空调水系统节能设计（精选8篇）

空调水系统节能设计 第1篇

步入21世纪后, 我国城市化进程加速推进, 面临的环境及资源等问题越来越严重, 建筑节能也越来越受到更多关注。由于空调能耗占建筑能耗比重很大, 所以空调节能也成了建筑节能的一个关键。就目前的空调技术而言, 单一空调设备节能潜力比较有限, 但系统整体控制还有节能潜力可挖, 尤其是当前许多实际空调工程水系统运行时由于水力失调的原因, 即使采用了节能新技术, 其节能性远达不到设计要求, 因此对空调水系统水力平衡进行优化设计是很有必要的。

1 空调水系统水力平衡

水力失调是许多实际空调工程运行存在的通病。文献[1]将空调水力失调分为静态水力失调与动态水力失调两类, 因此, 对应的也有静态水力平衡与动态水力平衡两种形式的解决方法。

1.1 静态水力平衡

静态水力平衡要求在设计工况下水系统运行参数能与设计值相吻合。以目前的技术水平来看, 静态水力平衡已经不是太大问题, 通过安装静态水力平衡阀等手段就能达到要求。

当然, 对于空调水系统是否需要安装静态水力平衡阀也还是存在争议的, 主要集中在以下两点:

(1) 安装静态平衡阀增加了系统阻力, 对节能不利, 甚至不满足节能标准。

(2) 与末端串联的静态平衡阀降低了末端电动调节阀的阀权度, 降低了回路的动态水力平衡性能。

但从笔者看来, 以上两点都不是问题。

(1) 水力平衡的重要性要超过节能, 水力失调的系统其节能性没有太多讨论价值。而安装了静态平衡阀的供回水管路可以省去安装检修用的截止阀, 实际上阻力并未有明显的增大。同时, 若是空调水系统设计不满足《公共建筑节能设计标准》 (GB50189-2015) 有关耗电输冷比的要求, 通常更深原因应该是整个水系统设计有问题, 而不仅仅是安装了静态平衡阀而所致。

(2) 未安装静态平衡阀时, 控制阀全开, 有些回路有利过流量而导致其他回路欠流量。有人提出这些支路可以通过关小末端电动调节阀的一部分阀位来达到设计流量, 省去安装静态平衡阀;在此情况下, 本身就要牺牲电动调节阀一定的控制性能来保证静态水力平衡, 按公式计算出来的阀权度并未完全反映这种情况下阀门特性的偏离, 而应该用实际阀权度[1]来讨论这个问题, 后文将详述。

此外, 某些动态平衡阀同时具有静态平衡阀的功能, 若安装了此类阀门则可以省去安装静态平衡阀。

1.2 动态水力平衡

对于定流量系统只需考虑静态水力平衡, 对于变流量系统则还需考虑动态水力平衡。而在《民用建筑供暖通风与空调设计规范》中已经明确规定除设置一台冷水机组的小型工程可采用定流量系统外, 其余皆应采用变流量系统。

变流量系统末端须设置电动阀门来调节水量 (本文不讨论通断阀) , 目前主要是采用电动两通阀。电动调节阀的控制性能是以定压方式给出的, 但是, 系统末端流量的调节会引起压力的变化, 阀门调节会产生互相干扰, 使阀门控制特性产生偏离, 当阀门特性偏离程度较大时, 阀门阀位微小的变化, 冷量的输出变化却很大, 此时, 要想稳定的控制是不可能的, 这会导致阀门频繁关启。动态水力平衡简单来说就是采用技术手段消除回路互扰, 使控制阀两端压差不产生较大偏差。

但是, 文献[1]提出并不存在绝对意义的动态水力平衡, 并给出了阀门特性偏离的参考指标———阀权度β的定义:

式中:ΔPmin———调节阀全开时的压力损失 (Pa) ;

ΔP———调节阀所在支路资用压头 (Pa) 。

同时还指出, 变流量系统中, 只有所有调节阀阀权度为1才能完全实现动态水力平衡, 实际工程中由于多种原因难以实现, 或没有必要。

2 典型的空调水系统形式

前文提到只有变流量系统才能实现较为理想的静态与动态水力平衡, 《民用建筑供暖通风与空调设计规范》中规定了两类变流量系统 (限于篇幅本文仅讨论一级泵系统) :变流量系统 (冷水机组定流量) 、变流量系统 (冷水机组变流量) 。

2.1 变流量系统 (冷水机组定流量)

早期的空调工程由于冷机并不具有变流量的功能只能设计为变流量系统 (冷水机组定流量) , 这种系统可以看成是二次泵变流量系统的简化版。系统供回水回路分为负荷侧与主机侧, 主机侧定流量运行, 负荷侧变流量运行, 部分负荷时负荷侧多余水量通过总供回水管之间的旁通管转回主机侧。

此系统只能通过机组台数控制来节约水泵能耗, 负荷变化在一定的范围水泵能耗是恒定的 (与机组负荷搭配有关) , 节能效果稍差。但如果从初投资的角度考虑, 这种系统是具有优势的, 目前应用还是很广泛。

对于变流量系统 (冷水机组定流量) 的控制, 规范推荐采用压差控制供回水干管之间旁通管上的电动调节阀的方式。

2.2 变流量系统 (冷水机组变流量)

随着制冷机组变流量运行技术有了新进展, 在主机选用具有变流量运行功能的型号时, 为了最大限度的节约水泵能耗, 主机侧的定频泵可以改为变频泵实现主机侧亦变流量运行, 旁通管仅在系统运行水量低于主机最小流量限值时才投入使用。

变流量系统 (冷水机组变流量) 的控制方式比较多, 包括压差、温差、流量等方式。通常情况下, 压差控制方式响应快、稳定性好、最具优越性, 而压差控制又可分为干管定压差、末端定压差及变压差三种方式, 其中末端定压差方式是规范推荐采用的方式, 但问题是最不利末端的辨识困难, 以及最不利水力末端与最不利热力末端的不一致可能会导致部分末端欠流量;变压差控制方式理论上最为节能, 但是这种方式需要系统每个末端都设置压力传感器, 控制过于复杂, 初投资又过大;而干管定压差的控制方式相对而言简便易行, 目前变流量系统 (冷水机组变流量) 的控制方式还是以干管定压差调节变频水泵转速的方式应用最广[2]。

3 水力平衡优化设计的思考

前文已述及, 目前空调工程静态水力平衡基本不是问题, 而对于动态水力平衡, 文献[1]和《民规》第9.2.5条都提出调节阀设计选型时, 使其阀权度在一定的取值范围能保证阀门的调节质量与系统稳定性。

但文献[2]认为阀权度的定义是以支路资用压差恒定得出的, 而实际空调水系统通常都是变压差支路, 如果低负荷运行, 支路资用压力上升, 阀门全开时支路就已经超流量, 这种情况下阀门的调节特性是更严重偏离的。计算的阀权度却因为调节阀全开的作用压差与支路实际压差等比例改变保持恒定。因此, 提出优化的设计参数———实际阀权度βs来描述阀门特性的偏离。实际阀权度比阀权度更具设计参考价值。

式中:ΔP0———调节阀全开并且为设计流量时的压力损失 (Pa) ;

ΔPS———调节阀所在支路实际总压力损失 (Pa) 。

文献[2]还提出最小阀权度的概念, 其指出在负荷极低时, 管道与附件的压力降可以忽略不计, 调节阀的压差为水泵扬程, 定义最小阀权度为:

式中:ΔP0———调节阀全开并且为设计流量时的压力损失 (Pa) ;

