淺談空調(diào)冷熱水系統(tǒng)設計與配置

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摘要：隨著我國鋼鐵事業(yè)的高速發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)在鋼鐵廠也得到了越來越廣泛的應用，鋼鐵廠的中央空調(diào)相對于民用而言，有其一定的特點，本文從空調(diào)機房和空調(diào)管線兩個方面，討論鋼鐵廠空調(diào)設計中，應注意的問題，以供大家參考。

      關鍵詞：中央空調(diào)系統(tǒng)定壓補水裝置無補償直埋保溫管道   隨著我國鋼鐵事業(yè)的高速發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)在鋼鐵廠也得到了越來越廣泛的應用，中央空調(diào)相對于分體空調(diào)有如下優(yōu)點：①中央空調(diào)運行管理靈活方便，且運行費用低于分體空調(diào)，中央空調(diào)制冷站可直接控制制冷機的開停時間和冷量大小，可根據(jù)氣候變化進行調(diào)整，以節(jié)約運行電費。②中央空調(diào)能保證向房間輸送新風，使房間始終保持空氣清新、衛(wèi)生。但分體空調(diào)只有通過開門、窗和采用新風換氣機通風換氣，冷量損失大，這不僅影響房間溫度，而且浪費了能源。③中央空調(diào)故障少好維修。中央空調(diào)無論是空調(diào)機組和全空氣風道系統(tǒng)，還是房間風機盤管和新風系統(tǒng)，均不易發(fā)生故障，而制冷設備則設在制冷站內(nèi)，便于維修。但分體空調(diào)的分體空調(diào)器遍布在各處，制冷壓縮機不僅數(shù)量多而且分散，出了故障很難一一去維修好。④中央空調(diào)噪聲小于分體空調(diào)。中央空調(diào)可加裝各種消聲裝置降低噪聲，而分體空調(diào)因壓縮機距離空調(diào)房間比較近，則難以實現(xiàn)降噪措施。⑤中央空調(diào)末端形式美觀多樣，可與裝修施工密切配合，管路和設備均可隱蔽在吊頂內(nèi)，保證建筑的美觀，節(jié)約室內(nèi)的使用空間；但分體空調(diào)的風冷式室外機須零散的懸掛在外墻上或裝于室外地面上，影響外裝修效果，而室內(nèi)機則須掛在內(nèi)墻上或安放在地面，又占用了室內(nèi)空間，這無形中減小了房間的使用面積。⑥中央空調(diào)末端的空調(diào)冷凝水可集中排放，但分體空調(diào)因空調(diào)器布置分散，凝結水的排放不易處理?；谝陨显?，在鋼鐵廠內(nèi)采用中央空調(diào)系統(tǒng)是可行的，但鋼鐵廠內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)相對于民用建筑有以下特點：①鋼鐵廠內(nèi)各空調(diào)用戶比較分散，空調(diào)用戶的種類比較多，如何合理的設計空調(diào)管路的走向，解決各空調(diào)用戶的水力失調(diào)，滿足不同用戶的需要就顯得尤其重要。②鋼鐵廠內(nèi)的管道相當復雜，盡可能把縱橫交錯的管網(wǎng)排列的經(jīng)濟緊湊是值得探討的，其中供冷熱水工程的室外保溫管道的做法相當重要，做法不當將直接影響使用效果。③鋼鐵廠內(nèi)的各空調(diào)用戶投入使用的時間不同，空調(diào)負荷變化比較大，因充分考慮機組的自動調(diào)節(jié)以適應負荷的變化。下面就從空調(diào)機房和空調(diào)管線兩個方面，討論鋼鐵廠空調(diào)設計中，應注意的問題，以供大家參考。1、機房側(cè)的設計配置1.1冷水機組的選擇和配置鋼鐵廠中央空調(diào)冷水機組的選擇應充分考慮廠內(nèi)的能源配置情況，對于大多數(shù)鋼鐵廠而言，煉鋼和其他工藝過程會產(chǎn)生大量的蒸汽，從節(jié)能的角度來說，在空調(diào)冷水機組的選擇上應盡量考慮利用這部分蒸汽，所以對于有多余蒸汽的鋼鐵廠，在冷水機組的選擇上應優(yōu)先選用蒸汽型溴化鋰冷水機組，對于相同制冷量的蒸汽型溴化鋰制冷機組和電制冷機組而言，溴化鋰機組可節(jié)電98%左右。