空調冷水系統(tǒng)設計與配置

　　一．引言

　　隨著我國經濟的持續(xù)高速發(fā)展，建筑事業(yè)也呈現出一片蓬勃繁榮的景象，中央空調系統(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用。中央空調系統(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。大多數工程設計中，最關心的是空調冷源方案的經濟性以及運行耗能的比較。但是我們知道，選擇理想的冷源方案只是良好的中央空調系統(tǒng)的基礎，對于空調冷水系統(tǒng)有效運行管理和節(jié)能降耗是遠遠不夠的，中央空調系統(tǒng)運行節(jié)能降耗很大程度上取決于空調冷水系統(tǒng)有效的運行，設計對策合理﹑調試完善﹑管理技術措施到位的中央空調冷水系統(tǒng)才是其最有力的保障。

　　二．機房側的設計配置

　　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系統(tǒng)存在比較普遍的問題，大容量的閑置無疑是最大的浪費，一方面很大程度上增加了工程建設初投資，另一方面又加劇了系統(tǒng)的運行能耗。冷水機組的容量偏大又影響決定了冷凍﹑冷卻水泵的容量，如果對空調水系統(tǒng)的水力同時又缺乏詳細的計算，設計工程師心中無數，那么水泵選型揚程難免偏大，也進一步增加水泵的功耗（N 與Q*H成正比），這無疑是雪上加霜的事情。造成這種現象是由于對空調冷負荷沒有進行仔細的計算，取而代之為“拍腦袋”，這種現象是比較普遍的，一方面是設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)界缺乏對空調系統(tǒng)效果好與壞的評判準則，我們知道空調系統(tǒng)的＂發(fā)揮能力＂取決于很多方面，除了設計的因素其中還包括施工質量的好壞﹑竣工調試水平的高低，這些往往由于缺乏有力的管理和監(jiān)控，便能形成影響空調系統(tǒng)效能充分發(fā)揮決定性的因素。特別是在設計總冷量配置不太富裕的情況下，如果系統(tǒng)缺乏仔細的調試，很容易造成客觀上貧富不均，進而引起產生空調效果不好或總制冷量不足的誤解。基于這種的憂慮，設計工程師便加大保險系數，層層加碼，便造成冷水機組容量偏大的后果，投資浪費﹑建筑耗能大便在所難免。所以仔細認真的空調冷負荷和水力計算是降低初投資﹑實現節(jié)能降耗最根本，也是最有效的方法，同時提高安裝施工質量和竣工調試水平是其最直接的保障措施。

　　2． 2機房側機組有效運行管理設計對策

　　對于大面積的建筑，中央空調系統(tǒng)冷源所配備的冷水機組，常常不止一臺，有的是二~四臺，有的甚至超過四臺。由于機房面積的限制，冷水機組和冷凍水循環(huán)泵無法采用一一對應的原則，大多采用多臺冷水機組與多臺冷凍水泵獨立并聯設置。這種布置方式有它比較明顯的簡潔﹑方便的優(yōu)點，但是如果由于資金匱乏或其他原因，空調水系統(tǒng)無法設計配置BAS監(jiān)控管理系統(tǒng)，那么在部分空調冷負荷的情況下，就有一部分冷水機組處于停開的狀態(tài)，如果管理人員操作管理上的疏忽，未把停開冷水機組的管路上的閥門關閉，則冷凍水就會出現旁通分流的現象。通過分析我們不難得到結論，冷水旁通分流會影響冷水機組效能的發(fā)揮，降低冷水機組的COP值。另一方面如果末端空調冷負荷的需求增大，需要增開冷水機組的臺數，這需要管理人員及時到位，及時打開增開冷水機組管路上的閥門。這種操作管理方式顯然是行不通的，在大多數工程的實際管理中，更多是一種“放任自由”的狀態(tài)，這不但引起冷水機組的能耗增加，而且空調冷凍水泵的運行工況點偏離額定的工況點，電耗增加，空調冷水系統(tǒng)有效節(jié)能的運行管理似乎是不可能的。解決這對矛盾最經濟的措施是冷水機組管路中考慮增設電動蝶閥，電動蝶閥和冷水機組一一對應，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象。如果在適當追加資金投資的允許下，還可以考慮僅把機房側部分納入小型智能監(jiān)控系統(tǒng)（該部分的投資對于中型的空調水系統(tǒng)據估價約為10萬RMB），這樣便可以把空調系統(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計對策

