中央空調水系統設計中的若干技術問題

劉云輝

摘 要：根據中央空調水系統的特點，提出了確定管道流速應考慮空調部分負荷運行的影響，討論了水泵選擇不當給空調系統帶來的問題。

關鍵詞：水系統；管道；部分負荷；水泵選擇

中央空調水系統同建筑給水系統、建筑消防水系統相比，有其自身的特點。中央空調水系統包括冷凍水系統和冷卻水系統，冷凍水系統是將空調冷源制取的冷量通過管道傳輸給末端設備（風機盤管等），冷卻水系統是將空調冷源制取冷量中產生的熱量通過管道傳輸給冷卻塔而排入大氣，水泵是完成傳輸的必要條件。當由空調負荷大小確定了冷源設備（制冷機）后，冷凍水量和冷卻水量就自然確定了。水系統設計的主要內容是通過已知水量，合理確定管道流速和管徑；計算管道系統阻力；選擇水泵。

1 合理確定管道流速和管徑

合理的管道流速最好是通過初投資費用和運行費用兩方面平衡綜合考慮。流速大，則管徑可選小，初投資費用可減少，但需要水泵的揚程大，運行費用增大。反之亦然。理論上說，合理的管道流速就是兩者費用之和最小時的流速（圖一中A點）。根據這個原則，一般的設計規范或手冊中都提供了一個流速范圍（如表一）。但在這個范圍內，是取上限，還是下限或中間值呢？我認為在空調水系統設計中，取上限值較合適，理由是：

1.1 空調系統滿負荷運行的時間短，大部分時間在部分負荷下運行，如根據ARI-500-90標準給出的負荷率曲線，在一個空調季節，80%的時間負荷率在70%以下，而確定管道流速和管徑時是按滿負荷流量考慮的，所以在系統運行中，大部分時間管道內的流速都不會很高，特別是主管道。

1.2 現代建筑功能多，要求高，建筑內管線多。如在有裝修、 空調的房間天花內，至少有消防（噴淋）水管，電線槽，空調的冷凍水管，冷凝水管，送風管，新風管，排風管，有的還有給水管，排水管，管線之間多有交叉，都要占據一定的空間。而為降低建筑初投資費用，增加使用面積，建筑商不希望各類管線占據太多的平面、 立面空間，管徑小一些容易滿足建筑商的這一客觀要求。

在一些工程設計中，水系統設計的流速都偏小 ，小管的流速不到1m/s，大管的流速不到2m/s，這無疑加大了初投資費用，而且在這些設計中水泵的裕量也偏大，運行費用也不會小，這種設計是不可取的。如一工程冷凍水主管道有95米長，其在滿負荷時設計水量為480m /h，管徑為DN300mm，管內計算流速為1.87m/s，若選用DN250mm管，管內流速為2.51m/s（在70℅負荷時，管內流速為1.76m/s）。倆者僅材料費用相差就超過數十萬元。

2 管道系統阻力計算

管道流速和管徑確定之后，就可以計算出系統最不利環路的阻力。阻力計算方法已經很成熟，只要充分考慮到系統中的各個因素，計算得出的數據是比較準確的。按照系統阻力計算公式：P=P+ρgz+Σ（H）。要注意的是：

2.1 冷凍水系統是閉式系統，只需要考慮第三項Σ（H），即管系（包括管道，管配件，設備）的阻力。冷卻水系統是開式系統，三項都應該考慮，而第一、二項為冷卻水塔的阻力損失，只要查閱選用的冷卻水塔的阻力損失值（在冷卻水塔的樣本資料中，以“揚程”表示）就可以得出。

2.2 設備（包括冷水機組，末端設備，冷卻水塔等）的阻力值最好是通過查閱設備的樣本資料取得，因為各個廠家生產的設備的阻力值不盡相同，就是在額定水量相同的情況下，阻力值也有較大差異。如額定水量均為240m3/h，LSLGF1000冷水機組的冷凝器的阻力為60kPa，19XL4040333CL冷水機組的冷凝器的阻力為100kPa，若不核對樣本資料，而靠估計，就有可能使結果帶來較大誤差。遺憾的是有些樣本資料未能提供阻力數據，給設計帶來不便。

3 水泵選擇

由系統的額定流量和系統最不利環路的阻力，考慮一定的裕量后作為選擇水泵的依據。

由水泵的工作原理可知，當水泵被裝置在管路系統中工作時，產生的流量和揚程必須同時滿足管路系統的要求，因此在L-P圖上，我們可以看出，只有水泵L-P曲線與管路特性曲線的交點，才是水泵的工作點（圖二中A點）。為充分利用設備的能力，我們希望水泵的工作點位于高效率區。中央空調水系統中一般選用轉速為1450轉/分的單極離心泵，這類泵雖然規格已經不少，但有時候還是難以選到與系統參數最接近的。在這種情況下，應對系統管徑流速進行調整（增大或減小管徑），改變系統阻力以保證選用的水泵工作在高效率區。

一方面，水泵的流量、 揚程小于系統的流量、阻力時，不能滿足系統需要。另一方面，水泵的流量、 揚程過大也是不可取的。除了使水泵的效率降低外，還會在運行中帶來一系列問題：

3.1 水泵額定水量與系統要求水量相同，而額定揚程比系統阻力大很多時，實際運行的水量會遠大于額定水量，引起水泵電機過載。如某大廈空調冷卻水系統，冷卻水泵選用單極離心泵，型號為IS200-150-400B，額定流量為340m/h，額定揚程為38mH2O，水泵配用的電機功率為55kW。系統在使用中經常出現“跳閘”的現象，導致系統無法正常運行。業主十分頭疼。經檢查，冷卻水泵電機運行電流達到120安培，超過額定電流，因而造成熱繼電器動作停機，與之聯鎖的冷水機組也隨之停機。其原因就是因為冷卻水泵的揚程大于系統阻力（額定流量下計算系統阻力僅為25mH2O，）造成水泵工作點偏移，水量大于額定水量，而使電流過大。若熱繼電器失靈，還可能燒毀水泵電機。雖然靠調節水泵出口閥門增大系統阻力，減少水泵出水量來保證系統正常運行，但仍然多消耗了能源。

3.2 系統的水量過大會導致冷卻水塔大量飄水，既造成水的浪費，又給周圍環境帶來影響。一般冷卻水塔要求實際水量不大于額定水量的10℅。

3.3 對冷水機組的影響。若流經冷水機組的熱交換器內的水量超過額定流量太多，熱交換器內流速過高，引起水管簇側沖刷腐蝕，會降低冷水機組使用壽命。

綜上所述，冷卻水泵揚程過大百害而無一利。而在工程中，存在不少這種現象，其主要原因是設計人員，特別是那些缺乏經驗的設計人員，只擔心對系統阻力估計不足，選小了水泵揚程，到實際運行時，沒有足夠的水量供應。而對于水泵揚程大于系統阻力所造成的影響，往往不去過多考慮。

4 結語

4.1 空調水系統設計中應考慮到部分負荷運行的特點，管道流速可在允許范圍內取較大值。

4.2 水系統中設備的阻力值應從生產商提供的產品樣本資料中獲得，切忌憑經驗估計，以免給設計帶來較大誤差。

4.3 選擇水泵既不能小，也不能過大。當選取的水泵性能參數與系統流量、阻力參數相差較大時，應對系統管徑、流速進行調整（增大或減小管徑），改變系統阻力以保證選用的水泵工作在高效率區。

參考文獻

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