H———水泵扬程 (Pa) 。

认为设计支路的调节阀的最小阀权度必须大于0.25。当水系统支路阀门的最小阀权度小于0.25时, 一旦系统总负荷与该支路负荷同时降至较低时, 该支路的阀门调节基本上处于失控状态。

对于文献[2]的观点, 笔者部分赞同, 但也有不同看法。同时, 受此启发笔者提出优化方法。

(1) 当变流量系统采用末端定压差控制方式时, 系统的定压点在末端, 系统负荷降低时, 各支路的资用压差是下降的, 而不是上升为水泵扬程, 阀门的控制特性反而是向有利控制方向偏离 (末端控制阀有可能全开欠流量, 但这是系统设计的问题) 。这种情况下, 按规范直接采用阀权度作为调节阀选型的参考并无太大问题。

(2) 当变流量系统采用以干管定压差控制方式时, 系统定压点在主机侧与负荷侧的分界处, 系统负荷降低时, 各支路末端调节阀的调节最大压差应接近干管定压点的压差, 即设计工况时水泵扬程减去主机侧水阻, 以此重新定义最小阀权度为:

式中:ΔP0———调节阀全开并且为设计流量时的压力损失 (Pa) ;

H———水泵扬程 (Pa) ;

ΔPZ———设计工况时, 主机侧总压力损失 (Pa) 。

其限值仍为0.25。所以, 当变流量系统采用以干管定压差控制方式时, 若校核支路调节阀发现其不满足最小阀权度要求时, 对该支路应采用定压技术措施或选用一体阀等方法来解决。

4 结论

(1) 空调水系统节能潜力很大, 但实际工程中空调水系统的水力失调降低了节能技术应用的效果。

(2) 空调水系统采用静态水力平衡阀来满足静态水力平衡要求, 具有实用性, 存在的一些争议并不构成明显影响。

(3) 阀权度的概念对于动态水力平衡而言不够完善, 建议设计时兼顾参考文献[2]提出的实际阀权度。

(4) 空调水系统动态水力平衡应根据系统控制方式的不同来确定支路的控制阀门的选型或附加技术措施的应用。变流量系统采用末端定压差控制方式, 其支路可直接参照规范的阀权度取值范围来选用控制阀, 当变流量系统采用干管定压差控制方式, 其支路控制阀应在满足规范对阀权度的取值要求的同时, 校核是否满足本文定义的最小阀权度要求, 若不满足, 则建议采取相应的技术措施。

摘要：中央空调水系统的能耗通常占整个空调系统能耗比重较大, 空调水系统的节能也越来越受到重视。同时, 空调水系统又存在着水力平衡的要求, 也只有在保证水力平衡的条件下, 空调水系统的节能才有实际意义。本文从空调水系统的典型形式出发, 对空调水系统的水力平衡进行思考, 并提出优化设计的方法, 以实现空调水系统运行节能的目的。

关键词：空调水系统,水力平衡,节能,阀权度

参考文献

[1]陆耀庆.《实用供热空调设计手册》[M].中国建筑工业出版社, 2008.

[2]罗伯特.帕蒂琼, 著.杨国荣, 胡仰耆, 译.《全面水力平衡——暖通空调水力系统设计与应用手册》[M].中国建筑工业出版社, 2007.

[3]徐伟, 等编.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南[M].中国建筑工业出版社, 2012.

[4]赵天怡.空调冷冻水系统变压差设定值优化控制方法[D].黑龙江:哈尔滨工业大学, 2009.

空调水系统节能设计 第2篇

关键词 变流量 空调水系统 节能改造

一、引言

对空调水系统的变流量进行节能改造，不仅可以有效节省空调使用费用，也可以使空调在改造后能够更好的运行，拥有更好的节能效果。本篇主要集中在空调水系统中改造变流量的可行性，并给出水系统变流量节能的控制方案，以实现对空调水系统的节能控制。

二、空调变流量节能改造的可行性

空调水系统中实施对变流量的节能改造，变速运行制冷机，不仅可以优化机组启动性能，还可以有效避开喘振点，提高机组的可靠性以及机组的功率因数。例如在某个有限公司内，用2台650冷吨离心式制冷机组用于生产车间空调中，不仅可以确保24小时内不间断运行，而且空调水系统的负荷稳定， 在符合变频条件之下，不管是大负荷运行还是小负荷运行，都比以往的工频机组节能。还有就是对空调水系统的变流量进行节能改造，利用常规冷水机组以及改造后的水蓄冷系统，增加放冷泵以及板式换热器设备，还可以使机组的节能潜力增大，节省运行费，确保企业的经济效益与节能效益，为社会创造节能效益，平衡电网负荷。

三、空调水系统的变流量节能改造技术

研究显示，空调水系统耗电量占总空调耗电量的15% ～20%，又因为空调系统负荷会随室外、室内情况而变化，这样就容易造成空调系统绝为定流量部分负荷，会浪费大量的能源。因此，可以根据空调水系统进行有效的节能控制，实施变流量控制，这对于建筑节能将具有重大的意义。空调水系统变流量改造中，针对传统定流量控制中的要素，为避免冷水流量突然减小而引起蒸发器的冻结，以及在蒸发器内水流速改变对水侧放热系数Aw的影响，以及水中有机物在流速低时会对管壁造成腐蚀，故此在变流量节能改造中，可以采用的溴化锂吸收式冷水机组，确保水系统可以变流量运行。

硬件设计部分：针对硬件系统中，将会采用计算机以及加变频器的电机进行调速，之后通过RS-485芯片进行连接，不仅变流量水系统的结构简单，而且还性能可靠。

软件设计部分：对于软件部分，则会采用VisualC++6. 0软件来编写整个程序，不仅结构清晰、运行结果稳定可靠，采用变流量水系统还可以有效节约电力资源。对于空调变流量改造中，应该根据空调水系统的实际特点，之后可以借助智能自控技术以及的网络通讯技术，采用先进的控制软件对空调水系统进行改造设计。软件设计中需要涉嫌对空调使用负荷的实时跟踪，并且还可以减少冷冻水、冷却水的用量，以此来减少能耗费用；并且在软件设计中，还应该实现对水泵电机的软启动与软停机控制，以此来减少电流对电机冲击，改善电机机组的运行条件，降低噪声。

四、空调水系统变流量改造在实际中的应用

例如针对武汉市某高层商用写字楼，其建筑总面积为318万平米，大楼空调系统中使用离心式冷水机组供冷，根据其对于其冷水机组中，在中央空调系统内采用三台水冷，在冷水机组中的单机制冷量为 400USRT， 其电机的功率是 300kW；在冷冻水泵中有冷冻水泵三台， 其电机功率为55kW， 流量是 280m3/h， 电机为自耦变压器启动；由于该空调水系统的能耗较大， 因此可以采用变流量节能技术，实现对空调水系统的节能改造。保留原有继电接触器的控制线路，采用PLC编程控制实现对中央空调的控制， 节约投资。

对于空调水系统的节能改造中，为确保用户能够直观方便的使用控制系统结构， 应采用 IPC 一体化工作站+PLC+变频器的控制系统结构，给予有效的人机界面， 确保空调水系统变流量改造的有效实施。应该确保控制系统中各子系统运行的安全性与可靠性，有效控制其设置参数，从变流量节能的角度出发， 却在空调主机内的冷冻水供水温度不应该设置过低， 而对于空调冷水供水的最小流量也不能超过规定数值范围。并且对冷却水系统以及冷冻水系统进行变流量改造中， 使用冷冻水温差控制与压差控制控制方法，将冷冻水送回温差控制在 4.5℃到5℃，然后根据PLC通过温度传感器的水温度读入内存， 并且在保证空调水系统机组安全运行的基础上， 控制热交换速度， 并根据回水以及出水温差值去调节冷冻水流量， 既经济又简捷，实现对空调冷媒流量的动态调节，降低空调系统的运行能耗；又因为电机启动以及运转中都不产生冲击电流， 可有效延长电机的使用寿命，可以达到最大化的节能效果。

五、结论

综上所述，对于空调水系统的变流量实施节能改造，不仅可以有效控制热交换的速度， 还可以达到节能的目的。空调水系统的节能改造技术的实现，不仅可以改成传统定流量水系统系统的弊端，可以降低水系统在空调系统中的能耗量，减少资源浪费，具有实际上的应用价值。

参考文献：

[1]唐志伟，蔡立佳. 锅炉采暖系统变流量节能技术研究[J]. 能源与环境，2012，07（18）：41-42.