對于冷水機組臺數(shù)的選擇應盡量避免選用單臺機組，在條件允許的情況下，可選用兩臺或以上的冷水機組，這樣可不考慮備用機組，而且在負荷變化的情況下，可以關閉部分冷水機組，節(jié)約運行費用，可以使機組在較高的COP值下運行。冷水機組和冷凍水泵可采用一一對應的方式，如受機房大小的限制，也可采用多臺冷水機組與多臺冷凍水泵獨立并聯(lián)設置。這種布置方式有它比較明顯的簡潔﹑方便的優(yōu)點，但是這種方式應注意在部分空調(diào)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(xiàn)旁通分流的現(xiàn)象。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(diào)冷負荷的需求增大，需要增開冷水機組的臺數(shù)，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比較麻煩的。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電動蝶閥。電動蝶閥、冷水機組、冷卻水泵和冷凍水泵設計為連鎖運行控制，這樣便可以把空調(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。1.2冷凍水泵的選擇和配置大型的中央空調(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，空調(diào)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(diào)冷水泵超流量運行，其運行工作點可能跳出經(jīng)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。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(diào)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，解決方法有兩種，一是冷凍水泵采用變頻技術，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是系統(tǒng)變流量的節(jié)能技術。另外一種解決方法是在每臺水泵的出口裝設一種限流止回閥，它既可以起到防止停泵回流的作用，取代傳統(tǒng)的止回閥，又可以起到對工作泵限制流量的作用。該閥可以設定一個控制工作揚程，當水泵工作揚程低于控制揚程時閥門作關閉動作，使實際工作揚程加大，防止電機在水泵低揚程，大流量、低效率時發(fā)生過載現(xiàn)象。該方式相對于第一種方式，節(jié)能效果差，但會降低系統(tǒng)的投資，系統(tǒng)運行管理更加方便。1.3機房側(cè)管路上控制配件的設置壓力表﹑溫度計的設置對于空調(diào)冷水系統(tǒng)機房側(cè)部分顯得尤為重要，借助于壓力表的讀數(shù)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(jīng)該管路的水量是否滿足要求。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(diào)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。1.4系統(tǒng)的定壓及補水設置系統(tǒng)定壓裝置的目的是使系統(tǒng)能在穩(wěn)壓狀態(tài)下運行，保證系統(tǒng)內(nèi)不倒空、不汽化。一般中央空調(diào)系統(tǒng)的定壓點均設在冷凍水泵的入口的回水干管上，這樣可以使水泵產(chǎn)生的壓頭在系統(tǒng)中得到合適的分布。目前供熱空調(diào)系統(tǒng)定壓補水方式主要有膨脹水箱定壓補水，補水泵定壓補水，氣體定壓罐結合補水泵定壓補水等。其中膨脹水箱定壓補水是最經(jīng)濟最簡單的方式，所以現(xiàn)在在民用建筑中大量使用，但是膨脹水箱必須設在系統(tǒng)的最高點，在鋼鐵廠，各空調(diào)用戶比較分散，系統(tǒng)最高點距離空調(diào)機房往往比較遠，則布置膨脹水箱很困難，管理不方便，使高位水箱的應用受到了限制。