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摘要：本文結(jié)合空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，以及空調(diào)冷水系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行管理過(guò)程中所可能出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行分析和總結(jié)，提出了保證空調(diào)冷水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、方便運(yùn)行管理的設(shè)計(jì)策略，以及所必須的技術(shù)措施。...

空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)策的若干探討

肖劍仁

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院  350001)

1.引言

    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(shí)也是建筑的耗能大戶。建設(shè)綠色建筑、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排時(shí)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(jì)理應(yīng)引起廣大暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工程師重點(diǎn)的關(guān)注，面臨迫切的任務(wù)。大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中，最關(guān)心的是空調(diào)冷熱源方案初投資的經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行耗能的比較，但選擇理想的冷熱源方案只是良好的開(kāi)端，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)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(jī)房側(cè)的設(shè)計(jì)配置

    2.1冷水機(jī)組、冷凍水泵的容量合理配置

    冷水機(jī)組容量偏大的問(wèn)題是目前中央空調(diào)系統(tǒng)存在比較普遍的問(wèn)題，容量閑置無(wú)疑是最大的浪費(fèi)，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(yùn)行能耗。冷水機(jī)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(xì)的計(jì)算，那么水泵選型揚(yáng)程難免偏大，也會(huì)進(jìn)一步增加水泵的功耗。造成這種現(xiàn)象是由于對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷未進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算，取而代之為“拍腦袋”，一方面是設(shè)計(jì)工程師缺乏足夠的時(shí)間去做這些繁瑣的計(jì)算工作，另一方面是業(yè)界缺乏對(duì)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)判準(zhǔn)則，業(yè)主單方面認(rèn)為房間溫度夠低或感覺(jué)夠冷，便達(dá)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(jì)的因素，還應(yīng)包括施工安裝質(zhì)量、竣工調(diào)試、運(yùn)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(gè)系統(tǒng)總冷量配置是合適的，但系統(tǒng)未經(jīng)仔細(xì)的調(diào)試，很容易造成客觀上貧富不均，進(jìn)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(jì)中加大“安全系數(shù)”，造成冷水機(jī)組、水泵容量偏大，投資浪費(fèi)、建筑耗能大在所難免。詳細(xì)認(rèn)真的空調(diào)冷負(fù)荷和水力計(jì)算是降低初投資、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗最根本、也是最有效的路徑，同時(shí)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(jī)房側(cè)機(jī)組有效運(yùn)行管理設(shè)計(jì)對(duì)策

    大型的中央空調(diào)系統(tǒng)冷源所配備的冷水機(jī)組，常常不止一臺(tái)，有的是二～四臺(tái)，甚至超過(guò)四臺(tái)。機(jī)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(jiǎn)潔、節(jié)省管材的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)荷下，部分冷水機(jī)組處于停開(kāi)狀態(tài)，管理人員操作管理上出現(xiàn)疏忽，未把停開(kāi)冷水機(jī)組管路上的閥門(mén)關(guān)閉，冷凍水就會(huì)出現(xiàn)旁通分流的現(xiàn)象。通過(guò)分析我們不難得出，冷水旁通分流會(huì)影響冷水機(jī)組效能的發(fā)揮，降低機(jī)組的 COP值。另一方面如果末端空調(diào)負(fù)荷的需求遞增，需要增開(kāi)冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)，這要求管理人員能及時(shí)到位，打開(kāi)相應(yīng)管路上的閥門(mén)。在大多數(shù)工程的實(shí)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(wú)疑主機(jī)組和水泵運(yùn)行節(jié)能成為空談。解決這對(duì)矛盾最經(jīng)濟(jì)的措施是冷水機(jī)組管路中考慮增設(shè)電動(dòng)蝶閥，電動(dòng)蝶閥和冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，兩者并為連鎖運(yùn)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(dāng)追加投資資金，還可以考慮僅把機(jī)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(jì)的投資，最節(jié)能方便的管理。

    2.3低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)冷凍水泵超載問(wèn)題的設(shè)計(jì)對(duì)策