[2]吴挺，郁文红. 对集中空调冷却水系统变流量的思考[J]. 暖通空调，2011，14（12）：76-77.

空调水系统节能探讨 第3篇

中央空调系统形式多样,其可采取的节能方法也呈现多样化,就中央空调系统一水系统而言,因不同节能公司存在不同的做法,其产生的节能量也大小不一。

2 二次泵系统节能

常见的控制策略是采取二次泵变频控制。针对一次泵是否可以变频,争议较大,本文认为:在保证一次泵出水总管的流量应与二次泵的流量保持一致的情况下,一次泵亦可以做变频运行,使得盲管的水流量始终保持零流量(如图1所示)。当供给侧流量大于需求侧流量时,旁通管道自右向左有水流过,此时需要降低一次泵的频率,当需求侧流量大于供给侧流量时,旁通管道自左向右有水流过,此时需要升高一次泵的频率。

3 冷却水系统节能

关于冷却水系统节能的说法不一,有厂家提出制冷机及冷却塔能耗的优化最佳控制,如图2所示。

有设计单位提出冷却塔风扇的功率远小于主机功率,风扇功率的减小对节能量的贡献不如主机能耗减少对节能量的贡献多,所以提出尽量使风扇全开而降低冷却水的回水温度,提高主机效率。

另有厂家提出回水温度根据湿球温度+温差的控制方法,低风速、多冷却塔控制的方式,如图3所示。

事实上,冷却水回水温度跟室外湿度、主机的负荷有很大关系,室外相对湿度高于80%以上,冷却水温度很难降低,主机的负荷低于50%以上时,冷却水温度很容易降低,从节能的角度考虑,冷却塔风扇可全配置成变频驱动,冷却水回水温度设定值可调节,当冷却水回水温度高于室外湿球温度+2℃时,冷却塔风扇全变频全开,当冷却水回水温度接近室外湿球温度+2℃时,冷却塔风扇部分开启变频运行。

4 管理节能

管理节能的方法有很多,本文就实施夜间停机计划进行探讨,如酒店类建筑在凌晨2:00以后,空调离心机组夜间供冷时的电流百分比在50%以下,则系统停止运行4小时,在清晨峰电来临前1小时将系统负荷拉下来。表1是某酒店空调系统夜间运行能耗记录:正常运行期间AM2:00-AM7:00,按5小时计算,系统能耗约1340.3kWh。

如果实施夜间停机计划,则系统在AM2:00-AM6:00停止运行,系统在AM6:00开机后主机负荷提高,但一般能够在1小时内将负荷拉下来,即恢复到夜间未停机的运行状态,夜间停机计划时系统仅有1小时的耗电量,计算如表2所示,停机前后主机功率、电流百分比变化如图4所示。

对比发现,实施夜间停机计划每晚可节省空调用电1020kWh (=1340.3-320.3)。同时实践证明,酒店实施夜间停机计划,冷冻水的供回水温度在4小时内会逐步升高,如图5中蓝色和白色的温度线,AM2:00停机前冷冻水的供回水温度在11/13℃,AM6:00冷冻水供回水基本保持平衡在20℃,基本反映在凌晨6:00建筑负荷室内外会达到平衡,AM6:00主机开启后,冷冻水温开始下降,AM7:00系统负荷又达到平衡。实施夜间停机计划减少了空调设备的运行,使空调系统产生一定的节能量,每年从9月份开始,酒店类建筑可逐步考虑从夜间停机开始,逐步推广到白天。

5 应用小结

总之,空调水系统节能主要体现在控制方式的选择,不管是通过控制二次泵系统、冷却水系统还是通过管理节能,控制系统的好坏都直接影响到系统节能量的大小,而控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。“稳”是指系统的稳定性,一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的;“准”是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差;“快”是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。

空调水系统VWV节能控制(下) 第4篇

(1) 能否及时反馈各阀位的平均开度, 若反馈时间滞后过大, 将导致系统出现振荡;

(2) 外层PI调节控制器 (1#控制器) 的参数 (包括P值、I值的大小, ΔPsp的上下限值) 需要经调试确定, 以便它能够计算出合理的ΔPsp;

(3) φsp的取值 (一般可设定φsp=85%左右, 或者设定至少有一个阀门为全开) 。

下面介绍这几种控制策略的典型应用场合:

(1) 对于采用“大温差, 小流量”运行的水系统而言, “温差控制策略”较为适用。因为它能够较好地控制供回水温度和温差, 不至于使制冷机蒸发温度过低, 甚至冻结;

(2) 把现有CWV系统改造成VWV系统的改造工程, “干管压差控制策略”较为适用。因为现有的CWV系统已经配置了“供回水压力/压差传感器”, 只要增加水泵变频器, 即可实现改造, 简单易行;

(3) 能够找到有代表性的“最不利末端管路”, 且“最不利末端”采用的是“电动调节阀”而非“两通电磁阀”, 并且此“最不利末端管路”在整个空调系统运行时间内均需投入使用时, 可以选用“末端压差控制策略”。该控制策略比“干管压差控制策略”的节能效果更好 (下文将予以说明) 。

(4) 所有水阀均为“可输出阀位反馈值的电动调节阀”时, 选用“最小阻力控制策略”是最佳方案。因为, 在所有控制策略中, “最小阻力控制”是节能效果最好的 (下文将予以说明) 。

上述4种控制策略在现代智能建筑里均有采用。当然, 任何一种控制策略都有它的优点和适用范围, 切不可盲目应用。应当根据每个系统的特点, 选择最适合的控制策略, 加以精心调试, 才能真正达到节能的目的。

3 不同控制策略下, VWV冷冻水系统的节能分析

VWV系统之所以比CWV系统节能, 最主要的途径是节省水泵的能耗。于是, 下面来分析在VWV运行状态下, 水泵功率降低的幅度。水泵的相似律指出:同一台水泵在改变转速时, 可以用以下公式进行换算:

因此, 在相似工况点上, 随着水泵转速的下降, 流量将同步下降, 而水泵功率将呈三次方的速度急剧下降。但是我们不能因上述结论, 而误解为水泵的能耗与其水泵流量的3次方呈“线性关系”。因为上述结论是依据相似规律导出的, 上述 (6) 式只在相似工况点上成立, 而相似工况点必须满足:

空调冷冻水系统是一个闭式管网, 上述 (7) 式可以改写成:

(8) 式即为闭式管网的特性曲线方程, 其中:

H离心水泵的扬程, m;

hw闭式管网的总压头损失;

