空调冷水系统设计与配置

一、引言

随着我国经济的持续高速发展，建筑事业也呈现出一片蓬勃繁荣的景象，中央空调系统在宾馆﹑办公大楼﹑商业中心﹑医院及其他建筑得到广泛的应用。中央空调系统不但涉及到高额的资金初投入，同时也是建筑的耗能大户。大多数工程设计中，最关心的是空调冷源方案的经济性以及运行耗能的比较。但是我们知道，选择理想的冷源方案只是良好的中央空调系统的基础，对于空调冷水系统有效运行管理和节能降耗是远远不够的，中央空调系统运行节能降耗很大程度上取决于空调冷水系统有效的运行，设计对策合理﹑调试完善﹑管理技术措施到位的中央空调冷水系统才是其最有力的保障。

二、机房侧的设计配置

冷水机组﹑冷冻水泵的容量合理配置

冷水机组容量偏大的问题是目前中央空调系统存在比较普遍的问题，大容量的闲置无疑是最大的浪费，一方面很大程度上增加了工程建设初投资，另一方面又加剧了系统的运行能耗。冷水机组的容量偏大又影响决定了冷冻﹑冷却水泵的容量，如果对空调水系统的水力同时又缺乏详细的计算，设计工程师心中无数，那么水泵选型扬程难免偏大，也进一步增加水泵的功耗（N与Q*H成正比），这无疑是雪上加霜的事情。造成这种现象是由于对空调冷负荷没有进行仔细的计算，取而代之为“拍脑袋”，这种现象是比较普遍的，一方面是设计工程师缺乏足够的时间去做这些繁琐的计算工作，另一方面是业界缺乏对空调系统效果好与坏的评判准则，我们知道空调系统的＂发挥能力＂取决于很多方面，除了设计的因素其中还包括施工质量的好坏﹑竣工调试水平的高低，这些往往由于缺乏有力的管理和监控，便能形成影响空调系统效能充分发挥决定性的因素。特别是在设计总冷量配置不太富裕的情况下，如果系统缺乏仔细的调试，很容易造成客观上贫富不均，进而引起产生空调效果不好或总制冷量不足的误解。基于这种的忧虑，设计工程师便加大保险系数，层层加码，便造成冷水机组容量偏大的后果，投资浪费﹑建筑耗能大便在所难免。所以仔细认真的空调冷负荷和水力计算是降低初投资﹑实现节能降耗最根本，也是最有效的方法，同时提高安装施工质量和竣工调试水平是其最直接的保障措施。

机房侧机组有效运行管理设计对策

对于大面积的建筑，中央空调系统冷源所配备的冷水机组，常常不止一台，有的是二~四台，有的甚至超过四台。由于机房面积的限制，冷水机组和冷冻水循环泵无法采用一一对应的原则，大多采用多台冷水机组与多台冷冻水泵独立并联设置。这种布置方式有它比较明显的简洁﹑方便的优点，但是如果由于资金匮乏或其他原因，空调水系统无法设计配置BAS监控管理系统，那么在部分空调冷负荷的情况下，就有一部分冷水机组处于停开的状态，如果管理人员操作管理上的疏忽，未把停开冷水机组的管路上的阀门关闭，则冷冻水就会出现旁通分流的现象。通过分析我们不难得到结论，冷水旁通分流会影响冷水机组效能的发挥，降低冷水机组的COP值。另一方面如果末端空调冷负荷的需求增大，需要增开冷水机组的台数，这需要管理人员及时到位，及时打开增开冷水机组管路上的阀门。这种操作管理方式显然是行不通的，在大多数工程的实际管理中，更多是一种“放任自由”的状态，这不但引起冷水机组的能耗增加，而且空调冷冻水泵的运行工况点偏离额定的工况点，电耗增加，空调冷水系统有效节能的运行管理似乎是不可能的。解决这对矛盾最经济的措施是冷水机组管路中考虑增设电动蝶阀，电动蝶阀和冷水机组一一对应，两者并为连锁运行控制，这样才能有效方便控制冷冻水的通路，解决冷冻水旁通分流的现象。如果在适当追加资金投资的允许下，还可以考虑仅把机房侧部分纳入小型智能监控系统（该部分的投资对于中型的空调水系统据估价约为10万RMB），这样便可以把空调系统中耗能最大部分，也是节能最具潜力的区域纳入智能化的控制，做到最经济的投资，最节能方便的管理。