    大型的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)，隨著空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷的改變，投入使用的冷水機(jī)組、空調(diào)冷凍水泵的臺(tái)數(shù)也將隨著增減，同時(shí)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(fù)荷運(yùn)行情況下，尤其是空調(diào)冷水泵只需要單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，從R(空調(diào)冷水系統(tǒng)的水阻力)＆Q2(管道通過(guò)的流量)[1]，我們不難發(fā)現(xiàn)，空調(diào)冷水系統(tǒng)滿負(fù)荷與部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水阻力相差甚大，這可能導(dǎo)致部分負(fù)荷時(shí)空調(diào)冷水泵超流量運(yùn)行，電機(jī)效率降低，水泵運(yùn)行電耗增加，尤其在單臺(tái)水泵運(yùn)行的工況下，水流量可能大大超過(guò)水泵額定流量，導(dǎo)致水泵軸功率超過(guò)電機(jī)功率，容易發(fā)生電機(jī)過(guò)載燒毀的事故。對(duì)于越大型的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)，并聯(lián)的機(jī)組臺(tái)數(shù)越多，低負(fù)荷時(shí)超載問(wèn)題越嚴(yán)重，電機(jī)燒毀的情況越容易發(fā)生。設(shè)計(jì)中僅注意多臺(tái)水泵的額定狀態(tài)點(diǎn)能否滿足管路計(jì)算要求是不夠的，還須重視空調(diào)低負(fù)荷時(shí)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)變化，并采取必要的解決措施。借鑒于水冷式離心式冷水機(jī)組降載的設(shè)計(jì)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(yùn)行的各泵中，某臺(tái)泵采用變頻泵，它作為低負(fù)荷時(shí)單臺(tái)水泵運(yùn)行的固定泵，在系統(tǒng)超流量時(shí)，該泵降低運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，系統(tǒng)的流量也隨著減少，可見(jiàn)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(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷凍水供水干管上的主通路和旁通路上的閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，冷凍水流經(jīng)兩個(gè)通路，而低負(fù)荷時(shí)，主通路上的電動(dòng)蝶閥關(guān)閉，冷凍水只流經(jīng)旁通路(任何情況下旁通閥門(mén)始終處于一定的關(guān)閉角度)。通過(guò)下列定性分析該管段阻力前后的變化：R。(非單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)該管段阻力)=1／(1／R主+1／R旁)，R2(單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)該管段阻力)=R旁，顯然 R。>R。從直觀上，我們不難知道在單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，由于主通路的電動(dòng)蝶閥關(guān)閉，旁通路的阻力陡然增大，所以附加旁通通路實(shí)際上是通過(guò)改變低負(fù)荷時(shí)的管道水阻特性，來(lái)解決冷凍水泵超載的問(wèn)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(jī)房側(cè)定流量這對(duì)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(jì)狀態(tài)下，所有的設(shè)備都滿負(fù)荷運(yùn)行，壓差旁通閥的開(kāi)度為零，這時(shí)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(kāi)而且旁流量增大，末端側(cè)的供冷無(wú)法滿足，而壓差值設(shè)定偏大，則旁通閥門(mén)打開(kāi)不易，旁通流量偏小，這影響冷水機(jī)組正常所需運(yùn)行臺(tái)數(shù)的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中須重視壓差旁路控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)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(shí)按實(shí)際的需要正常來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

    2.5機(jī)房側(cè)管路上控制配件的設(shè)置

    機(jī)房側(cè)管路上壓力表凹溫度計(jì)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(jì)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(jì)要求。在這些部位是設(shè)置壓力表必不可少，如水泵的進(jìn)出口、冷水機(jī)組的進(jìn)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(mén)關(guān)、斷是否合理。例如筆者在參加一個(gè)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(jìn)出水管路上的壓力差普遍偏小；室內(nèi)的溫度基本達(dá)不到設(shè)計(jì)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(jìn)出口的壓力差明顯超過(guò)設(shè)計(jì)的揚(yáng)程，冷水機(jī)組的進(jìn)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(guò)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(mén)開(kāi)度變小，消耗了一大部分的壓力降。調(diào)整了該閥門(mén)開(kāi)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。而溫度計(jì)在這些部位是必不可少的：冷水機(jī)組的進(jìn)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(jì)，操作管理人員通過(guò)觀察溫度計(jì)，可以準(zhǔn)確掌握冷負(fù)荷分布的情況，溫差大的支路上的閥門(mén)可以開(kāi)大，溫差小的支路閥門(mén)開(kāi)度可以調(diào)小一些。