S闭式管网的管道阻抗。S值越大, 曲线越陡, 说明管网的压头损失也就越大。

在VWV的实际控制当中, 由于末端调节水阀的开度, 是根据负荷变化动态变化的, 当负荷减小时, 各阀门就趋向于关小, 这必然带来管网阻力的增大, 特性曲线也就随着水阀阀位的变化而改变。事实上, 采用不同的VWV控制策略, 其管网特性曲线与额定工况下特性曲线的偏移程度也不相同, 使得不同控制策略下的节能效果也有差异。图5是不同控制方式下, 水泵运行工况示意图。

图5中, O点是在额定工况下, 水泵的工作状态点, 它是水泵的额定转速 (n0) 下的性能曲线与管网特性曲线的交点, 此时的管网内所有阀门均为全开状态。假设水泵没有变频器, 始终在额定转速 (n0) 下运行, 当系统负荷减小时, 管网内部分水阀开始关小, 导致管网阻力增大, 水泵扬程上升, 流量相应减小, 水泵工作状态点由O点移动到A点, 此时HA>H0, Q1

若采用干管压差VWV控制方式, 负荷减小时, 管网内阀门趋于关小, 管网的S增大, 管网特性曲线变陡。此时因为冷冻水供回水干管压差始终控制在恒定值 (ΔPsp) 附近, 所以在水泵减速过程中, 扬程基本不变, 但流量减少, 因此, 水泵工作状态由O点变化到B点, 即HB=H0, Q1

若采用VWV末端压差控制方式, 由于这一控制方式只监控最不利管路的压差, 在负荷减小的过程中, 水泵转速降低的同时, 扬程也有所降低。经试验证明, V W V末端压差控制方式的工作点变化曲线如图6所示, 水泵的工作状态将由O点变化到C点。此时HC

若采用VWV最小阻力控制方式, 水泵的工作状态将由O点变化到D点, 此时HD

对比上述几种控制方式, 在负荷减小时, 流量都降低到Q1, 而HA>HB>HC>HD, 相对于VWV最小阻力控制方式而言, 其他控制方式的水泵扬程之所以高, 其原因就是因为其他控制方式下, 水阀的平均开度较小, 而这些多余的静压就被大量的水阀消耗掉了。

对于VWV温差控制方式, 由于其控制过程对供回水压差是不做监控的, 因此温差控制的V W V系统中水泵实际扬程是一个不确定值, 在图5中难以体现此控制过程。但是可以肯定的一点是, 在相同负荷工况下, 其水泵扬程应该不低于VWV最小阻力控制方式下的水泵扬程。

下面我们来比较一下, 这几种控制方式的水泵能耗, 由离心式水泵的基本原理可知:

离心式水泵的有效功率:

离心式水泵的轴功率:

离心式水泵的马达输入功率:

上式中:

Q离心水泵输送流体的体积流量, m3/s;

H离心水泵的扬程, m;

c流体的密度, kg/m3;

ηi离心水泵的效率, %;

ηm马达效率, %。

因此, 水泵变频以后, 干管压差控制、末端压差控制、最小阻力控制方式的节电率 (ψ) 分别为:

由此可见, 水泵的功率随流量呈3次方的关系减少在实际工况中是不可能达到的。变频水泵的节电效果将主要取决于水流量减少后管网特性曲线的变化情况, 在上述几种控制方式中, VWV最小阻力控制方式下的水泵节电率最高。

4 应用VWV的其他好处

相比于CWV系统而言, 采用VWV系统除了节能以外, 还有以下好处:

(1) 不必设计二级冷冻泵系统。在变频器尚未普遍应用之前, 很多项目采用了二级冷冻泵的水系统 (即一级冷冻泵与制冷主机一一对应, 通过二级泵台数控制来调节整个冷冻水系统的流量) 。若采用了VWV系统, 可以不必设计二级冷冻水泵, 可以大大节省设备投资、管路投资和机房空间;

(2) 可省去供回水旁通管路或一二级泵旁通管路和旁通阀门, 由于旁通管路的口径与供回水主管口径基本相同, 因此这可以节省空间和投资;

(3) 采用VWV系统, 冷冻水泵台数和制冷主机数量可以不必一致。比如:用2台或3台变频水泵 (其中1台为备用泵) 服务4台制冷主机, 这样可以充分利用水泵的变频调速功能节省水泵的初投资。

5 应用VWV节能控制的注意事项

(1) 水泵变频调节范围不宜太大。图6是典型水泵在变速时的等效率曲线, 实线表示不同转速下的水泵流量-扬程曲线, 虚线表示等效率曲线。

从图6中可以看到, 即使水泵工况点按相似工况变化, 水泵效率也会有所降低, 再加上变频器在频率降低时工作效率也会降低。因此VWV系统中, 水泵的转速调节范围宜控制在额定转速的7 0%~100%之间, 当水泵低于额定转速50%以下运行时, 水泵效率将明显降低, 节能效果也大大下降。

(2) 在投资预算允许的条件下, 建议不要把变频水泵和定频水泵并联。因为两个性能曲线不同的水泵并联, 会出现并联后的性能曲线不稳定, 甚至出现变频泵的扬程明显小于定频水泵扬程而发生倒灌的情况, 这将给空调水系统调试增加难度。

(3) 在一台或一组变频水泵服务于多台制冷主机时, 各台制冷机之间的流量分配应当平衡, 这需要通过水平衡调试来完成。

6 总结

综上所述, 空调水系统VWV控制相对于CWV控制方式有明显的节能作用。尤其是“VWV最小阻力控制”方式可以达到很好的节能效果, 这一控制方式在日本已经应用得非常成熟。国际上也已经制定了与之相关的标准。目前我国绝大部分现有建筑的空调水系统仍为CWV系统。在空调系统节能控制方面, 我国与发达国家还有不少差距, 节能潜力也非常巨大。

摘要：分析空调水系统定水量运行方式存在的弊端, 变水量运行的可行性, 介绍几种常用的变水量控制策略, 通过水泵工作曲线和管网特性曲线对空调水系统变水量运行进行了节能分析, 并比较了几种变水量控制策略下水泵的节电率。

空调水系统中冷却水系统设计 第5篇

本设计为上海市某资金结算中心空调水系统中冷却水系统设计。首先分析建筑特点:该资金结算中心为一幢六层高级公用建筑, 占地面积为1355m2, 建筑面积为6858m2。地下一层为机房、车库、帐表库和现金库, 地上一至六层为办公室、大户室和会议室等。考虑实际应用的高效性、节能性及建筑特点和空调工程, 此设计采用目前空调系统中应用最为广泛的机械通风冷却塔循环水系统, 选择在地下一层机房内放置HYS系列水冷式螺杆冷水机组一台。

2 设计方案阐述

2.1 冷却水循环系统的冷却水量

冷却水量取决于冷水机组冷凝器的散热量和冷却水供、回水温差。可按下式计算:

式中:Q冷凝器散热量, kw;

W冷却水量, m3/h;

△t冷却水供、回水温差, ℃;

c水的比热容, k J/ (kg℃)

不同机型冷凝器的单位产冷量的散热量, 可按下式估算。

对蒸气压缩式制冷机组:Q= (1.2~1.3) Q0

对双效溴化锂制冷机组:Q= (1.75~1.85) Q0

式中:Q0冷水机组制冷量, kw。

2.2 冷却塔

冷却塔的作用是使需要冷却的水在塔内主要借助于水的蒸发冷却作用而得到降温。为了充分利用水自愿, 降低城市自来水供水官网的负荷, 同时也为了降低运行费用, 用于空调制冷系统冷凝器的冷却水都是采用冷却塔处理而循环使用的。