　　大型的中央空調冷水系統(tǒng)，隨著空調區(qū)域冷負荷的改變，投入使用的冷水機組﹑空調冷凍水泵的臺數也將隨著增減，同時空調冷水系統(tǒng)的管網流量也發(fā)生改變，這引起管網水阻力的改變。在低負荷運行情況下，尤其是空調冷水泵只需要單臺運行時，從R（空調冷水系統(tǒng)的水阻力）=&Q2（管道通過的流量），我們不難發(fā)現，空調冷水系統(tǒng)滿負荷與低負荷運行時水阻力相差甚大，這導致低負荷時空調冷水泵超流量運行，其運行工作點可能跳出經濟區(qū)域，進而引起電機效率的降低，同時水泵運行電耗的增加，所以在只有單臺水泵運行的工況下，極容易發(fā)生電機過載燒毀的事故。對于越大型的中央空調冷水系統(tǒng)，并聯的機組臺數越多，低負荷時超載問題越嚴重，電機燒毀的情況越容易發(fā)生。所以設計中不能僅注意了多臺水泵的額定狀態(tài)點能否滿足管路計算要求，還必須重視空調低負荷時運行狀態(tài)點變化所引發(fā)的問題，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計思路，解決方法有兩種，一是冷凍水泵采用變頻技術，即并聯運行的各泵中，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是系統(tǒng)變流量的節(jié)能技術。另外一種解決方法是空調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)，冷凍水流經兩個通路，而低負荷時，主通路上的電動蝶閥關閉，冷凍水只流經旁通路，無論在任何負荷情況下旁通閥門始終處于一定的關閉角度。我們可以通過下列式子定性來分析該管段的阻力前后變化：R1（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R2﹥R1.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閉，旁通路的阻力陡然增大，所以干管增加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壓差旁通差值的設定

　　在供﹑回水干管上設置壓差旁通閥，是解決末端側變流量與機房側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)處于設計狀態(tài)下，所有的設備都滿負荷運行，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定的差值。但是大多數已投入使用的工程，壓差控制器設定和作用經常被施工單位和使用單位所忽視，壓差控制系統(tǒng)以及末端設備的電動二通便形同虛設。從水力工況分析，我們不難得出結論，壓差值設定偏低，旁通閥極易打開而且旁流量增大，末端側的供冷無法滿足，而壓差值設定偏大，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的調節(jié)，這無形增加了空調冷水系統(tǒng)的電耗。所以設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，以滿足用戶的流量，同時按實際的需要正常來調節(jié)機組的運行臺數

　　2． 5機房側管路上控制配件的設置

　　空調冷水系統(tǒng)安裝完畢，在投入使用前，系統(tǒng)必須經過認真﹑完整的調試。系統(tǒng)管路的調試離不開壓力表和溫度計。壓力表﹑溫度計的設置對于空調冷水系統(tǒng)機房側部分顯得尤為重要，借助于壓力表的讀數可以初步判斷該部分水系統(tǒng)的水力工況是否正常，借助溫度計的設置可以初步判斷流經該管路的水量是否滿足要求。壓力表設置在這些部位是必不可少：水泵的進出口﹑冷水機組的進出口﹑集分水器，借助于壓力表的指示讀數，可以充分判斷沿水流方向的壓力分布是否正常，管路上的閥門關﹑斷是否合理。例如筆者在參加一個空調工程的首次調試中發(fā)現：各空調區(qū)域的末端設備進出水管路上的壓力差普遍偏小，室內的溫度基本達不到設計要求，該系統(tǒng)的分水器的壓力表讀數明顯偏小，集﹑分水器之間的壓力差只有80KPa左右，而空調冷凍水泵的進出口的壓力差明顯超過設計的揚程，而冷水機組的進口壓力卻比水泵出口壓力低了120Kpa，這段管路只有15米左右，顯然壓力降是不正常的。經過檢查發(fā)現：水泵的出口蝶閥被施工單位人為關閉掉三分之二，該閥門開度變小，消耗了一大部分的壓力降。全開了該閥門后，上述部位壓力分布基本正常，各空調區(qū)域溫度迅速達到設計要求。

　　根據進出水的溫度來判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，溫度計的設置在這些部位是必不可少的：冷水機組的進出管上以及集﹑分水器上。分水器和集水器是空調總閘部分，筆者建議在每支回水干管匯入集水器之前都應安裝一支溫度計，通過觀察溫度計的溫度值，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小一些。只有每個回水支管裝了溫度計，操作管理人員才能直觀掌握系統(tǒng)冷負荷分布的情況。