3.末端側(cè)設(shè)計(jì)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(zhǎng)，管材耗用大。通過(guò)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(fēng)機(jī)盤(pán)管，又有空調(diào)風(fēng)柜、組合式空調(diào)機(jī)組，各種末端的風(fēng)量、冷量又相差較多，另一方面表冷盤(pán)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(fēng)機(jī)盤(pán)管的水阻力大多為l～3kPa，空調(diào)風(fēng)柜阻力大多為4～6 kPa，如果把風(fēng)機(jī)盤(pán)管和空調(diào)風(fēng)柜混合在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)采用同程布置，不但達(dá)不到同程布置的優(yōu)點(diǎn)，反而不利于系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)。采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管水系統(tǒng)的用水點(diǎn)多，采用平衡閥和普通閥門(mén)進(jìn)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(jì)中，風(fēng)機(jī)盤(pán)管與空調(diào)風(fēng)柜設(shè)置在不同的空調(diào)水分系統(tǒng)內(nèi)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管布置采用同程布置，空調(diào)風(fēng)柜采用異程布置，空調(diào)風(fēng)柜末端管路上配置的電動(dòng)閥門(mén)或平衡閥仍可以彌補(bǔ)異程布置帶來(lái)的不利，達(dá)到水力平衡。筆者在某大型體育館設(shè)計(jì)中空調(diào)水系統(tǒng)采用了同樣布置策略，比賽大廳的周?chē)�配套房間采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)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(mén)廳休息廳等服務(wù)的大風(fēng)量組合式空調(diào)機(jī)組、空調(diào)風(fēng)柜，各末端之間相距甚遠(yuǎn)，采用同程布置顯然經(jīng)濟(jì)性不合理的，筆者采用異程布置且各末端管路配置電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥，而各支路的相對(duì)水力平衡可通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)房?jī)?nèi)的集分水器上各個(gè)支路的閥門(mén)，系統(tǒng)平衡也不難實(shí)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(guò)濾器、溫度計(jì)、壓力表、電動(dòng)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(fēng)機(jī)盤(pán)管進(jìn)水管路上建議設(shè)置過(guò)濾器，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)盤(pán)管本身的水管截面小，一經(jīng)堵塞，沖洗往往是不能解決問(wèn)題的，如果缺乏過(guò)濾器的攔截，安裝沖洗的過(guò)程中，焊渣或垃圾極容易堵塞風(fēng)機(jī)盤(pán)管的表冷器管路。對(duì)于空調(diào)風(fēng)柜的冷凍進(jìn)水管也應(yīng)設(shè)置水過(guò)濾器，同時(shí)進(jìn)出水管上應(yīng)設(shè)壓力表、溫度計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，同時(shí)送回風(fēng)管上預(yù)留測(cè)孔，借助這些閥門(mén)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(jī)組在調(diào)試過(guò)程中，有風(fēng)送出，大廳內(nèi)有風(fēng)感，但在無(wú)人空?qǐng)龅那闆r下，室內(nèi)空氣溫度始終維持在26°左右。通過(guò)總送風(fēng)管上的測(cè)孔測(cè)量送風(fēng)溫度，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)溫度在23°以上，顯然送風(fēng)溫差偏小。進(jìn)入空調(diào)機(jī)房檢查發(fā)現(xiàn)：冷水管上的閥門(mén)全開(kāi)，冷凍水進(jìn)水溫度7.5°左右，而回水溫度卻高達(dá)20°，進(jìn)回水管上的壓力表讀數(shù)差僅lkPa，由此可以判斷流過(guò)空調(diào)機(jī)組的表冷管束的冷水量偏少，估計(jì)空調(diào)機(jī)組表冷管束區(qū)域附近的管道有堵塞物，經(jīng)過(guò)拆洗過(guò)濾器，問(wèn)題還是無(wú)法解決，問(wèn)題最后集中在表冷器管束上，經(jīng)過(guò)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(guò)更全頑的沖洗，問(wèn)題才得到最終的解決。

4.結(jié)語(yǔ)

    4.1冷水機(jī)組與冷凍水泵容量合理配置，是空調(diào)冷水系統(tǒng)運(yùn)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(jì)中應(yīng)考慮機(jī)房側(cè)有效的運(yùn)行管理設(shè)計(jì)對(duì)策，使系統(tǒng)處于節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

    4.3壓差旁通是控制機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)的重要手段，合理設(shè)定壓差值，才能充分發(fā)揮機(jī)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(yùn)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(dāng)自調(diào)節(jié)措施。

參考文獻(xiàn)：

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

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