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空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的探討

空調(diào)制冷的冷卻水系統(tǒng)一般是開(kāi)式系統(tǒng)，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因而，經(jīng)常不被設(shè)計(jì)人員所重視。本文就冷卻水系統(tǒng)的承壓、水泵揚(yáng)程的確定、多臺(tái)冷卻塔的并聯(lián)、系統(tǒng)的啟停順序、節(jié)能控制等問(wèn)題談?wù)勛约旱挠^點(diǎn)，供大家參考。
關(guān)鍵詞： 冷卻水 承壓 揚(yáng)程 冷卻塔并聯(lián) 變頻控制

一、冷卻塔的位置要考慮系統(tǒng)設(shè)備承壓要求：

　　冷卻水系統(tǒng)形式主要有兩種：水泵前置式和水泵后置式，如圖1、2。確定時(shí)要考慮水系統(tǒng)的承壓能力。水系統(tǒng)的承壓能力最大的地方是水泵出口，如圖中的A點(diǎn)，系統(tǒng)承壓有以下三種情況：系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，水泵出口壓力為系統(tǒng)靜水壓力h＝Z；系統(tǒng)瞬時(shí)啟動(dòng)，但動(dòng)壓尚未形成時(shí)，水泵出口壓力為系統(tǒng)靜水壓力和水泵全壓之和h＝Z+H P ；正常運(yùn)行時(shí)，水泵出口壓力為該點(diǎn)靜水壓力與水泵靜壓之和h＝Z+H P -v 2 /2g。冷水機(jī)組冷凝器耐壓，目前國(guó)產(chǎn)機(jī)組一般為981KPa。水泵殼體的耐壓取決于軸封的形式，水泵吸入側(cè)壓力在981KPa以上時(shí)，要使用機(jī)械密封。

　　冷卻塔如果設(shè)在高層建筑主樓屋面，產(chǎn)生的壓力高于機(jī)組的承壓能力時(shí)，冷卻水泵宜設(shè)在冷水機(jī)組的冷凝器出口，以降低冷凝器工作壓力。有人會(huì)提出疑問(wèn)：水泵入口負(fù)壓過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生氣蝕。事實(shí)上，

　　冷卻塔與冷水機(jī)組之間的高差，遠(yuǎn)大于管路阻力和冷凝器阻力，并且水泵還有一個(gè)容許吸上真空高度。

　　筆者的同學(xué)曾經(jīng)設(shè)計(jì)一個(gè)工程，機(jī)房在地下，裙房屋頂為人員活動(dòng)空間，業(yè)主要求在120米高的屋面安裝冷卻塔，系統(tǒng)最大承壓要超過(guò)1.2MPa與水泵全壓之和。這就造成產(chǎn)生的靜壓太高，冷凝器不能承受，同時(shí)對(duì)水泵軸封和軟接頭提出了更高要求。

　　解決方法一：選用能承受高靜壓的設(shè)備和管道配件，這將大大增加工程造價(jià)。

　　解決方法二：如圖3，設(shè)兩個(gè)冷卻水箱、兩套冷卻水泵。一個(gè)高溫冷卻水箱、一個(gè)低溫冷卻水箱，一套冷卻水泵從低溫水箱抽水進(jìn)入冷凝器后進(jìn)入高溫水箱，另一套冷卻水泵從高溫水箱抽水送入冷卻塔，然后回流到低溫水箱。但要注意：冷卻塔處要采取一定的措施，避免停泵時(shí)水全部流入低溫水箱。水箱要滿足冷卻塔到機(jī)房的充注水量，水箱的水位也不好控制；這樣水泵的揚(yáng)程太高（圖中h高度的揚(yáng)程浪費(fèi)了），這不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的做法。

　　解決方法三：加板式熱交換器隔絕高壓，但冷卻塔選用要有余量，如圖4。

　　筆者認(rèn)為，對(duì)于某些建設(shè)方的不合理的要求，設(shè)計(jì)人員不要遷就。此類工程最好把冷卻塔放在放在裙樓上 。

二、冷卻水泵揚(yáng)程的確定

　　冷卻水系統(tǒng)水泵揚(yáng)程計(jì)算應(yīng)該是系統(tǒng)阻力（管道、管件、冷凝器阻力之和），冷卻塔集水盤(pán)水位至冷卻塔布水器的高差，冷卻塔布水器所需壓力組成，并附加5％－10％裕量。設(shè)計(jì)人員常犯的錯(cuò)誤，是一見(jiàn)到開(kāi)式系統(tǒng)就計(jì)算系統(tǒng)的高差。冷卻塔雖然是開(kāi)式系統(tǒng)，但是因?yàn)槔鋮s塔自帶集水盤(pán)，相當(dāng)于水箱放在屋頂，這部分水靜壓和供水管上升所需靜壓相抵消，所以只需計(jì)入冷卻塔底盤(pán)和布水管的高差就可以 。

