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中央空調(diào)冷水機(jī)組水系統(tǒng)的配置及設(shè)計

空調(diào)制冷站及水系統(tǒng)合理的設(shè)備選型和設(shè)計、可靠的操作控制和良好的運行管理,對空調(diào)系統(tǒng)的有效運行和節(jié)能降耗起著極為重要的作用。不同建筑空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計工況下的能效比最低的和最高的相差54%,主要是制冷站和空調(diào)水系統(tǒng)的配置不合理所致。而這種不合理的配置和設(shè)計,在全國范圍內(nèi)的工程中都不同程度地存在,應(yīng)該引起我們的足夠重視。

1 冷水機(jī)組的設(shè)計配置

合理的冷水機(jī)組配置應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個目標(biāo):

a)冷水機(jī)組的冷量選擇科學(xué)合理,適合建筑物冷負(fù)荷需要;

b)所有冷水機(jī)組均能工作在單機(jī)最佳工況區(qū)域內(nèi);

c)整個系統(tǒng)具有較好的部分負(fù)荷效率;

d)系統(tǒng)可靠,在不增加冷水機(jī)組負(fù)荷容量的前提下,機(jī)組之間具備良好的兼?zhèn)湫?

e)系統(tǒng)調(diào)節(jié)簡捷方便, 調(diào)節(jié)成本低。但在實際工程中冷水機(jī)組選擇和配置往往不當(dāng), 難于達(dá)到上述目標(biāo), 具體表現(xiàn)在以下兩個方面。

1.1冷水機(jī)組冷量偏大

冷水機(jī)組裝機(jī)容量偏大是空調(diào)系統(tǒng)存在的較普遍的問題,有些工程冷水機(jī)組的裝機(jī)容量甚至閑置50%以上。造成冷水機(jī)組裝機(jī)容量偏大的主要原因是設(shè)計人員設(shè)計時沒有作逐項逐時的冷負(fù)荷計算,而是盲目套用建筑冷負(fù)荷指標(biāo),對不同功能建筑物空調(diào)負(fù)荷參差率把握不準(zhǔn),并且不加分析地加大計算冷負(fù)荷的安全余量。冷水機(jī)組裝機(jī)容量偏大會增加空調(diào)系統(tǒng)、電氣設(shè)備及建筑結(jié)構(gòu)的總造價,造成設(shè)備的大量閑置浪費和系統(tǒng)的低效運行, 還會直接導(dǎo)致與冷水機(jī)組匹配的冷水泵和冷卻水泵的選型偏大,增加了系統(tǒng)的能耗和系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的難度。

1.2 冷水機(jī)組臺數(shù)選擇不當(dāng)

冷水機(jī)組臺數(shù)應(yīng)根據(jù)冷負(fù)荷特性、運行調(diào)節(jié)性能進(jìn)行選擇,一般為2～ 4臺,單機(jī)制冷量的大小應(yīng)合理搭配,當(dāng)單機(jī)容量調(diào)節(jié)下限的產(chǎn)冷量大于建筑物的最小負(fù)荷時,應(yīng)選1臺適合最小負(fù)荷的冷水機(jī)組, 以保證系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的可靠性,增加負(fù)荷的適應(yīng)性, 避免冷水機(jī)組低效運行。即使是大型空調(diào)系統(tǒng), 其冷水機(jī)組臺數(shù)也不宜超過4臺,超過4臺則應(yīng)該分設(shè)系統(tǒng)。冷水機(jī)組與水泵運行一一對應(yīng)時, 理論上存在著明顯的關(guān)聯(lián)損失,且負(fù)荷變化時機(jī)組的運行調(diào)節(jié)比較麻煩, 各單機(jī)難以運行在最佳工況區(qū)域。

2 冷(熱)水泵設(shè)計配置

冷(熱)水系統(tǒng)循環(huán)水泵的配置同冷水機(jī)組的配置一樣, 應(yīng)使水泵始終運行在高效區(qū), 使水系統(tǒng)輸送能耗低、調(diào)節(jié)性好、工作穩(wěn)定。循環(huán)水泵的流量應(yīng)與冷水機(jī)組蒸發(fā)器的額定流量相對應(yīng), 揚程則應(yīng)按水力計算確定。

2.1 冷水泵并聯(lián)運行

一次泵系統(tǒng)冷水泵的臺數(shù)一般按冷水機(jī)組的臺數(shù)一對一配置, 二次泵系統(tǒng)冷水泵的臺數(shù)按系統(tǒng)分區(qū)和每區(qū)水泵的配置方式確定。冷水機(jī)組和水泵一對一配置時(見圖1),系統(tǒng)控制及運行管理簡捷方便,各冷水機(jī)組相互干擾少,水量變化小,水力穩(wěn)定性好,水泵的并聯(lián)損失相應(yīng)較小, 某臺冷水機(jī)組不運行時,由于水泵出口止回閥的作用, 水不會通過停運的冷水機(jī)組旁通分流。