利用補水泵連續(xù)補水定壓的系統(tǒng)，其定壓裝置是由補水箱、補水泵及調(diào)節(jié)器組成，在系統(tǒng)正常運行時，通過壓力調(diào)節(jié)器作用，使補水泵連續(xù)補給的水量與系統(tǒng)泄漏量相適應，從而維持系統(tǒng)動水壓曲線的位置，但這種定壓方式，一般需連續(xù)運行，耗電大。利用氣壓罐結合補水泵的定壓補水裝置在鋼鐵行業(yè)中被大量使用，它主要由補水泵、隔膜式氣壓水罐、安全閥、電接點壓力表和電磁閥組成，它的工作原理如下：當系統(tǒng)準備運行時，開啟補水泵，水被送至管網(wǎng)的同時也被送至氣壓水罐的水室，水室擴大并將罐內(nèi)的氣體壓縮，罐內(nèi)的壓力隨之升高，當壓力升高至最高工作壓力時（系統(tǒng)最高點和定壓點之間的高差加上3～5mH2O），水泵停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)已充滿水，利用氣壓罐內(nèi)的壓力來維持管網(wǎng)的壓力，當系統(tǒng)運行過程中，由于系統(tǒng)漏水或水溫改變導致系統(tǒng)水體積減少時，氣壓罐內(nèi)的水室縮小，罐內(nèi)氣體膨脹，壓力降低，當壓力降低至系統(tǒng)最低工作壓力時（系統(tǒng)最高點和定壓點之間的高差加上1mH2O），水泵開啟，系統(tǒng)進行補水。裝置中的壓力表和電磁閥均是安全保護裝置，當系統(tǒng)超壓時，可通過壓力表和電磁閥將多余的水排出系統(tǒng)。氣壓罐結合補水泵的定壓補水裝置的設備選型計算過程如下：1.5補水泵的選擇系統(tǒng)內(nèi)的水，當為熱水或冷熱兩用時，應采用軟化水，當軟化水壓力不能直接供入水箱時，應另設水泵補水，補水泵的自動補水量可按系統(tǒng)循環(huán)水量的1％考慮，事故補水按系統(tǒng)循環(huán)水量的3％考慮，直接補入循環(huán)水泵的入口處，補水泵的揚程應按補水點與系統(tǒng)最高點的高差加上3～5mH2O的富裕量考慮。1.6氣壓罐的選擇氣壓罐的最高工作壓力應大于補水泵的揚程。罐體的容積應按罐體內(nèi)的水容積選擇，罐體內(nèi)的水容積應按膨脹水箱的容積選擇，即罐內(nèi)的水容積應能夠容納水系統(tǒng)的膨脹量。式中V——膨脹罐體內(nèi)的水容積（L）——系統(tǒng)在高溫時水的密度（Kg/L），熱水時，為熱水供水的溫度，冷水時，為系統(tǒng)運行前水的最高溫度，可取35℃；——系統(tǒng)在低溫時水的密度（Kg/L），熱水時，可取20℃；冷水時，為冷水供水溫度，可取35℃；——系統(tǒng)內(nèi)單位水容積（L/kW）之和，與供回水溫差，水通路的長短等有關，見下表所示；Q——系統(tǒng)的總能量或總熱量（kW）；每供1kW冷量或熱量時的水容量（L/kW）系統(tǒng)的管路或設備室內(nèi)機械循環(huán)供熱管路（溫差20～25℃）7.8室外機械循環(huán)供熱管路（溫差20～25℃）5.8室內(nèi)機械循環(huán)供冷（溫差5℃）或冷熱兩用31.2室外機械循環(huán)供冷（溫差5℃）或冷熱兩用23.2鍋爐2～5制冷機的殼管式蒸發(fā)器1蒸汽－水或水－水熱交換器1表冷器（冷熱盤管12、空調(diào)管路的設計配置2.1煉鋼主廠房內(nèi)空調(diào)管路的配置同程系統(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，鋼鐵廠房內(nèi)的空調(diào)主管線多是沿廠房柱列線布置，所以很容易采取同程式系統(tǒng)（如圖所示），但是各空調(diào)用戶由于距離空調(diào)主管線的距離不同，室內(nèi)布置情況不同，很難采用同程式的布置（如圖用戶1～4的室內(nèi)管線），對此最好的解決辦法是先按經(jīng)濟比摩阻確定一個距離空調(diào)主管線最遠可能壓力損失最大用戶的壓力損失，以此壓力損失為依據(jù)來確定其他環(huán)路的管徑，這樣就能使流量按各空調(diào)用戶的需求進行分配，減少調(diào)試的工作量。各空調(diào)用戶內(nèi)部的管線如無條件可采用異程式布置，各空調(diào)末端可采用手動閥或平衡閥進行調(diào)節(jié)。