　　某工程空調(diào)冷卻水系統(tǒng):2臺(tái)水泵+2臺(tái)冷卻塔并聯(lián)，水泵設(shè)計(jì)流量400t/h, 揚(yáng)程40m。調(diào)試時(shí)遇到如下問(wèn)題: 單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí),若泵出口閥門(mén)開(kāi)度>30%,水泵振動(dòng)較劇烈,泵前、后壓力表跳動(dòng),配電柜電流表跳動(dòng); 若泵出口閥門(mén)開(kāi)度<25%,水泵基本可以穩(wěn)定運(yùn)行,電流表顯示為90A。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)電流為90A時(shí)，水泵流量假定為400t/h,效率按70％計(jì)，則揚(yáng)程約17m，設(shè)計(jì)者大概把冷卻塔和水泵的高差計(jì)入了揚(yáng)程，所以水泵揚(yáng)程大了一倍。幸好閥門(mén)開(kāi)得小，否則水泵可能會(huì)燒電機(jī)。

　　再看另一種情況：在實(shí)際工程中，由于諸多原因，建筑屋面不允許放置冷卻塔，而冷凝器又設(shè)于高處，形成如圖5所示的系統(tǒng)。

　　這種系統(tǒng)當(dāng)水泵停止運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)冷卻水回到塔中而形成真空，產(chǎn)生虹吸而倒流，冷卻塔集水盤(pán)處會(huì)溢水滿地。設(shè)計(jì)時(shí)一般采取一定的措施，如在冷卻水管的頂端安裝一個(gè)真空破壞閥，如圖6。或在頂部設(shè)通氣管，如圖7。《暖通空調(diào)》2003年第4期《冷卻塔處于系統(tǒng)下部時(shí)的水力分析》一文提出：當(dāng)系統(tǒng)高度太高時(shí)，在冷卻塔進(jìn)水處設(shè)電動(dòng)閥，以防止系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)水流空，筆者認(rèn)為不如圖6、7方便、簡(jiǎn)單。

　　下面我們分析一下圖7，首先，假設(shè)ab段阻力為h ab ，bc段阻力為h bc ，水泵揚(yáng)程為H，冷卻塔所需出流水壓為h lq 。

　　第一種情況：h 2 =h bc +h lq ，水泵揚(yáng)程僅需克服ab段阻力和ab之間的高差，即H=h ab +h 1 +h 2 ,此時(shí)通氣管的高度h 3 高度可為0，這是理想情況。

　　第二種情況：h 2 <h bc +h lq, 水泵揚(yáng)程不僅需克服ab段阻力和ab之間的高差還要有余量來(lái)克服bc段部分阻力，揚(yáng)程H=h ab +h 1 +h 2 +(h bc +h lq -h 2 ) = h 1 + h ab +h bc +h lq 。很顯然，當(dāng)通氣管的高度h 3 > h bc +h lq -h 2 時(shí)，水才不會(huì)從通氣管內(nèi)流出來(lái)。

　　第三種情況： h 2 >h bc +h lq, 水泵揚(yáng)程僅需克服ab段阻力和ab之間的高差揚(yáng)程H=h ab +h 1 +h 2 ，h 3 =0。但是，冷卻塔出水中混入大量空氣，水泵揚(yáng)程部分被浪費(fèi)了，增加了電能消耗，這不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的做法。綜上所說(shuō)，第一種情況是少見(jiàn)的，第二種情況是普遍的，第三種情況應(yīng)盡量避免的。為了使系統(tǒng)正常經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，系統(tǒng)高度不宜太高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)第三種情況時(shí)，可以通過(guò)增加bc段阻力來(lái)避免。

三、多臺(tái)冷卻塔的并聯(lián)問(wèn)題

　　規(guī)范要求選主機(jī)時(shí)要盡量做到大小搭配，以便適應(yīng)負(fù)荷的變化，但這時(shí)冷凝器、水泵、冷卻塔連接起來(lái)就很麻煩了。

　　在工程上，多臺(tái)冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，配管方式一般有5種方式，見(jiàn)圖8-12.

