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中央空調(diào)系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)的若干問題作者:王倩高建紅摘要:本文通過分析中央空調(diào)系統(tǒng)水泵運(yùn)行工況,結(jié)合工程實(shí)例,強(qiáng)調(diào)了合理選擇循環(huán)水泵揚(yáng)程的重要性,提出冬夏季水泵設(shè)置應(yīng)通過綜合經(jīng)濟(jì)比較合理確定,指出對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的水泵,應(yīng)注意水泵的特性曲線和工況轉(zhuǎn)換時(shí)系統(tǒng)的變化,認(rèn)為水泵的安裝位置應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)靜壓來確定,對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:中央空調(diào)管路特性曲線水泵性能曲線流量揚(yáng)程1引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,中央空調(diào)在商業(yè)和民用建筑中越來越普及,其能耗在社會(huì)總能耗中所占比例也在不斷上升。暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能約占建筑總能耗的65%左右,而在中央空調(diào)系統(tǒng)中,水泵作為為整個(gè)水循環(huán)提供動(dòng)力的裝置,其耗電量在空調(diào)系統(tǒng)耗電量中又占有相當(dāng)?shù)谋戎兀虼?,水泵的合理選擇和匹配,是空調(diào)水系統(tǒng)正常運(yùn)行調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。水泵的選擇主要是依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)所需的流量和揚(yáng)程等來確定的,但在設(shè)計(jì)過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水泵設(shè)計(jì)失誤的問題,本文對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)的一些問題進(jìn)行探討。2合理選擇水泵的揚(yáng)程空調(diào)系統(tǒng)中的水泵總是與特定的管路相連,其工作狀態(tài)點(diǎn)由水泵的性能曲線與管路的特性曲線共同決定(見圖1)。在設(shè)計(jì)空調(diào)水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的水力計(jì)算,根據(jù)設(shè)計(jì)流量計(jì)算出在該流量下管路的阻力,以確保選用水泵的揚(yáng)程合理。在對(duì)流量和揚(yáng)程乘以一定的安全裕量后,進(jìn)行水泵的選擇。有些設(shè)計(jì)人員未進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,認(rèn)為揚(yáng)程大一些保險(xiǎn),或因選不到合適型號(hào)的泵而選用揚(yáng)程過大的泵,導(dǎo)致所選擇的水泵不能滿足要求,或者造成運(yùn)行費(fèi)用增加,甚至水泵不能正常工作,對(duì)此我們進(jìn)行如下分析:如圖2,曲線I為管路的特性曲線,流量Qa是系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量,在此流量下,管路的阻力為Ha,即水泵的揚(yáng)程為Ha,應(yīng)選用性能曲線如圖中曲線1所示的水泵,使工作點(diǎn)落在水泵性能曲線1和管路特性曲線I的交點(diǎn)A上。但若未進(jìn)行水力計(jì)算或?yàn)榍蟊kU(xiǎn)而使所選水泵揚(yáng)程過大,實(shí)際選用了額定流量為Qa,揚(yáng)程為Hc的性能曲線為2的水泵的話,若不對(duì)管路進(jìn)行調(diào)節(jié),則水泵的工作點(diǎn)將移至曲線2和I的交點(diǎn)B處,則此時(shí)系統(tǒng)中的水流量將大于設(shè)計(jì)流量Qa,達(dá)到Qb,系統(tǒng)中出現(xiàn)大流量小溫差的工作情況,且由于泵2的揚(yáng)程大于泵1。其所配電機(jī)功率也大,使得能源消耗增多,運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。