低负荷运行时冷冻水泵超载问题的设计对策

大型的中央空调冷水系统，随着空调区域冷负荷的改变，投入使用的冷水机组﹑空调冷冻水泵的台数也将随着增减，同时空调冷水系统的管网流量也发生改变，这引起管网水阻力的改变。在低负荷运行情况下，尤其是空调冷水泵只需要单台运行时，从R(空调冷水系统的水阻力)=&Q2（管道通过的流量），我们不难发现，空调冷水系统满负荷与低负荷运行时水阻力相差甚大，这导致低负荷时空调冷水泵超流量运行，其运行工作点可能跳出经济区域，进而引起电机效率的降低，同时水泵运行电耗的增加，所以在只有单台水泵运行的工况下，极容易发生电机过载烧毁的事故。对于越大型的中央空调冷水系统，并联的机组台数越多，低负荷时超载问题越严重，电机烧毁的情况越容易发生。所以设计中不能仅注意了多台水泵的额定状态点能否满足管路计算要求，还必须重视空调低负荷时运行状态点变化所引发的问题，并采取必要的解决措施，借鉴于水冷式离心式冷水机组降载的设计思路，解决方法有两种，一是冷冻水泵采用变频技术，即并联运行的各泵中，某台泵采用变频泵，它作为低负荷时单台水泵运行的固定泵，在系统超流量时，该泵降低运转频率，系统的流量也随着减少，可见冷冻水泵采用变频技术是系统变流量的节能技术。另外一种解决方法是空调供水干管上增加附加旁通通路,非低负荷运行时，冷冻水供水干管上的主通路和旁通路上的阀门处于开启状态，冷冻水流经两个通路，而低负荷时，主通路上的电动蝶阀关闭，冷冻水只流经旁通路，无论在任何负荷情况下旁通阀门始终处于一定的关闭角度。我们可以通过下列式子定性来分析该管段的阻力前后变化：R1（非单台水泵运行时该管段阻力）=1/（1/R主+1/R旁），R2（单台水泵运行时该管段阻力）=R旁，显然R2﹥R1。从直观上，我们不难知道在单台水泵运行时，由于主通路的电动蝶阀关闭，旁通路的阻力陡然增大，所以干管增加附加旁通通路实际上是通过改变低负荷时的管道水阻特性，来解决冷冻水泵超载的问题，显然这种方式非节能的解决措施。

压差旁通差值的设定

在供﹑回水干管上设置压差旁通阀，是解决末端侧变流量与机房侧定流量这对矛盾最常用的方法。该压差系统旁通阀工作的基本原理：系统处于设计状态下，所有的设备都满负荷运行，压差旁通阀的开度为零，这时压差控制器两端接口处的压差即是控制器设定的差值。但是大多数已投入使用的工程，压差控制器设定和作用经常被施工单位和使用单位所忽视，压差控制系统以及末端设备的电动二通便形同虚设。从水力工况分析，我们不难得出结论，压差值设定偏低，旁通阀极易打开而且旁流量增大，末端侧的供冷无法满足，而压差值设定偏大，则旁通阀门打开不易，旁通流量偏小，这影响冷水机组正常所需运行台数的调节，这无形增加了空调冷水系统的电耗。所以设计中须重视压差旁路控制系统对整个系统的影响，正确合理确定其参数，以满足用户的流量，同时按实际的需要正常来调节机组的运行台数

机房侧管路上控制配件的设置

空调冷水系统安装完毕，在投入使用前，系统必须经过认真﹑完整的调试。系统管路的调试离不开压力表和温度计。压力表﹑温度计的设置对于空调冷水系统机房侧部分显得尤为重要，借助于压力表的读数可以初步判断该部分水系统的水力工况是否正常，借助温度计的设置可以初步判断流经该管路的水量是否满足要求。压力表设置在这些部位是必不可少：水泵的进出口﹑冷水机组的进出口﹑集分水器，借助于压力表的指示读数，可以充分判断沿水流方向的压力分布是否正常，管路上的阀门关﹑断是否合理。例如笔者在参加一个空调工程的首次调试中发现：各空调区域的末端设备进出水管路上的压力差普遍偏小，室内的温度基本达不到设计要求，该系统的分水器的压力表读数明显偏小，集﹑分水器之间的压力差只有80KPa左右，而空调冷冻水泵的进出口的压力差明显超过设计的扬程，而冷水机组的进口压力却比水泵出口压力低了120Kpa，这段管路只有15米左右，显然压力降是不正常的。经过检查发现：水泵的出口蝶阀被施工单位人为关闭掉三分之二，该阀门开度变小，消耗了一大部分的压力降。全开了该阀门后，上述部位压力分布基本正常，各空调区域温度迅速达到设计要求。

根据进出水的温度来判断系统的运行状态，温度计的设置在这些部位是必不可少的：冷水机组的进出管上以及集﹑分水器上。分水器和集水器是空调总闸部分，笔者建议在每支回水干管汇入集水器之前都应安装一支温度计，通过观察温度计的温度值，可以准确掌握冷负荷分布的情况。温差大的支路上的阀门可以开大，温差小的支路阀门开度可以调小一些。只有每个回水支管装了温度计，操作管理人员才能直观掌握系统冷负荷分布的情况。