冷却塔有开式环路冷却塔和闭式环路冷却塔两大类。一般常见的冷却塔多为开式环路冷却塔。从构造上来分, 目前使用的定型冷却塔产品大致有:逆流式、横流式、蒸发式和引射式四种类型。通常后三种的外形以方形 (或矩形) 为主, 第一种则有方形和圆形两种外形。逆流式冷却塔常用于制冷空调系统, 横流式冷却塔常用于热负荷较大的工业水冷却。

2.3 冷却塔的选择

首先应根据工程设计资料计算需要的冷却水量 (一般情况下可以按1KW制冷量配用冷却水量0.25~0.50m3/h估计) , 然后根据对冷却塔的技术要求选择型号规格。在选定时, 尚需复核所选择冷却塔的尺寸 (指占地面积和高度) 是否适合现场的安装条件, 要根据冷却塔的运行质量核算冷却塔安装位置的楼板 (或屋面板) 结构的承受能力。要重视所选冷却塔在运行时的噪声水平, 使满足环境噪声要求。选择理想的冷却塔还要重视它的能耗指标和价格以及飘散现象对周围环境的影响。

从冷却塔流出的冷却水温度与进塔空气的湿球温度之差叫做冷幅高。一般 (t2-ts) 为4~6℃。冷却塔出水温度t2应当等于冷凝器的进水温度。

冷却塔的进、出水温差△t= (t1-t2) 称为冷却度。根据冷却度不同, 机械通风式冷却塔可分为标准型 (△t=5℃左右) 、中温型 (△t=10℃左右) 和高温型 (△t=20℃左右) 三种。

根据冷却水量和冷却水供、回水温度便可以选择冷却塔。冷却水的冷却效果主要取决于空气的湿球温度 (上海为28.2℃) , 因此, 冷却塔产品的技术资料都是在既定的空气湿球温度下 (一般是28℃) 的数据。如果设计条件与产品技术要求不符, 则需对产品的技术数据进行修正。另外, 冷却塔的性能与冷却水的进、出口温度关系很大。从热平衡角度分析, 对既定的冷却塔, 温差越大, 处理水量越小。可以根据当地的气象条件 (环境空气的湿球温度) 、冷却度、冷幅高 (或进水温度) 及处理水量, 按冷却塔选用曲线或冷却塔选用水量表来选择。本设计就是利用冷却塔选用曲线图选型的。

选择冷却塔时还应考虑以下因素:周围环境对噪声的要求;防止飘水对周围环境的影响;考虑有无防火、防冻要求等。对于溴化锂吸收式冷水机组的冷却水系统, 还应考虑冷却水温度过低会引起溴化锂溶液结晶的问题。

2.4 冷却水系统的补水量

冷却水系统中, 冷却水量的损失一般包括蒸发损失、嫖水损失、排污损失和泄漏损失等。其中, 蒸发水量损失是随空调负荷变化而变化的, 排污损失可以由人控制。根据相关资料得知, 电动制冷时, 冷却塔的补水量取冷却水量的1%~2%;溴化锂吸收式制冷机组的补水量取冷却水量的2%~5%。

2.5 冷却水箱的确定

冷却水箱的功能是增加系统的水容量, 使冷却水泵能稳定地工作, 保证水泵吸入口充满水不发生空蚀现象。计算冷却水箱容积根据冷却水循环量和管道的长度而定, 一般按水箱能贮存1~1.5min循环水量来确定其容积, 即为冷却水循环量的1.6%~2.5%;根据文献中介绍, 逆流式冷却塔由于干燥到正常运行所需附着水量约为标准循环水量的1.2%。但是, 通过对实际工程的多次观察发现:循环水开始启动后, 水从冷却塔布水器流到集水槽约需10s左右, 不同的塔型、型号有差别, 考虑安全因素, 按20s计, 贮水量仅为小时循环的0.56%, 取0.6%。因此, 目前空调工程中, 冷却塔设在建筑物的屋顶上, 空调冷冻站设在建筑物的底层或地下室。水从冷却塔的集水槽出来以后, 直接进入冷水机组而不设水箱。当空调冷却水系统仅在夏季使用时, 该系统是合理的, 它运行管理方便, 可以减小循环水泵的扬程, 节省运行费用。

2.6 冷却水的水质要求

循环冷却水系统对水质有一定的要求, 既要阻止结垢, 又要定期加药, 并在冷却塔上配合一定量的溢流来控制p H值和藻类生长。

2.7 冷却水量的计算

2.7.1 冷凝器的热负荷计算

对蒸气压缩式制冷机组:Q= (1.2~1.3) Q0

式中Q0冷水机组制冷量kw

本设计取系数1.2

2.7.2 冷却水量计算

冷却水量取决于冷水机组冷凝器的散热量和冷却水供、回水温差。可按下式计算

式中Q冷凝器散热量kw;

W冷却水量m3/h;

△t冷却水供、回水温差, 5℃;

c水的比热容, 4.18k J/ (kg℃) .

2.7.3 冷却水箱的选择

冷却水箱的容积根据冷却水量和管道的长度而定, 一般按水箱能贮存1~1.5min循环水量来确定其容积, 即为冷却水循环量的1.6%~2.5%, 本设计为确保安全起见, 取2.5%, 因此, 冷却水箱的容积为:

查手册选取公称容积为1.0的方形水箱, 14009001100。

2.7.4 冷却塔的选择

(1) 冷却塔的选择方法

本设计从冷却塔流出的冷却水温度为30℃, 上海地区冷却塔空气的湿球温度为28.2℃。

冷幅高为t2-ts=30-28.2=1.8℃, 冷却水量为25.8。

冷却度为△t=t1-t2=35-30=5℃, 本设计所选的冷却塔为标准型冷却塔, 在5NB型逆流式冷却塔热工性能曲线上, 从湿球温度为28.2℃与进水温度为35℃线交点作平行于进水温度轴的平行线;与温差为5℃线相交后, 引垂线向下;与水流量为25.8m3/h线相交在5°-30线上方, 可见选择5NB-30型, 即满足要求。选定5NB-30系列圆形逆流标准低噪声玻璃钢冷却塔, 其特性参数如表1所示。

(2) 冷却塔的补水量

根据相关资料得知, 电动制冷时, 冷却塔的补水量取冷却水量的1%~2%, 考虑到运行安全性, 本设计取1.8%, 由于本设计没有单独设冷却水箱, 利用了冷却塔底部集水盘贮存水, 所以冷却塔的补水量即为冷却水箱的补水量。

3 结论

在空气调节中, 常常通过水作为载冷剂或冷却剂来实现热量的传递, 因此水系统是中央空调系统的一个重要的组成部分, 正确合理地设计空调水系统是整个空调系统正常运行的重要保证, 同时也能更有效地节省电能消耗, 其设计和安装的好坏也直接影响到空调系统的效果和使用寿命。除冷冻水系统外, 采用水冷式冷凝器的制冷系统的运行费用主要由两方面构成, 一是制冷压缩机的耗电费用, 另一个就是冷却水的费用。所以, 合理的选用冷却水系统对制冷系统的运行费用和初投资有重大意义。

参考文献

[1]陆亚俊, 等.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[2]尉迟斌.实用制冷与空调工程手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.