　　圖9管線布置最復(fù)雜，占用空間大，但流量分配合理，運(yùn)行可靠性高。圖8、10、11管線布置簡(jiǎn)單，但是，經(jīng)常出現(xiàn)溢流和補(bǔ)水現(xiàn)象，主要原因是：

　　1、一般在塔的進(jìn)水管上安裝了電動(dòng)閥，而出水管上未裝，不運(yùn)行的塔進(jìn)水閥關(guān)閉，但出水管連通。當(dāng)單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，用的那臺(tái)冷卻塔水盤(pán)中水位上升，引起溢流，而其他不運(yùn)行的塔的水盤(pán)則不停的補(bǔ)水。

　　2、各塔水量分配不平衡，主要是管路布置問(wèn)題，有的塔進(jìn)水管道阻力小，出水管道阻力大；進(jìn)水多出水少，造成溢流。有的塔則相反,不停的補(bǔ)水。

　　3、幾臺(tái)大小不同的冷卻塔連在一起時(shí)，塔中水位不一樣高，水盤(pán)低的塔必然溢流。

　　基于上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)要注意平衡問(wèn)題，包括水位平衡和水量平衡，通常對(duì)于合流進(jìn)水方式，采取以下幾種措施：

　　1、對(duì)于圖8，每臺(tái)冷卻塔的進(jìn)出水管上設(shè)電動(dòng)閥，并與水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)連鎖控制。

　　2、對(duì)于圖8，10，11，各冷卻塔(包括大小不同的塔)水位控制在同一高度，高差不應(yīng)大于30mm。在各塔之間安裝平衡管，并加大出水管的共用管段的管徑。

　　3、對(duì)于圖8，11，為平衡各冷水機(jī)組水量，可在各臺(tái)冷水機(jī)組出水口設(shè)平衡閥。

　　圖12管線布置簡(jiǎn)單，系統(tǒng)流量也易平衡，筆者常采用此方式。

四、冷卻水系統(tǒng)的啟停順序

　　《制冷空調(diào)自動(dòng)控制》（張子慧、黃翔、張景春編）提出冷卻水系統(tǒng)的啟停順序：風(fēng)機(jī)-電動(dòng)蝶閥-水泵。而某些產(chǎn)品樣本中明確提出“冷卻塔啟動(dòng)時(shí)一定要先開(kāi)水泵后開(kāi)風(fēng)機(jī)，不允許在沒(méi)有淋水的情況下使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)”。筆者認(rèn)為：在過(guò)渡季的冷卻水循環(huán)中，有的時(shí)間可以不用開(kāi)風(fēng)機(jī)。假如采用先開(kāi)風(fēng)機(jī)后開(kāi)泵的順序啟動(dòng)方式，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行而風(fēng)機(jī)停止的工況。正確的冷卻塔的啟停順序一般應(yīng)該為：開(kāi)冷卻水泵－開(kāi)冷卻塔對(duì)應(yīng)的電動(dòng)蝶閥－確認(rèn)淋水正常和水盤(pán)的回水正常無(wú)空氣－視冷卻水溫的需要決定冷卻塔的風(fēng)機(jī)運(yùn)行；停時(shí)程序相反。

五、選用冷卻塔應(yīng)有富余量

　　筆者調(diào)查了許多工程，發(fā)現(xiàn)冷卻塔與冷水機(jī)組的冷卻水額定流量相等一一對(duì)應(yīng)情況下，在特別炎熱時(shí)，冷水機(jī)組出力降低甚至無(wú)法運(yùn)行，或者，運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組需開(kāi)2臺(tái)冷卻塔。這說(shuō)明國(guó)產(chǎn)冷卻塔在標(biāo)準(zhǔn)工況、額定流量下，一般難以達(dá)到5℃溫差并長(zhǎng)期運(yùn)行，所以在選冷卻塔時(shí)建議按冷卻水量的1.2倍來(lái)選擇冷卻塔。溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組由于其制冷循環(huán)特點(diǎn)，要求更大的冷卻水溫差，這時(shí)，就不能選用標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔，而要選用中溫型，并根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的全性能曲線圖表來(lái)校核。

