)能方便的管理。

    2.3低負荷運行時冷凍水泵超載問題的設(shè)計對策

    大型的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)，隨著空調(diào)區(qū)域冷負荷的改變，投入使用的冷水機組、空調(diào)冷凍水泵的臺數(shù)也將隨著增減，同時空調(diào)冷水系統(tǒng)的管網(wǎng)流量也發(fā)生改變，這引起管網(wǎng)水阻力的改變。在低負荷運行情況下，尤其是空調(diào)冷水泵只需要單臺運行時，從R(空調(diào)冷水系統(tǒng)的水阻力)＆Q2(管道通過的流量)[1]，我們不難發(fā)現(xiàn)，空調(diào)冷水系統(tǒng)滿負荷與部分負荷運行時水阻力相差甚大，這可能導(dǎo)致部分負荷時空調(diào)冷水泵超流量運行，電機效率降低，水泵運行電耗增加，尤其在單臺水泵運行的工況下，水流量可能大大超過水泵額定流量，導(dǎo)致水泵軸功率超過電機功率，容易發(fā)生電機過載燒毀的事故。對于越大型的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)，并聯(lián)的機組臺數(shù)越多，低負荷時超載問題越嚴重，電機燒毀的情況越容易發(fā)生。設(shè)計中僅注意多臺水泵的額定狀態(tài)點能否滿足管路計算要求是不夠的，還須重視空調(diào)低負荷時運行狀態(tài)點變化，并采取必要的解決措施。借鑒于水冷式離心式冷水機組降載的設(shè)計思路，解決方法有兩種，一是水泵采用變頻技術(shù)，即并聯(lián)運行的各泵中，某臺泵采用變頻泵，它作為低負荷時單臺水泵運行的固定泵，在系統(tǒng)超流量時，該泵降低運轉(zhuǎn)頻率，系統(tǒng)的流量也隨著減少，可見冷凍水泵采用變頻技術(shù)是系統(tǒng)變流量的節(jié)能技術(shù)。另外一種解決方法是空調(diào)供水干管上增加附加旁通通路。

    非低負荷運行時，冷凍水供水干管上的主通路和旁通路上的閥門處于開啟狀態(tài)，冷凍水流經(jīng)兩個通路，而低負荷時，主通路上的電動蝶閥關(guān)閉，冷凍水只流經(jīng)旁通路(任何情況下旁通閥門始終處于一定的關(guān)閉角度)。通過下列定性分析該管段阻力前后的變化：R。(非單臺水泵運行時該管段阻力)=1／(1／R主+1／R旁)，R2(單臺水泵運行時該管段阻力)=R旁，顯然 R。>R。從直觀上，我們不難知道在單臺水泵運行時，由于主通路的電動蝶閥關(guān)閉，旁通路的阻力陡然增大，所以附加旁通通路實際上是通過改變低負荷時的管道水阻特性，來解決冷凍水泵超載的問題，顯然這種方式非節(jié)能的解決措施。

    2.4壓差旁通差值的設(shè)定

    在供、回水干管上設(shè)置壓差旁通閥，是解決末端側(cè)變流量與機房側(cè)定流量這對矛盾最常用的方法。該壓差系統(tǒng)旁通閥工作的基本原理：系統(tǒng)處于設(shè)計狀態(tài)下，所有的設(shè)備都滿負荷運行，壓差旁通閥的開度為零，這時壓差控制器兩端接口處的壓差即是控制器設(shè)定的差值。但是大多數(shù)已投入使用的工程，壓差控制器設(shè)定和作用經(jīng)常被忽視。從水力工況分析，壓差值設(shè)定偏低，旁通閥極易打開而且旁流量增大，末端側(cè)的供冷無法滿足，而壓差值設(shè)定偏大，則旁通閥門打開不易，旁通流量偏小，這影響冷水機組正常所需運行臺數(shù)的調(diào)節(jié)。設(shè)計中須重視壓差旁路控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的影響，正確合理確定其參數(shù)，以滿足用戶的流量，同時按實際的需要正常來調(diào)節(jié)機組的運行臺數(shù)。

    2.5機房側(cè)管路上控制配件的設(shè)置

    機房側(cè)管路上壓力表凹溫度計的設(shè)置是空調(diào)水系統(tǒng)重要的“法寶”，借助于壓力表和溫度計可以分別判斷該管路水力工況是否正常，水流量是否滿足設(shè)計要求。在這些部位是設(shè)置壓力表必不可少，如水泵的進出口、冷水機組的進出口、集分水器，借助于壓力表的讀數(shù)，可以判斷沿水流方向的壓力分布是否正常，管路上的閥門關(guān)、斷是否合理。例如筆者在參加一個空調(diào)工程的首次調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：各空調(diào)區(qū)域的末端設(shè)備進出水管路上的壓力差普遍偏小；室內(nèi)的溫度基本達不到設(shè)計要求；該系統(tǒng)的分水器的壓力表讀數(shù)明顯偏小，集、分水器之間的壓力差只有80kPa左右；而空調(diào)冷凍水泵的進出口的壓力差明顯超過設(shè)計的揚程，冷水機組的進口壓力卻比水泵出口壓力低了l20kPa，但這段管路只有15m左右；可以肯定的是系統(tǒng)壓力分布是不正常的。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)水泵的出口蝶閥被施工單位人為關(guān)閉掉三分之二，該閥門開度變小，消耗了一大部分的壓力降。調(diào)整了該閥門開度后，上述部位壓力分布趨于正常，各空調(diào)區(qū)域溫度也達到設(shè)計要求。而溫度計在這些部位是必不可少的：冷水機組的進出管上及集、分水器上，筆者建議在每支回水管匯入集水器之前都應(yīng)安裝溫度計，操作管理人員通過觀察溫度計，可以準確掌握冷負荷分布的情況，溫差大的支路上的閥門可以開大，溫差小的支路閥門開度可以調(diào)小一些。