　　三．末端側設計配置

　　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，有利于空調水系統(tǒng)的水力平衡，但是同程系統(tǒng)又有比較明顯的缺點，管路布置復雜，管路走向長，管材耗用大，所以對于所有的系統(tǒng)管路布置不可能都采用同程。通過分析，我們不難發(fā)現空調水系統(tǒng)并不都需要采用同程管路布置。末端設備種類較多，有風機盤管，又有空調風柜﹑組合式空調機組，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﹑四排管或六排管，所以設備本身水阻力相差較大，風機盤管的水阻力大多為1~3Kpa，空調風柜阻力大多為4~6 Kpa，如果把風機盤管和空調風柜混合在一個系統(tǒng)內采用同程布置，顯然是對同程布置的一種“生搬硬套”，不但達不到同程布置的優(yōu)點，反而不利于系統(tǒng)內空調風柜的水流量調節(jié)。我們知道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節(jié)，顯然是不可能的，所以空調水系統(tǒng)設計中，風機盤管與空調風柜設置在不同的空調水分系統(tǒng)內，風機盤管布置采用同程布置，空調風柜采用異程布置，空調風柜末端管路上配置的電動閥門及平衡閥仍可以彌補異程布置帶來的不利，達到水力平衡。筆者在設計某體育館時空調水系統(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﹑門廳休息廳等服務的大風量組合式空調機組﹑空調風柜，各末端之間相距甚遠，采用同程布置顯然經濟性不合理的，筆者采用異程布置且各末端管路配置平衡閥和電動二通閥，在調試時首先調節(jié)好各個空調風柜管路上的平衡閥，而各支路的相對水力平衡可通過調節(jié)冷凍機房的集分水器上各個支路的閥門，便可順利實現。

　　3．2末端設備管路上配件設置

　　對于空調末端側冷水系統(tǒng)，末端設備配管措施是非常關鍵重要的一環(huán)。末端設備服務于不同的空調區(qū)域，水路是否暢通決定末端設備是否有足夠的冷量輸出，所以末端設備管路上設置必要的過濾器﹑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置過濾器，因為風機盤管本身的水管截面小，一經堵塞，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。對于空調風柜的冷凍進水管也應設置水過濾器，同時進出水管上應設壓力表﹑溫度計﹑電動調節(jié)閥等，同時送回風管上預留測孔，借助這些閥門配件有利于空調系統(tǒng)的調試。如某體育館比賽大廳的組合式空調機組在調試過程中，有風送出，大廳內有風感，但在無人空場的情況下，室內空氣溫度始終維持在26度左右，無法進一步往下降。通過總送風管上的測孔測定送風溫度，發(fā)現送風溫度在23度以上，顯然送風溫差達不到原設計的10度溫差。進入空調機房檢查發(fā)現：冷水管上的閥門全開，冷凍水進水溫度7.5度左右，而回水溫度卻高達20度，進回水管上的壓力表讀數差僅1kpa，由此可以判斷流過空調機組的表冷管束的冷水量偏少，估計空調機組表冷管束區(qū)域附近的管道有堵塞物，經過拆洗過濾器，問題還是無法解決，問題最后集中在表冷器管束上，經過更全面的拆卸，果然發(fā)現表冷器的管路被建筑垃圾堵塞，經過更全面的沖洗問題才得到最終的解決。

　　四．結語

　　通過以上分析，我們可以進一步得到以下的認識：

　　4．1冷水機組與冷凍水泵容量合理配置，是空調冷水系統(tǒng)運行節(jié)能降耗最有效的源頭；

　　4．2空調冷水系統(tǒng)設計中應考慮機房側有效的運行管理設計對策，使系統(tǒng)處于節(jié)能﹑高效﹑經濟的運行；同時系統(tǒng)設計應考慮非設計工況下，特別是應針對單臺機組運行時空調冷凍水泵出現超載問題的解決措施；

　　4．3壓差旁通是控制機組運行臺數的重要手段，合理設定壓差值，才能充分發(fā)揮機組效能；

　　4．4機房側管路上相關位置應設置必要的控制配件，以增加調試運行管理工作的便捷性；

　　4．5空調水系統(tǒng)管道布置采用同程或異程須考慮末端設備的本身水阻力特性，同時考慮如何適應日后的調試工作，冷水系統(tǒng)配管所應采取必要的技術措施

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　　參考文獻

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