关于高层建筑空调水系统设计的探究 第6篇

从广义上来说, 高层建筑就是指超过一定高度和层数的多层建筑。自2005年起, 我国把超过10层的住宅建筑和超过24 m高的其他民用建筑划分为高层建筑。

根据目前国内的平均技术水平, 高层建筑的建设主要采用框架结构和框架剪力墙结构。这两种结构的优点是抗水平负荷载能力强。

2 空调水系统的概念

空调水系统是指将热量通过管道直接带入房间或着是通过空调处理装置带入室内的水管路系统。

3 高层建筑对空调水系统的影响

超高层建筑本身具备很多人为无法改变的自然特性, 因此, 不可避免地会对空调水系统的设计产生极大的影响, 主要表现在: (1) 负荷承载力方面。随着建筑层数的增加和高度的升高, 大气透明度、太阳辐射强度、风速也随之增强, 这相应地就对空调水路系统设备和管道承压负荷提出了更高的要求。空调水系统分区问题也是高层空调水系统设计中必须着重考虑的问题, 必须通过梯级板换的方式将冷热水逐级送至最高层。 (2) 性能化设计方面。由于高层建筑自身的高度, 使疏散和排烟成为主要的阻力问题。且由于建筑本身热压所造成的风烟作用较大, 因此, 对空调通风、换气、排烟效果也提出了更高的要求。

4 空调水系统的施工方案

空调水系统的施工是一项庞大的高难度工程。要想保证系统的施工质量, 就要做好施工准备工作。首先要在技术方面要做好充足、完善的准备工作。在安装空调水系统之前, 必须做好大量的准备工作, 确保施工过程的万无一失。施工前, 安排相关的专业工程技术人员对工人的技术进行多次专项交底、内容交代、流程指导, 使所有施工人员在进入施工现场之前, 对要安装的设备的性能、特点和要求都牢记于心, 做到心中有数。其次, 要做好事先考察工作, 了解工程特点, 以配合其特性做好施工图纸的自审、众审, 详细做好与会记录, 充分了解最初的设计意图。最后, 通过认真审核施工图纸, 按系统、部位、内容绘制出施工的风管加工大样图, 并进行现场后期的加工制作。根据图纸做好施工预算, 获得批准后采购物资、加工定货, 确保各项物资在施工前能够按时到场, 保证施工有序进行。

5 竖向分区原则

目前, 我国高层建筑绝大部分空调水系统的设计都采用了这样一种传输方式:在建筑的每个中间层设置水-水板式换热器, 把冷、热水从低区逐层提升至设备层, 然后经板式换热器加热交换后再由次级泵输送至高区。采用这种输送方式可以有效使低区与高区承受由各自分区高度所产生的压力, 均衡各层的压力值, 从而避免低区的设备和管路承压过大, 造成破裂。目前, 钢结构技术的进步使得超高层建筑中空调水系统的管道承载力有了进一步的提升。

6 在建造过程中可能出现的问题

空调水系统在建造过程中可能出现的问题主要有冷水机组水泵无故被推倒、冷水机组无法启动、空调冷冻水泵进出口压力不正常和冷水机组因水流开关不能启动等。

7 空调水系统的排气问题和方法

高层建筑中, 空调水系统的水都是从生活水池中引出的, 而生活水池中的水由于长期暴露在空气中, 其实际浓度就等于空气中的平衡浓度, 但水泵在水池中抽水时经过空调机组的处理后潜在地改变了其实际浓度, 因此, 在空调水系统中, 空气很容易从水中析出, 造成空调水系统的管道极易累积空气, 这也是输水不畅的主要原因。

目前为止, 为了解决空调水系统中的积气问题, 使用最广泛的就是自动排气阀。它的工作原理就是利用空气和气阀的关系, 当水路系统内积气时, 气体就会聚集在阀的上部, 浮子就会随液面的下降而下降。阀芯打开时, 就开始进行排气。

8 空调水系统的冲洗

为了使水系统保持洁净、达到安全高效的冲洗效果, 系统冲洗前必须遵循以下规定: (1) 管道试压合格后才能进行管网冲洗。 (2) 事先对管道支吊架的牢固程度进行检查, 确保其能承受清洗时水流的巨大冲击力。 (3) 冲洗前, 应对系统内的仪器施加紧密保护, 并将喷嘴、孔板、节流阀、滤网等部件小心拆除, 妥善保管。防止在冲洗过程中有杂物进入空调设备, 将其堵塞或破坏。冲洗前, 应采取旁通或与清洗管道相隔离等保护措施。冲洗工作结束后, 及时将其恢复至原位。 (4) 冲洗水应使用生活用水, 清洗前先充水浸泡管道, 以便使清洁工作省时高效。

9 冲洗方法的选择

如果采用以往传统的冲洗方法, 即简单地靠机械供水冲洗, 不仅不能有效满足高标准冲洗的要求, 还会浪费人力和物力。

建议采用反向冲洗的方式, 即让冲洗水流的流向与冲洗物处于相反的方向。这种方式排除了机械动力必要性, 利用建筑高度与地面的巨大落差, 形成了自上而下的大排式流向冲击力, 使管内杂物可以随着水流的方向自动向下排除。

1 0 结束语

本文所阐述的竖向分区原则和竖向分区方案只是一些原则性的建议, 在具体施工过程中, 空调水系统的竖向分区方案还需要通过更多实践来不断完善, 具体的设计和施工方式还要根据工程的具体情况具体分析、具体对待。此外, 施工的方法和流程还要与相关的标准、政策法规、施工工艺、施工水平和运行管理水平相结合, 以实现节能、安全、高效、经济、合理的设计目标。

参考文献

[1]刘天川.超高层建筑空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

浅析空调水系统管道冲洗 第7篇

1. 管内杂质种类分析

各种材质管道由于加工环境、加工工艺不同, 产生的杂质也不同, 比较来说, 无缝钢管、焊接钢管杂质较多, 镀锌钢管较少, 塑料管材最少。主要杂质有掉渣、铁屑、焊渣、铁锈等。另一方面来自管道安装过程, 一般来讲, 安装过程中杂质污物引入的可能性及其数量最大, 例如:焊渣、短焊条、砂轮片、麻丝、短锯条、布条、油漆等。还有可能存在土建混凝土块、石子等建筑垃圾。在此可见, 安装过程中控制很重要。

2. 冲洗方案的编制

2.1 冲洗前根据计划编制切实有效的冲洗方案。

2.2 通常施工过程中都把冲洗安排在工程的最后, 系统调试前。

冲洗前应将有碍冲洗工作的减压阀、温度计、流量计等拆除。冲洗时管内流速不得低于1m/s, 排水时不得形成负压。

2.3 各分区分别冲洗, 按先主管, 后支管, 最后空调设备的顺序冲洗。

而主管路的冲洗使用自重流排水和循环冲洗两种方法结合冲洗, 效果更佳、更彻底。示意图如下:

2.3.1首先利用自然重力流的方法进行空调主管路的冲洗:关闭各层支管控制阀门, 防止冲洗时, 主管内杂物进入支管, 往系统中注水, 注水宜使用洁净自来水。满水后, 启动循环泵, 进行循环, 将杂质和水混合运行。通常主管管径较大, 多采用无缝钢管或焊接钢管, 因此主管内污物应该是相对较多的, 为了节约用水, 循环30分钟左右 (时间也可根据系统大小适当调整) , 停泵, 快速将分、集水器底部排污阀全部打开, 利用建筑物高差形成的重力流沿介质工作的反方向将系统水排空。冲洗过程中冲洗人员应使用榔头沿被冲洗管路上的三通、弯头等有焊缝处敲打, 使杂质能顺着水流排除。排尽后再次往系统中注满水, 循环20分钟后, 停泵, 打开1个泄水阀, 观察排出水污浊度, 若浊度较高, 再次将系统水放空;若浊度一般则进行系统的循环冲洗, 启动补水泵及循环泵, 调节分集水器底部排污阀开度, 边补水边循环排污。主管内冲洗流速, 控制在1.5m/s, 以保证冲洗效果。待主管内杂质冲除后, 继续往系统内注水, 满水后, 关闭补水泵、排污阀。启动循环水进行闭式循环, 运行15~20min, 停泵, 关闭水泵进水口阀门, 拆下过滤器进行清洗。清洗完毕后, 重装过滤器, 打开水泵进水口阀门, 起泵, 再次进行循环清洗, 如此反复数次, 直至冲洗干净。