六、冷卻水系統(tǒng)的變頻與控制

1、冷卻水系統(tǒng)變頻控制的必要性

　　大型中央空調(diào)系統(tǒng)，通常按最大負(fù)荷來(lái)設(shè)計(jì)，但是，系統(tǒng)大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下工作?？照{(diào)冷卻水系統(tǒng)一般是定流量系統(tǒng)，部分負(fù)荷下動(dòng)力輸送能耗不變，使制冷系統(tǒng)綜合能效比大大下降。常規(guī)控制方式是對(duì)冷卻塔出水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷卻水溫度的調(diào)節(jié)，一般可采用冷卻塔出水溫度控制風(fēng)機(jī)的啟閉，或者在冷卻塔進(jìn)水管上安裝兩通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，旁通部分水量，保證供制冷機(jī)的冷卻水混合溫度，同時(shí)又控制風(fēng)機(jī)的啟閉。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)選擇水泵時(shí)，我們常常將流量、揚(yáng)程計(jì)算值分別附加10％－20％，如果再考慮上計(jì)算過(guò)程的保守，就導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生系統(tǒng)流量揚(yáng)程高于系統(tǒng)需求值，需要用閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)，造成很大浪費(fèi)。

2、冷卻水系統(tǒng)變頻控制的可行性

對(duì)冷卻水泵采用變頻調(diào)速控制，輔以冷卻塔風(fēng)機(jī)的通斷控制或變頻調(diào)速控制，將大幅度減少冷卻水系統(tǒng)的能耗。

　　對(duì)于電制冷機(jī)組，冷卻水系統(tǒng)的下限流量可定為額定流量的70％。對(duì)于蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，下限流量可以更低，國(guó)產(chǎn)雙良的機(jī)組下限流量可為60％，遠(yuǎn)大的機(jī)組下限流量可為30％，遠(yuǎn)大機(jī)組中還為冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)提供了變頻信號(hào)輸出和控制軟件。

3、錯(cuò)誤觀點(diǎn)

　　談到變頻調(diào)速，有人認(rèn)為變頻前后：水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率和轉(zhuǎn)速的滿足下列關(guān)系式：

G 2 /G 1 =n 2 /n 1 ；

H 2 /H 1 =(n 2 /n 1 ) 2 ；

N 2 /N 1 =(n 2 /n 1 ) 3 ；

　　因而推斷水泵的功率與流量的3次方成正比，再推出當(dāng)流量為額定值的75％時(shí)，水泵的能耗已降至原值的42％。

　　這是一個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，變頻前后兩點(diǎn)并不是相似工況點(diǎn)，不滿足上述關(guān)系式。

4、實(shí)際應(yīng)用

　　筆者曾有幸參與某賓館的冷卻水系統(tǒng)節(jié)能的改造。該系統(tǒng)采用2臺(tái)制冷量1160KW的蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，冷卻水泵流量320m 3 /h，揚(yáng)程38m，電機(jī)功率55KW/臺(tái)，2用1備。改造前該系統(tǒng)主要存在如下問(wèn)題：1、該賓館在旅游淡季客房入住率低，水泵能耗高。2、設(shè)計(jì)冷卻水泵揚(yáng)程太高，需通過(guò)關(guān)小閥門(mén)來(lái)消耗多余的壓差，嚴(yán)重浪費(fèi)。改造時(shí)采用2套空調(diào)水泵智能恒溫差變頻控制系統(tǒng)，為節(jié)約設(shè)備初投資，在控制系統(tǒng)中增加一臺(tái)切換控制柜，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)變頻控制系統(tǒng)與3臺(tái)水泵之間的自由轉(zhuǎn)換。控制系統(tǒng)根據(jù)冷凝器進(jìn)出口溫度傳感變送器采樣溫度變化結(jié)合空調(diào)制冷系統(tǒng)能量平衡關(guān)系調(diào)節(jié)水泵流量，維持冷凝器制冷劑側(cè)和水側(cè)熱量平衡關(guān)系，維持進(jìn)出口溫差和換熱對(duì)數(shù)平均溫差恒定。項(xiàng)目改造完成后至今已經(jīng)運(yùn)行了2個(gè)制冷采暖周期，運(yùn)行情況良好，節(jié)能效果得到業(yè)主高度評(píng)價(jià)。

5、缺點(diǎn)與不足：

　　如果常時(shí)間在低流速的情況下運(yùn)行，冷卻水管道易結(jié)垢，但是有人提出清洗管道的費(fèi)用遠(yuǎn)小于水泵變頻節(jié)約的費(fèi)用。

　　機(jī)組冷卻水流量減少，其換熱系數(shù)也隨之降低，機(jī)組制冷量減少，其制冷系數(shù)COP值可能也降低，機(jī)組相對(duì)耗能可能有所增加，如果大于節(jié)約下的水泵能耗，則適得其反。所以采取上述節(jié)能措施時(shí)，要綜合考慮。

七、結(jié)論

　　在冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要合理的選擇水泵揚(yáng)程，注意系統(tǒng)承壓、流量的平衡問(wèn)題，同時(shí)需要采取合理的節(jié)能控制措施來(lái)降低水輸送能耗。