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中央空調冷水機組水系統的配置及設計

空調制冷站及水系統合理的設備選型和設計、可靠的操作控制和良好的運行管理,對空調系統的有效運行和節能降耗起著極為重要的作用。不同建筑空調系統在設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水系統的配置不合理所致。而這種不合理的配置和設計,在全國范圍內的工程中都不同程度地存在,應該引起我們的足夠重視。

1 冷水機組的設計配置

合理的冷水機組配置應當能夠實現以下幾個目標:

a)冷水機組的冷量選擇科學合理,適合建筑物冷負荷需要;

b)所有冷水機組均能工作在單機最佳工況區域內;

c)整個系統具有較好的部分負荷效率;

d)系統可靠,在不增加冷水機組負荷容量的前提下,機組之間具備良好的兼備性;

e)系統調節簡捷方便, 調節成本低。但在實際工程中冷水機組選擇和配置往往不當, 難于達到上述目標, 具體表現在以下兩個方面。

1.1冷水機組冷量偏大

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

1.2 冷水機組臺數選擇不當

冷水機組臺數應根據冷負荷特性、運行調節性能進行選擇,一般為2～ 4臺,單機制冷量的大小應合理搭配,當單機容量調節下限的產冷量大于建筑物的最小負荷時,應選1臺適合最小負荷的冷水機組, 以保證系統負荷調節的可靠性,增加負荷的適應性, 避免冷水機組低效運行。即使是大型空調系統, 其冷水機組臺數也不宜超過4臺,超過4臺則應該分設系統。冷水機組與水泵運行一一對應時, 理論上存在著明顯的關聯損失,且負荷變化時機組的運行調節比較麻煩, 各單機難以運行在最佳工況區域。

2 冷(熱)水泵設計配置

冷(熱)水系統循環水泵的配置同冷水機組的配置一樣, 應使水泵始終運行在高效區, 使水系統輸送能耗低、調節性好、工作穩定。循環水泵的流量應與冷水機組蒸發器的額定流量相對應, 揚程則應按水力計算確定。

2.1 冷水泵并聯運行

一次泵系統冷水泵的臺數一般按冷水機組的臺數一對一配置, 二次泵系統冷水泵的臺數按系統分區和每區水泵的配置方式確定。冷水機組和水泵一對一配置時(見圖1),系統控制及運行管理簡捷方便,各冷水機組相互干擾少,水量變化小,水力穩定性好,水泵的并聯損失相應較小, 某臺冷水機組不運行時,由于水泵出口止回閥的作用, 水不會通過停運的冷水機組旁通分流。

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

理論上來說,宜盡可能使空調水系統水泵定水量運行, 以使冷水機組運行高效穩定。但在實際運行過程中, 幾乎所有水泵都處在超流量狀態,文獻對此有詳盡分析。而更普遍的是很多工程的水泵揚程都大于設計狀態下的系統循環水阻力。

國產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系統中單臺泵運行時表現得更為突出:管路系統阻力減小、水泵超流量嚴重、電機超載運行, 對電機的使用帶來極大的影響甚至燒毀電機。

綜上所述, 空調水系統中水泵并聯臺數不宜過多,以盡量增加負荷變化時水系統調節的適應性,保證系統調節的簡捷可靠和運行平穩;同時, 選擇水泵時, 應使設計工況點處于水泵最高效率點的區域, 以使水泵大多數時間內均處于最高效率區運行;在選配水泵電機時, 必須考慮單臺泵最大可能的工作點, 并按此點來配置電機,以保證水泵電機超流量運行的富余量, 確保水泵正常安全運行。

2.2冷熱水循環泵分開設置

兩管制空調水系統, 因冬夏季負荷的差別和運行水溫差的不同, 宜分別設置冷水和熱水循環泵。在長江中下游地區, 全年舒適性空調的冬季熱負荷一般為夏季冷負荷值的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

環泵分開設置是完全必要的。

在實際工程設計中,冷熱水循環泵往往是互相兼用, 一般是設置一組泵, 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,而且會導致循環水泵運行效率低下、超流量運行嚴重、電機過載燒壞。

熱水循環泵的流量可根據供熱負荷及溫差計算確定,揚程則可按式(1)進行計算:

式中H熱為熱水循環泵揚程;H冷為冷水泵揚程;H冷機為冷水機組水阻力;H 熱機為熱源設備或換熱器水阻力;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使變速泵和定速泵都運行在各自的高效區內,變速泵臺數的確定以充分發揮每臺變速泵在變速運行時處于高效區內為原則,以達到最大的節能效果,并能夠增加冬季供暖時水泵的運行穩定性。

3冷卻水系統設計配置

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

3.1冷卻塔的配置

在循環冷卻系統中, 冷卻塔是一個重要的設備, 目前冷卻塔最常見的問題是冷卻效率太差, 不能滿足冷水機組使用要求甚至有許多產品達不到其技術資料給出的性能指標。

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

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

根據南方地區的運行經驗, 對于離心式機組和吸收式機組, 應分別附加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。冷卻塔生產廠家和科研機構, 應該把重點放在對風機、填料、布水器及塔體本身的流體力學性能和熱工性能的研究改進上, 以提高冷卻塔的綜合冷卻性能。

冷水機組運行時要求保持一定的冷卻水流量, 當多臺冷水機組并聯運行時, 通常冷卻水泵、冷卻塔及冷水機組一一對應。冷卻水泵與冷水機組的管道連接和前述冷水泵與冷水機組的連接一樣, 最好采用一對一的方式(圖3), 當然也可采用冷卻水泵與冷水機組獨立并聯后通過總管相連接的方式(圖4), 在要求自動聯鎖控制的工程中,各冷水機組必須配置電動蝶閥, 以防止不運行的冷水機組旁通分流。冷卻塔一般采用全部并聯后通過冷卻水總管接至制冷站的連接方式, 當多臺冷卻塔并聯時, 宜采用相同型號。為防止水位不同而溢流, 冷卻塔集水盤下應設有連通管, 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定性。

3.2冷卻水泵的設計配置

冷卻水泵的流量應按冷水機組產品技術資料提供的數據確定, 而不能按加大系數后的冷卻塔處理水量確定, 否則運行時流量會遠遠超過冷水機組的流量。冷卻水泵的揚程應根據冷卻水系統水力計算確定。冷卻水泵并聯運行情況及調節性能均同前述冷水泵的并聯工況, 但由于冷卻水泵型號均大于冷水泵, 而冷卻水系統的管道阻力要小于冷水系統, 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系統正常使用和調節時, 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, 穩定進入冷水機組的水量, 但此種方式僅在水泵揚程超過較小時采用比較經濟有效, 水泵揚程超過較大時, 人為增加水系統阻力, 無謂消耗掉部分電能, 水系統運行并不穩定,水泵的機械噪聲也會增大。切割水泵葉輪在很多工程中使用過, 較經濟方便, 也有較好的改造運行效果。葉輪切割外徑可按式(3)進行計算:

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結語

通過以上分析, 可以進一步認識到冷水機組水系統合理配置和設計的重要性, 選擇合適的冷水機組容量、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, 確保空調系統高效穩定運行, 運行調節簡捷可靠。