如某工程,設(shè)計(jì)選用離心冷凍機(jī)一臺(tái),水流量為181m3/h,配用兩臺(tái)循環(huán)水泵,一用一備,計(jì)算得設(shè)計(jì)流量下系統(tǒng)最大阻力為24m水柱高度,若采用上海凱泉KQL系列單級(jí)立式離心泵的話,可選用KQL150/300-22/4型(水泵參數(shù)見表1),由管路特性曲線和水泵性能曲線可知:水泵的工作點(diǎn)將為流量190m3/h,揚(yáng)程27m,水泵軸功率19KW;但若認(rèn)為揚(yáng)程大些保險(xiǎn)而選用KQL150/400-45/4(水泵參數(shù)見表1),則作圖可知:水泵的工作點(diǎn)為流量250m3/h,揚(yáng)程46m,水泵軸功率44KW,從水泵軸功率的對(duì)比可以看出,兩者耗電量相差甚遠(yuǎn)。表1水泵性能參數(shù)水泵型號(hào)流量(m3/h)揚(yáng)程(m)電機(jī)功率(KW)KQL150/300-22/41872422KQL150/400-45/42005045對(duì)已配置好電動(dòng)機(jī)的水泵來說,其電動(dòng)機(jī)額定功率是一定的,軸功率隨著水泵的工作狀態(tài)點(diǎn)的變化而變化,當(dāng)流量大于額定流量時(shí),就會(huì)出現(xiàn)水泵軸功率大于電動(dòng)機(jī)的額定功率,也就是電動(dòng)機(jī)過載的情況,當(dāng)然,水泵廠為水泵配置電動(dòng)機(jī)會(huì)適當(dāng)考慮過載的問題,配置的電動(dòng)機(jī)會(huì)大一些,但是,當(dāng)流量增大很多,過載嚴(yán)重的時(shí)候,同樣可能出現(xiàn)損壞電動(dòng)機(jī)的情況。為了保證流量等于設(shè)計(jì)流量Qa,則應(yīng)改變管路的特性曲線,通過關(guān)小水泵出口的閥門,使管路特性曲線由I變?yōu)镮I,使水泵的工作點(diǎn)落在曲線2和II的交點(diǎn)C處,此時(shí)流量Qc=Qa,揚(yáng)程HcHa,這種做法可以使系統(tǒng)流量滿足要求,且電動(dòng)機(jī)不發(fā)生過載現(xiàn)象。根據(jù)泵的軸功率N=QH/(式中N為泵的軸功率W,為輸送液體的容重N/m3,Q為流量m3/S,H為揚(yáng)程m,為效率),水泵的一部分功率由于閥門的節(jié)流阻力H=Hc-Ha而浪費(fèi),加大了能量的損失,這是非常不經(jīng)濟(jì)的。同樣以上例來說明,如果選用了KQL150/400-45/4型水泵,為使流量保持設(shè)計(jì)流量181m3/h,則應(yīng)通過調(diào)節(jié)閥門改變管路特性曲線,使水泵的工作點(diǎn)落在流量181m3/h,揚(yáng)程51m的點(diǎn)上,此時(shí)水泵軸功率為34W,閥門上消耗的阻力為51-24=27m,能量浪費(fèi)嚴(yán)重。另外,由于國(guó)產(chǎn)閥門調(diào)節(jié)性能較差,很難平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵的揚(yáng)程。有可能出現(xiàn)閥門開大一些,電動(dòng)機(jī)就過載,而關(guān)小一些流量就不夠的情況。3冬夏季水泵的選取很多空調(diào)設(shè)計(jì)都是冬夏兩用的,即隨著季節(jié)的變化,為盤管供應(yīng)冷水或熱水。冬季熱負(fù)荷一般比夏季冷負(fù)荷小,且空調(diào)水系統(tǒng)供回水溫差夏季一般取5,冬季取10,根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)流量計(jì)算公式G=0.86Q/T(式中Q為空調(diào)負(fù)荷KW,T為水系統(tǒng)溫差,G為水系統(tǒng)循環(huán)流量m3/h),則夏季空調(diào)循環(huán)水流量將是冬季的2-3倍。假設(shè)冬季流量為夏季流量的1/3,系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙管制系統(tǒng),即管路特性曲線冬夏季是一致的,由H=SQ2,得到H1/H2=Q12/Q22,則冬季水泵流量為夏季的1/3,揚(yáng)程為夏季的1/9。如用同一組定速泵則只能通過關(guān)小閥門的方法使系統(tǒng)正常運(yùn)行,如圖3所示,為保證冬季的流量,則應(yīng)將管路特性曲線由夏季的I調(diào)整為冬季的II,這必然浪費(fèi)大量的電能。為節(jié)約能源,可考慮設(shè)計(jì)兩組定速泵分別供冬夏季使用,也可采用調(diào)速泵的運(yùn)行方式。如果設(shè)計(jì)中冬季用泵和夏季用泵分別設(shè)置,并聯(lián)運(yùn)行,冬季工況運(yùn)行低揚(yáng)程泵,將獲得顯著的節(jié)能效果。如某大廈冬夏季計(jì)算負(fù)荷分別為840KW和1002KW,循環(huán)水溫度夏季為7/12,冬季為60/50,循環(huán)水量夏季180m3/h,冬季80m3/h,夏季最不利環(huán)路損失為230KPa,根據(jù)公式H1/H2=Q12/Q22,可得冬季的最大損失為45.4KPa,現(xiàn)采用兩種設(shè)計(jì)方案:方案一是冬夏季不同負(fù)荷及部分負(fù)荷時(shí)共用循環(huán)水泵,采用三臺(tái)KQL100/150-11/2型號(hào)泵(水泵參數(shù)見表2),夏季兩用一備,冬季運(yùn)行時(shí)只需一臺(tái)泵的流量就能滿足要求,而水泵的揚(yáng)程遠(yuǎn)大于實(shí)際所需的壓頭,只能靠關(guān)小閥門來消耗掉。