在實際工程設(shè)計中, 因為接管相對較多,安裝施工難度較大,上述冷水機(jī)組與冷水泵一對一配置的方式往往難以實現(xiàn),大量采用的是冷水機(jī)組與冷水泵獨立并聯(lián)的方式(見圖2)。此種方式機(jī)房布置簡潔、有序,接管相對較為方便, 但其缺點也是顯而易見的:a)各冷水機(jī)組水流量可能分配不均,在初調(diào)試中應(yīng)進(jìn)行調(diào)整, 以保證每臺機(jī)組水量符合設(shè)計要求;b)水泵并聯(lián)損失較大, 負(fù)荷變化時調(diào)節(jié)性能較差;c)在要求自動連鎖啟停的工程中, 各冷水機(jī)組必須配置電動蝶閥, 以防止不運行的冷水機(jī)組旁通分流。

理論上來說,宜盡可能使空調(diào)水系統(tǒng)水泵定水量運行, 以使冷水機(jī)組運行高效穩(wěn)定。但在實際運行過程中, 幾乎所有水泵都處在超流量狀態(tài),文獻(xiàn)對此有詳盡分析。而更普遍的是很多工程的水泵揚程都大于設(shè)計狀態(tài)下的系統(tǒng)循環(huán)水阻力。

國產(chǎn)水泵特性曲線較平坦, 極易造成超流量運行, 這種情況在多臺水泵并聯(lián)系統(tǒng)中單臺泵運行時表現(xiàn)得更為突出:管路系統(tǒng)阻力減小、水泵超流量嚴(yán)重、電機(jī)超載運行, 對電機(jī)的使用帶來極大的影響甚至燒毀電機(jī)。

綜上所述, 空調(diào)水系統(tǒng)中水泵并聯(lián)臺數(shù)不宜過多,以盡量增加負(fù)荷變化時水系統(tǒng)調(diào)節(jié)的適應(yīng)性,保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的簡捷可靠和運行平穩(wěn);同時, 選擇水泵時, 應(yīng)使設(shè)計工況點處于水泵最高效率點的區(qū)域, 以使水泵大多數(shù)時間內(nèi)均處于最高效率區(qū)運行;在選配水泵電機(jī)時, 必須考慮單臺泵最大可能的工作點, 并按此點來配置電機(jī),以保證水泵電機(jī)超流量運行的富余量, 確保水泵正常安全運行。

2.2冷熱水循環(huán)泵分開設(shè)置

兩管制空調(diào)水系統(tǒng), 因冬夏季負(fù)荷的差別和運行水溫差的不同, 宜分別設(shè)置冷水和熱水循環(huán)泵。在長江中下游地區(qū), 全年舒適性空調(diào)的冬季熱負(fù)荷一般為夏季冷負(fù)荷值的60 % ～ 80 %,供冷時水溫差為5℃, 供暖時水溫差為10℃,冷熱水共用一套管路系統(tǒng)時, 供暖工況下的水力損失僅為供冷工況時的9%～16 %,而水系統(tǒng)此時的輸送功耗僅為供冷工況時的2.7 %～ 6 .4 %。由此可見, 冷熱水循

環(huán)泵分開設(shè)置是完全必要的。

在實際工程設(shè)計中,冷熱水循環(huán)泵往往是互相兼用, 一般是設(shè)置一組泵, 供熱時只運行其中的若干臺。但由于供冷、供熱時管道特性相差較大, 冷水泵的流量、揚程很難與供熱工況相吻合, 這不但會增加供熱工況時水輸送能耗,而且會導(dǎo)致循環(huán)水泵運行效率低下、超流量運行嚴(yán)重、電機(jī)過載燒壞。

熱水循環(huán)泵的流量可根據(jù)供熱負(fù)荷及溫差計算確定,揚程則可按式(1)進(jìn)行計算:

式中H熱為熱水循環(huán)泵揚程;H冷為冷水泵揚程;H冷機(jī)為冷水機(jī)組水阻力;H 熱機(jī)為熱源設(shè)備或換熱器水阻力;G熱為供熱水量;G冷為供冷水量。

在工程中將冷水泵作為熱水泵使用時, 可以考慮在冬季供熱時增設(shè)水泵變頻器,使水泵變速運行以滿足冬季供熱工況的需要。在確定水泵變速范圍時應(yīng)使變速泵和定速泵都運行在各自的高效區(qū)內(nèi),變速泵臺數(shù)的確定以充分發(fā)揮每臺變速泵在變速運行時處于高效區(qū)內(nèi)為原則,以達(dá)到最大的節(jié)能效果,并能夠增加冬季供暖時水泵的運行穩(wěn)定性。

3冷卻水系統(tǒng)設(shè)計配置

冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水泵、冷卻塔的設(shè)計和配置是否合理,直接影響到冷水機(jī)組冷凝熱量的排放, 影響冷水機(jī)組的出力和運行穩(wěn)定性。實際工程中, 由于冷卻塔和冷水泵選擇不當(dāng)或性能不佳影響整個空調(diào)系統(tǒng)正常運行的情況時常可見。