2.3.2冲洗支管, 主管冲洗完毕后, 打开每层支管控制阀门, 同时保证每层末端空调设备进出水阀门关闭。如主管冲洗方法冲洗支管。支管冲洗完毕后, 打开末端空调设备供水阀门往系统中补水 (保证注水方向同运行方向) 对设备支管进行冲洗, 过程中逐个拆洗过滤器。最终达到冲洗标准。

3. 冲洗标准

空调水系统采用管材一般为碳钢管和热镀锌钢管, 冲洗等级为一般冲洗, 目测排出口的水色和透明度与入水口对比接近, 无可见杂物。

4. 冲洗需注意事项

冲洗前必须编制切实可行的冲洗方案, 必须定稿讨论, 并报送各相关方进行审批, 方案应包括时间安排、冲洗步骤、人员组织、水源组织、排水组织以及应急措施等, 方案确定后实施过程中严格按照方案要求进行技术交底, 使参加冲洗的人员对方案特别是注意事项做充分的了解。

冲洗过程中必须注意安全管理, 由于管道冲洗时水流流速较大, 压力也比较大, 冲洗时先对管道支吊架、阀门的开启情况进行全面检查, 不符合要求或存在隐患的部位及时进行加固处理, 对在管道附近的作业的其他专业工种应暂停施工或采取隔离保护措施。另外组织好冲洗水的排放, 避免造成水害带来不必要的损失。

冲洗过程中一般不能参加的设备、器件有自控阀件、水流指示器、报警阀、温度计、平衡阀、减压阀、流量孔板以及空调设备等, 对振动水流敏感容易造成感应器件失灵的、对杂质敏感的阀件设备等冲洗时都要进行拆除隔离。冲洗完毕验收合格后及时安装拆除隔离的阀件设备, 暂时不能连接成系统的管道应及时进行盲板封口处理。

5. 结束语

合理、有效的系统冲洗, 不仅能使得空调的调试、运行顺利平稳的进行, 一个运行稳定的系统很大程度上也将了空调后期的维保费用。同时值得注意的是空调系统投入使用后也要定期进行清洗, 以保证使用的效果与舒适度, 一般一个冷暖季需要对过滤器进行一次全面清洗。

参考文献

[1]GB 50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》

[2]徐涛, 陆超平, 王轶虹.暖通空调水系统效率优化研究[J].机电信息.2016 (31)

空调水系统节能设计 第8篇

1 系统存在大流量、小温差的原因

供热空调水系统在实际运行中存在着大流量、小温差的现象主要有以下几个原因。

(1)设计水流量是根据最大的设计热(冷)负荷与一定供回水温差来确定。而实际上系统大部分时间是在部分负荷条件下运行。

(2)设计时选择水泵是根据上述设计流量与最不利环路的阻力来确定的,而不是根据水泵实际工作的特性曲线来确定。因此,在系统实际运行时,水泵的工作点在流量与扬程的关系图上应是在水泵铭牌参数的右下侧,故实际水流量比设计流量大,水泵的效率降低。

(3)设计时水泵扬程选配过高或采用了过于保守的安全系数;当实际水阻较小时,导致流量变大,电机过载,可能会跳闸,严重时甚至烧毁电机。

(4)设计热(冷)负荷取值偏大,或采用了太大的水量附加系数。

(5)由两台以上冷(热)水机组和对应的水泵组成的系统采用定流量系统。定流量系统适合冷(热)水机组总台数不超过两台的小型系统。在由两台以上主机组成的定流量系统中,如果低负荷时停止部分主机和水泵的运行,由于没有相应的流量调节措施,系统阻力变小,流量变大,造成正在运行的水泵电机过载,设备台数越多,这种现象越严重。这时系统总流量低于设计流量,还可能造成建筑低负荷时但某区域仍需较高负荷其所需的供水量不能满足要求,致使该区域温度等参数失控。

2 系统耗电输热(冷)比计算式

按照《公共建筑节能设计标准》的规定:集中热水采暖系统循环水泵的耗电输热比

Δt设计供回水温度差(℃);∑L室外主干线(包括供回水管)总长度(米)。

当∑L500米时,α=0.0115;

当500<∑L<1000米时,α=0.0092;

当∑L≥1000米时,α=0.0069。

另外,该规范提供空气调节冷热水系统输送能效比计算式ER=0.002342H/(ΔTη),

H水泵设计扬程(米);ΔT供回水温度差(℃);η水泵在设计工作点的效率(%)。

并规定ER不大于表1中的数值。

从以上两个公式可知,当水系统处于大流量、小温差工况时,水输送效能比很可能达不到规范的要求。因此,在设计时应做好水力平衡计算。热水采暖系统的并联环路(不包括共同段)之间的压力损失相对差值,对于双管同程式不大于15%,单管同程式不大于10%,双管异程式不大于25%,单管异程式不大于15%。空调水系统各并联环路之间的水阻力损失的相对差额不应大于15%[2]。在供热工程中只要水力平衡有保障,就应选配容量适合的锅炉和水泵。

3 管道阻力特性与水力稳定性计算公式

在供热空调管网中,流体流动产生的压降与流量存在以下关系式,水力工况的变化遵循这一关系式ΔP=SV2,

ΔP网路计算管段的压力降或阻力,Pa;V网路计算管段的水流量,m3/h;S网路计算管段的管道阻力特性系数,或称为管路阻抗,或称为阻力数,Pa/(m3/h)2。

S仅取决于管道本身构造,不随流量变化,也不会受其它并联管段构造变化而变化。比如,某管段不会因并联的其它管段上阀门关闭、开大、或加长等等的变化而受影响改变它的S值。注意,公式中指的是管段压力降ΔP,不是管段的压力P。特别指出,并联管路的压力降相等,不是压力相等,这一点有的人容易混淆。

管网水力失调的程度通过水力稳定性来体现。一个供热空调水系统往往由多个水力调节回路组成。水力稳定性就是对各回路之间相互影响程度的反映。水力稳定性是指网路中各个热用户在其它热用户流量改变时保持本身流量不变的能力。通常用水力稳定性系数来衡量网路的水力稳定性。

ΔPw正常工况下网路干管的压力损失,Pa;

ΔPy正常工况下热用户的作用压差,Pa。

ΔPw=0时,(理论上,网路干管直径为无限大),y=1,水力稳定性最好。

ΔPw=∞时或ΔPy=0,(理论上,用户系统管径为无限大网路干管直径为无限小),y=0,水力稳定性最差。

由以上关系式可知,提高热水网路水力稳定性的主要方法是相对地减小网路干管的压降,或相对地增大用户系统的压降[2]。因此,系统设计时应有意识使干管流速取值偏向下限值,支管流速取值偏向上限值。选择水泵时宜选用特性曲线较平坦的水泵,即流量变化时,水泵扬程波动不太大,有利于提高各环路的水力稳定性。

4 几种常见的水力工况调节方法与设计方案

为了保证水力稳定性,调节方法一般是改变管段的阻力特性系数S(如阀门调节)、水泵变频调速或水泵改变台数运行;而发出调节指令的依据可以是管网的流量、节点的压力或者是节点之间的压差参数。