3.末端側(cè)設(shè)計配置

    3.1管路布置同異程的采用策略

    同程系統(tǒng)比異程系統(tǒng)水力工況更穩(wěn)定，流量分配也更均勻，有利于空調(diào)水系統(tǒng)的水力平衡，但同程系統(tǒng)管路布置復(fù)雜，管路走向長，管材耗用大。通過分析，我們不難發(fā)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)并不都需要采用同程管路布置。末端設(shè)備種類較多，有風機盤管，又有空調(diào)風柜、組合式空調(diào)機組，各種末端的風量、冷量又相差較多，另一方面表冷盤管可能是三排管凹四排管或六排管，所以設(shè)備本身水阻力相差較大，風機盤管的水阻力大多為l～3kPa，空調(diào)風柜阻力大多為4～6 kPa，如果把風機盤管和空調(diào)風柜混合在一個系統(tǒng)內(nèi)采用同程布置，不但達不到同程布置的優(yōu)點，反而不利于系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)。采用風機盤管水系統(tǒng)的用水點多，采用平衡閥和普通閥門進行水量調(diào)節(jié)，顯然是不可能的，所以空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計中，風機盤管與空調(diào)風柜設(shè)置在不同的空調(diào)水分系統(tǒng)內(nèi)，風機盤管布置采用同程布置，空調(diào)風柜采用異程布置，空調(diào)風柜末端管路上配置的電動閥門或平衡閥仍可以彌補異程布置帶來的不利，達到水力平衡。筆者在某大型體育館設(shè)計中空調(diào)水系統(tǒng)采用了同樣布置策略，比賽大廳的周圍配套房間采用風機盤管加新風系統(tǒng)，該部分的水系統(tǒng)管路采用同程布置，而為比賽大廳、門廳休息廳等服務(wù)的大風量組合式空調(diào)機組、空調(diào)風柜，各末端之間相距甚遠，采用同程布置顯然經(jīng)濟性不合理的，筆者采用異程布置且各末端管路配置電動二通調(diào)節(jié)閥，而各支路的相對水力平衡可通過調(diào)節(jié)機房內(nèi)的集分水器上各個支路的閥門，系統(tǒng)平衡也不難實現(xiàn)。

    3.2末端設(shè)備管路上配件設(shè)置

    末端設(shè)備服務(wù)于不同的空調(diào)區(qū)域，水路是否暢通決定末端設(shè)備是否有足夠的冷量輸出，所以末端設(shè)備管路上設(shè)置必要的過濾器、溫度計、壓力表、電動閥、平衡閥等作為輔助的保障或判斷消除故障的措施，以保證水路的暢通。例如風機盤管進水管路上建議設(shè)置過濾器，因為風機盤管本身的水管截面小，一經(jīng)堵塞，沖洗往往是不能解決問題的，如果缺乏過濾器的攔截，安裝沖洗的過程中，焊渣或垃圾極容易堵塞風機盤管的表冷器管路。對于空調(diào)風柜的冷凍進水管也應(yīng)設(shè)置水過濾器，同時進出水管上應(yīng)設(shè)壓力表、溫度計、電動調(diào)節(jié)閥等，同時送回風管上預(yù)留測孔，借助這些閥門配件有利于空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)試。如某體育館比賽大廳的組合式空調(diào)機組在調(diào)試過程中，有風送出，大廳內(nèi)有風感，但在無人空場的情況下，室內(nèi)空氣溫度始終維持在26°左右。通過總送風管上的測孔測量送風溫度，發(fā)現(xiàn)送風溫度在23°以上，顯然送風溫差偏小。進入空調(diào)機房檢查發(fā)現(xiàn)：冷水管上的閥門全開，冷凍水進水溫度7.5°左右，而回水溫度卻高達20°，進回水管上的壓力表讀數(shù)差僅lkPa，由此可以判斷流過空調(diào)機組的表冷管束的冷水量偏少，估計空調(diào)機組表冷管束區(qū)域附近的管道有堵塞物，經(jīng)過拆洗過濾器，問題還是無法解決，問題最后集中在表冷器管束上，經(jīng)過更全面的拆卸，果然發(fā)現(xiàn)表冷器的管路被建筑垃圾堵塞，經(jīng)過更全頑的沖洗，問題才得到最終的解決。

4.結(jié)語

    4.1冷水機組與冷凍水泵容量合理配置，是空調(diào)冷水系統(tǒng)運行節(jié)能降耗最有效的路徑。

    4.2空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮機房側(cè)有效的運行管理設(shè)計對策，使系統(tǒng)處于節(jié)能、高效、經(jīng)濟的運行。

    4.3壓差旁通是控制機組運行臺數(shù)的重要手段，合理設(shè)定壓差值，才能充分發(fā)揮機組效能。

    4.4水系統(tǒng)管路上相關(guān)位置應(yīng)設(shè)置必要的控制配件，以增加調(diào)試運行管理工作的便捷性；末端側(cè)空調(diào)水系統(tǒng)管道布置策略須考慮末端設(shè)備的水阻力特性，并采取適當自調(diào)節(jié)措施。

參考文獻：

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)