3.1冷卻塔的配置

在循環(huán)冷卻系統(tǒng)中, 冷卻塔是一個重要的設(shè)備, 目前冷卻塔最常見的問題是冷卻效率太差, 不能滿足冷水機(jī)組使用要求甚至有許多產(chǎn)品達(dá)不到其技術(shù)資料給出的性能指標(biāo)。

南方地區(qū)夏季相對濕度較大,室外空氣濕球溫度一般高于冷卻塔設(shè)計溫度28 ℃ ,選擇冷卻塔時要進(jìn)行校核計算。冷卻塔的處理水量可按式(2)確定:

式中G 為冷卻塔水量;Q冷為冷水機(jī)組制冷量;N 為冷水機(jī)組電機(jī)功率;Δt為冷卻水處理溫差;ρ為水的密度;cp為水的質(zhì)量定壓熱容。

根據(jù)南方地區(qū)的運行經(jīng)驗, 對于離心式機(jī)組和吸收式機(jī)組, 應(yīng)分別附加20%和40%的冷卻塔處理水量, 以確保冷卻塔的處理水溫滿足冷水機(jī)組的使用要求。冷卻塔的冷卻效率差, 基本上都是因為其布水器霧化效果差, 冷卻換熱效率低。冷卻塔生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu), 應(yīng)該把重點放在對風(fēng)機(jī)、填料、布水器及塔體本身的流體力學(xué)性能和熱工性能的研究改進(jìn)上, 以提高冷卻塔的綜合冷卻性能。

冷水機(jī)組運行時要求保持一定的冷卻水流量, 當(dāng)多臺冷水機(jī)組并聯(lián)運行時, 通常冷卻水泵、冷卻塔及冷水機(jī)組一一對應(yīng)。冷卻水泵與冷水機(jī)組的管道連接和前述冷水泵與冷水機(jī)組的連接一樣, 最好采用一對一的方式(圖3), 當(dāng)然也可采用冷卻水泵與冷水機(jī)組獨立并聯(lián)后通過總管相連接的方式(圖4), 在要求自動聯(lián)鎖控制的工程中,各冷水機(jī)組必須配置電動蝶閥, 以防止不運行的冷水機(jī)組旁通分流。冷卻塔一般采用全部并聯(lián)后通過冷卻水總管接至制冷站的連接方式, 當(dāng)多臺冷卻塔并聯(lián)時, 宜采用相同型號。為防止水位不同而溢流, 冷卻塔集水盤下應(yīng)設(shè)有連通管, 保證冷卻塔集水盤水面一致;為防止冷卻水泵啟動時缺水空蝕, 宜設(shè)置冷卻水箱或加大冷卻塔存水盤的存水量, 一定的儲存水量還可增加冷卻水溫度的穩(wěn)定性。

3.2冷卻水泵的設(shè)計配置

冷卻水泵的流量應(yīng)按冷水機(jī)組產(chǎn)品技術(shù)資料提供的數(shù)據(jù)確定, 而不能按加大系數(shù)后的冷卻塔處理水量確定, 否則運行時流量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冷水機(jī)組的流量。冷卻水泵的揚程應(yīng)根據(jù)冷卻水系統(tǒng)水力計算確定。冷卻水泵并聯(lián)運行情況及調(diào)節(jié)性能均同前述冷水泵的并聯(lián)工況, 但由于冷卻水泵型號均大于冷水泵, 而冷卻水系統(tǒng)的管道阻力要小于冷水系統(tǒng), 因此冷卻水泵超流量運行的情況更甚于冷水泵。

工程中所選水泵揚程過大影響空調(diào)系統(tǒng)正常使用和調(diào)節(jié)時, 可采取加裝流量控制閥或切割水泵葉輪的措施。加裝流量控制閥, 可以改變管路特性曲線, 消耗掉水泵過高的揚程, 穩(wěn)定進(jìn)入冷水機(jī)組的水量, 但此種方式僅在水泵揚程超過較小時采用比較經(jīng)濟(jì)有效, 水泵揚程超過較大時, 人為增加水系統(tǒng)阻力, 無謂消耗掉部分電能, 水系統(tǒng)運行并不穩(wěn)定,水泵的機(jī)械噪聲也會增大。切割水泵葉輪在很多工程中使用過, 較經(jīng)濟(jì)方便, 也有較好的改造運行效果。葉輪切割外徑可按式(3)進(jìn)行計算:

式中G ,H ,D為葉輪切割前泵的流量、揚程和葉輪直徑;G′, H′, D′為葉輪切割后泵的流量、揚程和葉輪直徑。

4結(jié)語

通過以上分析, 可以進(jìn)一步認(rèn)識到冷水機(jī)組水系統(tǒng)合理配置和設(shè)計的重要性, 選擇合適的冷水機(jī)組容量、冷卻塔的處理水量、水泵的流量和揚程, 才能夠避免水泵超負(fù)荷運行、無謂功消耗、運行效率低及運行噪聲大等不利情況, 確保空調(diào)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行, 運行調(diào)節(jié)簡捷可靠。