下面谈一谈在实际工程中常见的几种水力工况调节方法与设计方案。

(1)在需要保证设计流量的环路上安装平衡阀。平衡阀的阻力应为所在环路总阻力的10%~30%。

《公共建筑节能设计标准》第5.2.7条规定:集中采暖系统供水或回水管的分支管路上应根据水力平衡要求设置水力平衡装置。《民用建筑节能设计标准》第5.2.3条也有规定:在室外各环路及建筑物入口处采暖供水管(或回水管)路上应安装平衡阀或其他水力平衡元件,并进行水力平衡调试。

平衡阀安装使用时应注意以下几方面:

1)建议安装在回水管上;

2)尽可能安装在直管段上;

3)注意新系统与原有系统水流量的平衡;

4)不应随意变动平衡阀的开度;

5)不必再安装截止阀;

6)系统增设(或取消)环路时应重新调试整定[2]。

(2)使用变频装置控制任何一台并联的水泵变频调速,或者采用一台变频调速泵与其它工频恒速泵并联运行,末端设备设置二通电动阀,在供回水总管上可设置也可不设置压差旁通阀(见图1)。如果图1中的水泵没有设置变频装置调速运行,则供回水总管上应设置压差旁通阀。水泵变频运行与管路上的电动阀配合,使输配管路的流量随用户所需实时变化,减少水力失调,提高管网的水力稳定性,降低系统运行能耗。通常把用户侧水量处于实时变化的系统称为变水量系统。在变水量系统中,如果采用定速水泵,水泵运行能量没有节省。

水泵的能耗占供热空调系统总能耗的比例越大,采用变频水泵运行的节能效果就越好。在空调系统中,一般水泵能耗约占总能耗的20%~25%。水泵采用变频技术,使水流量与热(冷)流量同步调节,实现全流量范围内的节能运行。变流量水泵还应满足系统从最小到最大负荷、全流量范围内的所有扬程要求。

在变频调速过程中,水泵的最低转速不应使主机在较低效率下运行,避免空调机组在最小临界负荷时停机。变频泵流量下限应保证水系统处于紊流状态。水泵的水输送系数WTF不应小于设计计算的理论水输送系数的0.6倍。随着流经机组的水流量的减少,冷冻水温的降低,冷水机组的COP值会降低,这个问题在系统运行过程中也要结合考虑。

当采用一台变频调速泵与其它定速泵并联运行时,应选择合适时机投入或切除变频泵,切换时机为此时变频泵的流量为零,而其扬程恰好等于系统的压差。如果切换时机选择不当,就会造成流量波动或控制滞后。

目前大多数空调水系统都是将压差测点设置在分水器与集水器上的供回水总管上。在机组侧流量不变的前提下,供、回水总管间压差的变化,反映了用户侧整个管系的阻力变化。变频器根据压差的变化控制变频泵调速运行来追随用户流量的变化。但是,这仅仅保证了各用户的流量之和,并不能保证变频后各用户各自所需的流量。如果要保证每个用户在任何时候都能分配到足够的水量,也可将压差设定值适当的设高一些,但这样又会在多个用户管路上无谓地损耗更多的能量。

(3)末端设备设置二通电动阀,同时改变水泵运行台数来满足用户侧水量要求的变化。现以三台并联定速水泵台数的转换过程来阐述系统的运行情况(见图2)。

系统在设计状态下,三台水泵同时工作,系统工作点为a点,单台水泵流量为W0,扬程为H0。随着用户冷负荷的减少,末端设备的电动温控阀关小,供回水压差变大,此时压差控制旁通电动阀开大,使供水管的水更多地旁通流到回水管。压差重新得到调整。反之则相反。管路上如此反复变化,在满足用户侧所需总流量的同时,冷源侧的流量保持不变,可以认为管道性能曲线0~a不变化。

当停止一台水泵只有两台水泵工作时,水泵工作曲线变为p~b1,此时总流量变小,供回水压差减少,压差控制旁通阀开始关小,刚开始时单台水泵的流量大于设计流量,水泵的电机处于过载。当旁通阀关小到管道性能曲线由0~a变为0~b时,管道性能曲线与水泵工作曲线相交于b点,单台水泵的工作参数恢复到设计参数,即流量为W0,扬程为H0。两台水泵向单台水泵转换时的情况同理。只有在剩下一台水泵工作时,才能出现旁通阀全关的情况。

在这种设计合理的变水量系统中,水泵的工作点在除刚开始转换后的短期出现不稳定点b1、c1外,基本上不发生变化,有利于水泵的长期高效、安全可靠工作。

由ΔP=SV2知,随着水泵工作台数的增加,流量V变大,若ΔP保持不变,则S变小,管道性能曲线由0~c变为0~b再变为0~a,系统的阻抗变得越来越小,管道性能曲线越来越平坦。工程中常见多台型号相同的风机并联运行也存在类似情况。这就是说,无论是水泵或者是风机,在并联时管路的阻抗S较小才能使流量增加得更多。反过来说,管路的阻抗S较大时水泵或风机并联后流量增加的效果不明显,此种情况水泵或者风机均不宜并联运行。

无论是水泵采用变速控制或者台数控制,压差测点与旁通阀设置的回路不一定要相同,它们应设置在系统哪个节点间是一个值得探讨与研究的问题。

(4)在压降较大的用户回路上单独设置二级泵。如果用户系统中有一些用户的压降比其它用户压降大很多时,应通过计算选择扬程合适的二级水泵设置在压降较大的用户环路上,其它压降小的用户连接在一级泵的环路上。二级泵环路与一级泵环路之间不必进行平衡。采用这种安装方式,系统的平衡调节比较容易,一级泵的容量可以比没设置二级泵时小一些,同时避免为了满足压降大的用户的流量要求而在其它压降小的用户管路上耗费多余的能量,避免压降小的用户管路长期承受较大的压力,减少系统的维修量。系统设计更合理、安全、节能。

(5)二次泵变流量水系统(见图3)。一次泵系统适合中、小型工程或负荷性质比较单一和稳定的较大型工程。如果系统较大、各环路负荷特性或水阻相差悬殊时,宜采用二次泵系统[2]。在末端设备配置二通电动阀是二次泵变流量的前提,二次泵能够相应地实施改变流量是实现节能的保证。二次泵改变流量的方式可以是变速控制或台数控制。

当二次泵采用变速控制时,宜设置压差旁通阀,在水泵到达最低转速限制值时开始开启,旁通阀的最大设计流量为一台变速泵的最小运行流量。当二次泵采用台数控制方式时,二次泵系统的用户侧回路通常应设置压差旁通阀,此旁通阀是平衡用户侧需水量与二次泵组的供水量,旁通阀最大设计流量为一台定速二次泵的设计流量[2]。

5 结束语

水力平衡是节能及提高供热(冷)品质的关键问题。在供热空调水系统中,应该对系统用户用热用冷的情况进行仔细分析,认真做好水力平衡计算,采用合理先进的系统形式,采取一定的保证措施与调节方法,最大限度地满足用户的需求,最大限度地减少水力失调,提高管网的稳定性,使机组、水泵等设备在额定流量下运行,运行效率及水输送效率得到提高,室温冷热不均的现象得到改善,整个系统的能耗处于合理、节省的状况。

参考文献

[1]邹瑜.供热空调系统水力平衡技术及其应用.1999.

[2]全国勘察设计注册工程师公用设备专业管理委员会秘书处.全国勘察设计注册公用设备工程师暖通空调专业考试复习教材(第二版)[M].2006.

[3]GB50189-2005.公共建筑节能设计标准[S].