三、末端侧设计配置

管路布置同异程的采用策略

同程系统比异程系统水力工况更稳定，流量分配也更均匀，有利于空调水系统的水力平衡，但是同程系统又有比较明显的缺点，管路布置复杂，管路走向长，管材耗用大，所以对于所有的系统管路布置不可能都采用同程。通过分析，我们不难发现空调水系统并不都需要采用同程管路布置。末端设备种类较多，有风机盘管，又有空调风柜﹑组合式空调机组，各种末端的风量﹑冷量又相差较多，另一方面表冷盘管可能是三排管﹑四排管或六排管，所以设备本身水阻力相差较大，风机盘管的水阻力大多为1~3Kpa,空调风柜阻力大多为4~6Kpa，如果把风机盘管和空调风柜混合在一个系统内采用同程布置，显然是对同程布置的一种“生搬硬套”，不但达不到同程布置的优点，反而不利于系统内空调风柜的水流量调节。我们知道采用风机盘管水系统的用水点多，采用平衡阀和普通阀门进行水量调节，显然是不可能的，所以空调水系统设计中，风机盘管与空调风柜设置在不同的空调水分系统内，风机盘管布置采用同程布置，空调风柜采用异程布置，空调风柜末端管路上配置的电动阀门及平衡阀仍可以弥补异程布置带来的不利，达到水力平衡。笔者在设计某体育馆时空调水系统采用了同样布置策略，比赛大厅的周围配套房间采用风机盘管加新风系统，该部分的水系统管路采用同程布置，而为比赛大厅﹑门厅休息厅等服务的大风量组合式空调机组﹑空调风柜，各末端之间相距甚远，采用同程布置显然经济性不合理的，笔者采用异程布置且各末端管路配置平衡阀和电动二通阀，在调试时首先调节好各个空调风柜管路上的平衡阀，而各支路的相对水力平衡可通过调节冷冻机房的集分水器上各个支路的阀门，便可顺利实现。

末端设备管路上配件设置

对于空调末端侧冷水系统，末端设备配管措施是非常关键重要的一环。末端设备服务于不同的空调区域，水路是否畅通决定末端设备是否有足够的冷量输出，所以末端设备管路上设置必要的过滤器﹑温度计﹑压力表﹑电动阀﹑平衡阀等作为辅助的保障或判断消除故障的措施，以保证水路的畅通。例如风机盘管进水管路上建议设置过滤器，因为风机盘管本身的水管截面小，一经堵塞，冲洗往往是不能解决问题的，如果缺乏过滤器的拦截，安装冲洗的过程中，焊渣或垃圾极容易堵塞风机盘管的表冷器管路。对于空调风柜的冷冻进水管也应设置水过滤器，同时进出水管上应设压力表﹑温度计﹑电动调节阀等，同时送回风管上预留测孔，借助这些阀门配件有利于空调系统的调试。如某体育馆比赛大厅的组合式空调机组在调试过程中，有风送出，大厅内有风感，但在无人空场的情况下，室内空气温度始终维持在26度左右，无法进一步往下降。通过总送风管上的测孔测定送风温度，发现送风温度在23度以上，显然送风温差达不到原设计的10度温差。进入空调机房检查发现：冷水管上的阀门全开，冷冻水进水温度7.5度左右，而回水温度却高达20度，进回水管上的压力表读数差仅1kpa,由此可以判断流过空调机组的表冷管束的冷水量偏少，估计空调机组表冷管束区域附近的管道有堵塞物，经过拆洗过滤器，问题还是无法解决，问题最后集中在表冷器管束上，经过更全面的拆卸，果然发现表冷器的管路被建筑垃圾堵塞，经过更全面的冲洗问题才得到最终的解决。

四、结语

通过以上分析，我们可以进一步得到以下的认识：

冷水机组与冷冻水泵容量合理配置，是空调冷水系统运行节能降耗最有效的源头；

空调冷水系统设计中应考虑机房侧有效的运行管理设计对策，使系统处于节能﹑高效﹑经济的运行；同时系统设计应考虑非设计工况下，特别是应针对单台机组运行时空调冷冻水泵出现超载问题的解决措施；

压差旁通是控制机组运行台数的重要手段，合理设定压差值，才能充分发挥机组效能；

机房侧管路上相关位置应设置必要的控制配件，以增加调试运行管理工作的便捷性；

空调水系统管道布置采用同程或异程须考虑末端设备的本身水阻力特性，同时考虑如何适应日后的调试工作，冷水系统配管所应采取必要的技术措施。