2.2煉鋼主廠房外空調(diào)管線的配置一般講室外保溫管道敷設有架空敷設，地溝敷設，直埋敷設這三種，其中架空敷設在工廠企業(yè)工程上常有應用，但有的用戶點距離空調(diào)機房比較遠，如大量采用架空管道，容易影響廠區(qū)的總體布置，影響廠區(qū)的美觀。另外區(qū)域供熱供冷工程常因室外地下管道交錯而難以設置，常用的地下管道有強、弱電、給排水、煤氣等，國家規(guī)范對種管道設置間距有具體要求，各種室外管道應盡可能減少各自地下占有空間并將各自關系理順，區(qū)域地下管網(wǎng)方可有效實施，這方面直埋比地溝敷設優(yōu)越?，F(xiàn)就工程做法簡單且工藝成熟的聚氨酯直埋管道的應用進行分析比較。2.2.1保溫直埋管道的結構和特點直埋式預制保溫管是由輸送介質(zhì)的內(nèi)鋼管，外套管和在內(nèi)鋼管和外套管之間填充的憎水不燃型聚氨酯保溫層緊密結合而制成的整體預制管材，保溫層采用發(fā)泡工藝使其和外套管緊密在一起。因為管道直埋，保溫管道直接承受土壤及地面活荷載，同時又受到地下潮氣及地下水侵蝕，因此，保溫直埋管在防水、防腐及機械強度等方面性能都要求較高，因此，僅管道一項直埋管工程造價較高。但因其工程綜合造價較低，施工簡便，和地溝敷設相比，節(jié)約土石方工程量、磚砌混凝土工程量，施工工期縮短一半以上。而且實際直埋保溫管道不僅保溫效果好，綜合造價低，而且在嚴格按要求施工的情況下，保溫管經(jīng)六年實物解剖分析和人工老化試驗證實使用壽命在15年以上，而地溝敷設保溫管保溫材料為巖棉或離心棉一般3-5年需更換一次。綜上所述，直埋保溫管道在保溫性能，初投資，施工條件，維護工作量及日常運行費上均有較大優(yōu)勢。2.2.2保溫直埋管道的設計因本工程空調(diào)用熱水的最高溫度為60℃，最低溫度為7℃，因此直埋管道承受的應力不會太大。一般直埋管道材料為20號無縫鋼管或Q235管材，在15℃以上的溫度下安裝時，直埋敷設供熱管道（100℃）不用采取任何措施，按無補償安裝形式將管道直接埋設地下（無固定支座、無補償器），管道就可達到安全運行。因此對于區(qū)域供冷供熱（100℃的水系統(tǒng)）使用無補償安裝形式將是便捷、安全和經(jīng)濟的。無補償直埋敷設是利用土壤與外套管之間的摩擦力固定管道。管道敷設完覆土前應預熱管道，管線上無需設補償器，通常也無需設固定支架。為減小工程費用，可在預熱的同時進行水壓試驗。區(qū)域供冷供熱的管線特點是管內(nèi)介質(zhì)溫度不高（100℃），工作壓力1.0MPa，但管線較長，直管段經(jīng)常長達幾百米。土壤摩擦力遠大于溫度應力，在直管段中間出現(xiàn)“錨固段”，錨固端為危險斷面，要應力驗算使之滿足鋼材許用應力。使用無補償安裝形式的直埋敷設供熱管道的水平彎頭、三通處應力集中。，設計時，應通過應力計算，選擇合適壓力等級的彎頭及三通。一般來說，對空調(diào)供回水管道，為保險起見，在選用彎頭和三通時可以考慮采用比管道高一個壓力等級?！?、結論1、對于鋼鐵廠中央空調(diào)系統(tǒng)主機的選擇，應充分考慮廠內(nèi)的能源配置情況，有富裕蒸汽的地方，應優(yōu)先選用蒸汽型溴化鋰機組；2、對于鋼鐵廠內(nèi)各空調(diào)用戶比較分散，利用膨脹水箱的定壓補水方式比較困難，可采用氣壓罐結合補水泵的定壓補水裝置；3、廠房內(nèi)的空調(diào)主管線應盡量采用同程式布置。各空調(diào)用戶的設計應先按經(jīng)濟比摩阻確定一個距離空調(diào)主管線最遠可能壓力損失最大用戶的壓力損失，以此壓力損失為依據(jù)來確定其他環(huán)路的管徑；4、對于區(qū)域供冷供熱管道的可采用無補償直埋保溫管道，但應注意“錨固段，以及彎頭，三通等應力比較集中處的應力計算。參考文獻：1.城鎮(zhèn)直埋管道工程技術規(guī)程（CJJ/T81-98）；中華人民共和國行業(yè)標準2、城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范（CJJ34-2002）；中華人民共和國行業(yè)標準3、空氣調(diào)節(jié)設計手冊，電子工業(yè)部第十設計研究院主編，中國建筑工業(yè)出版社；4、供暖通風設計手冊，陸耀慶主編，中國建筑工業(yè)出版社