中央空调水系统设计中的若干技术问题

刘云辉

摘 要：根据中央空调水系统的特点，提出了确定管道流速应考虑空调部分负荷运行的影响，讨论了水泵选择不当给空调系统带来的问题。

关键词：水系统；管道；部分负荷；水泵选择

中央空调水系统同建筑给水系统、建筑消防水系统相比，有其自身的特点。中央空调水系统包括冷冻水系统和冷却水系统，冷冻水系统是将空调冷源制取的冷量通过管道传输给末端设备（风机盘管等），冷却水系统是将空调冷源制取冷量中产生的热量通过管道传输给冷却塔而排入大气，水泵是完成传输的必要条件。当由空调负荷大小确定了冷源设备（制冷机）后，冷冻水量和冷却水量就自然确定了。水系统设计的主要内容是通过已知水量，合理确定管道流速和管径；计算管道系统阻力；选择水泵。

1 合理确定管道流速和管径

合理的管道流速最好是通过初投资费用和运行费用两方面平衡综合考虑。流速大，则管径可选小，初投资费用可减少，但需要水泵的扬程大，运行费用增大。反之亦然。理论上说，合理的管道流速就是两者费用之和最小时的流速（图一中A点）。根据这个原则，一般的设计规范或手册中都提供了一个流速范围（如表一）。但在这个范围内，是取上限，还是下限或中间值呢？我认为在空调水系统设计中，取上限值较合适，理由是：

1.1 空调系统满负荷运行的时间短，大部分时间在部分负荷下运行，如根据ARI-500-90标准给出的负荷率曲线，在一个空调季节，80%的时间负荷率在70%以下，而确定管道流速和管径时是按满负荷流量考虑的，所以在系统运行中，大部分时间管道内的流速都不会很高，特别是主管道。

1.2 现代建筑功能多，要求高，建筑内管线多。如在有装修、 空调的房间天花内，至少有消防（喷淋）水管，电线槽，空调的冷冻水管，冷凝水管，送风管，新风管，排风管，有的还有给水管，排水管，管线之间多有交叉，都要占据一定的空间。而为降低建筑初投资费用，增加使用面积，建筑商不希望各类管线占据太多的平面、 立面空间，管径小一些容易满足建筑商的这一客观要求。

在一些工程设计中，水系统设计的流速都偏小 ，小管的流速不到1m/s，大管的流速不到2m/s，这无疑加大了初投资费用，而且在这些设计中水泵的裕量也偏大，运行费用也不会小，这种设计是不可取的。如一工程冷冻水主管道有95米长，其在满负荷时设计水量为480m /h，管径为DN300mm，管内计算流速为1.87m/s，若选用DN250mm管，管内流速为2.51m/s（在70℅负荷时，管内流速为1.76m/s）。俩者仅材料费用相差就超过数十万元。

2 管道系统阻力计算

管道流速和管径确定之后，就可以计算出系统最不利环路的阻力。阻力计算方法已经很成熟，只要充分考虑到系统中的各个因素，计算得出的数据是比较准确的。按照系统阻力计算公式：P=P+ρgz+Σ（H）。要注意的是：

2.1 冷冻水系统是闭式系统，只需要考虑第三项Σ（H），即管系（包括管道，管配件，设备）的阻力。冷却水系统是开式系统，三项都应该考虑，而第一、二项为冷却水塔的阻力损失，只要查阅选用的冷却水塔的阻力损失值（在冷却水塔的样本资料中，以“扬程”表示）就可以得出。

2.2 设备（包括冷水机组，末端设备，冷却水塔等）的阻力值最好是通过查阅设备的样本资料取得，因为各个厂家生产的设备的阻力值不尽相同，就是在额定水量相同的情况下，阻力值也有较大差异。如额定水量均为240m3/h，LSLGF1000冷水机组的冷凝器的阻力为60kPa，19XL4040333CL冷水机组的冷凝器的阻力为100kPa，若不核对样本资料，而靠估计，就有可能使结果带来较大误差。遗憾的是有些样本资料未能提供阻力数据，给设计带来不便。

3 水泵选择

由系统的额定流量和系统最不利环路的阻力，考虑一定的裕量后作为选择水泵的依据。

由水泵的工作原理可知，当水泵被装置在管路系统中工作时，产生的流量和扬程必须同时满足管路系统的要求，因此在L-P图上，我们可以看出，只有水泵L-P曲线与管路特性曲线的交点，才是水泵的工作点（图二中A点）。为充分利用设备的能力，我们希望水泵的工作点位于高效率区。中央空调水系统中一般选用转速为1450转/分的单极离心泵，这类泵虽然规格已经不少，但有时候还是难以选到与系统参数最接近的。在这种情况下，应对系统管径流速进行调整（增大或减小管径），改变系统阻力以保证选用的水泵工作在高效率区。

一方面，水泵的流量、 扬程小于系统的流量、阻力时，不能满足系统需要。另一方面，水泵的流量、 扬程过大也是不可取的。除了使水泵的效率降低外，还会在运行中带来一系列问题：

3.1 水泵额定水量与系统要求水量相同，而额定扬程比系统阻力大很多时，实际运行的水量会远大于额定水量，引起水泵电机过载。如某大厦空调冷却水系统，冷却水泵选用单极离心泵，型号为IS200-150-400B，额定流量为340m/h，额定扬程为38mH2O，水泵配用的电机功率为55kW。系统在使用中经常出现“跳闸”的现象，导致系统无法正常运行。业主十分头疼。经检查，冷却水泵电机运行电流达到120安培，超过额定电流，因而造成热继电器动作停机，与之联锁的冷水机组也随之停机。其原因就是因为冷却水泵的扬程大于系统阻力（额定流量下计算系统阻力仅为25mH2O，）造成水泵工作点偏移，水量大于额定水量，而使电流过大。若热继电器失灵，还可能烧毁水泵电机。虽然靠调节水泵出口阀门增大系统阻力，减少水泵出水量来保证系统正常运行，但仍然多消耗了能源。

3.2 系统的水量过大会导致冷却水塔大量飘水，既造成水的浪费，又给周围环境带来影响。一般冷却水塔要求实际水量不大于额定水量的10℅。

3.3 对冷水机组的影响。若流经冷水机组的热交换器内的水量超过额定流量太多，热交换器内流速过高，引起水管簇侧冲刷腐蚀，会降低冷水机组使用寿命。

综上所述，冷却水泵扬程过大百害而无一利。而在工程中，存在不少这种现象，其主要原因是设计人员，特别是那些缺乏经验的设计人员，只担心对系统阻力估计不足，选小了水泵扬程，到实际运行时，没有足够的水量供应。而对于水泵扬程大于系统阻力所造成的影响，往往不去过多考虑。

4 结语

4.1 空调水系统设计中应考虑到部分负荷运行的特点，管道流速可在允许范围内取较大值。

4.2 水系统中设备的阻力值应从生产商提供的产品样本资料中获得，切忌凭经验估计，以免给设计带来较大误差。

4.3 选择水泵既不能小，也不能过大。当选取的水泵性能参数与系统流量、阻力参数相差较大时，应对系统管径、流速进行调整（增大或减小管径），改变系统阻力以保证选用的水泵工作在高效率区。

参考文献

[1] GBJ19-87采暖通风与空气调节规范[M].中国计划出版社，1989.

[2] 陈沛霖，岳孝方主编，空调与制冷技术手册[M].同济大学出版社， 1990.

[3] 曹琦，等.计算部分负荷性能参数，正确选择冷水机组.暖通空调， 1996（6）：58-60.