方案二是冬夏季分設(shè)不同的水泵并聯(lián),采用閥門切換,此工程冬季用泵可選擇KQL80/90-2.2/2型號(hào)泵(水泵參數(shù)見表2)三臺(tái),兩用一備。表2兩種方案水泵設(shè)置情況冬夏共用泵組冬夏分設(shè)泵組夏季KQL100/150-11/2(兩臺(tái)工作)流量93.5m3/h,揚(yáng)程28m,電機(jī)功率11KWKQL100/150-11/2(兩臺(tái)工作)冬季KQL100/150-11/2(一臺(tái)工作)KQL80/90-2.2/2(兩臺(tái)工作)流量44.7m3/h,揚(yáng)程10m,電機(jī)功率2.2KW設(shè)空調(diào)系統(tǒng)全年冬季運(yùn)行時(shí)間為600小時(shí),若采用方案一,則整個(gè)冬季水泵運(yùn)行耗電為11600=6600KWh,方案二為2.22600=2640KWh,兩者相差3960KWh,設(shè)電價(jià)為0.90元/KWh,則一年的運(yùn)行費(fèi)用將節(jié)省3564元??梢?,冬季選用小流量,低揚(yáng)程的循環(huán)水泵可降低耗電量,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,但冬夏季采用兩組循環(huán)泵或采用調(diào)速泵會(huì)增加初投資,因此,實(shí)際空調(diào)水系統(tǒng)泵組方案的選擇要根據(jù)實(shí)際條件通過綜合經(jīng)濟(jì)比較確定,一般回收年限以2-3年為宜。除分設(shè)泵組及采用調(diào)速泵的方案外,文獻(xiàn)4還提出可通過計(jì)算,將水泵內(nèi)的葉輪經(jīng)車床進(jìn)行精確切割。從而改變水泵的性能特性,因此,還可根據(jù)冬夏季的工況不同而采用直徑不等的兩套葉輪運(yùn)行以解決冬夏季對(duì)水泵要求不同的問題。4多臺(tái)水泵并聯(lián)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行一般工程項(xiàng)目中配置的冷水機(jī)組都在2至4臺(tái)之間,對(duì)于規(guī)模很大的工程項(xiàng)目,甚至需要5臺(tái)以上的冷水機(jī)組并聯(lián)工作。制冷站內(nèi)的主機(jī)與水泵的匹配一般來說是一機(jī)對(duì)一泵,以保證冷水機(jī)組的水流量及正常運(yùn)行,因此,目前我國(guó)空調(diào)水系統(tǒng)大多為有2臺(tái)或2臺(tái)以上水泵并聯(lián)的定流量系統(tǒng)或一次泵變流量系統(tǒng)??照{(diào)設(shè)計(jì)時(shí),都是按最大負(fù)荷情況來進(jìn)行設(shè)備選擇以保證最不利情況時(shí)的需要。在實(shí)際運(yùn)行中,空調(diào)負(fù)荷變化很大,不僅隨季節(jié)變化,而且一天24小時(shí)都在變,絕大多數(shù)時(shí)間空調(diào)設(shè)備是在低于額定值情況下運(yùn)行,設(shè)計(jì)的高峰負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間很短,也就是說,空調(diào)水系統(tǒng)經(jīng)常只有部分水泵工作,或只有單臺(tái)水泵工作,這將引起水泵的軸功率也發(fā)生較大的變化,甚至?xí)斐伤秒妱?dòng)機(jī)過載,如圖4所示。圖4為三臺(tái)相同型號(hào)的水泵并聯(lián)工作的情況,曲線1為單臺(tái)泵工作時(shí)的性能曲線,曲線2為兩臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)的性能曲線,曲線3為三臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)的性能曲線。管路的特性曲線如圖I示,在設(shè)計(jì)流量下,水泵的工作點(diǎn)為曲線3和I的交點(diǎn)A,此時(shí)系統(tǒng)流量為設(shè)計(jì)流量為3Q0,揚(yáng)程為H0,每臺(tái)水泵都在額定流量Q0,額定揚(yáng)程H0下工作。假如停掉一臺(tái)泵而不對(duì)管路進(jìn)行調(diào)整的話,這時(shí)水泵的工作點(diǎn)沿曲線I下降至與曲線2的交點(diǎn)B處,由圖可知,此時(shí)系統(tǒng)的流量將大于兩臺(tái)泵的額定流量2Q0,出現(xiàn)過載;如果再停一臺(tái)水泵,只剩一臺(tái)水泵運(yùn)行的話,工作點(diǎn)再下降至C點(diǎn),過載情況將更加嚴(yán)重。因此,水泵的運(yùn)行人員應(yīng)在停掉一臺(tái)機(jī)后,將水泵出口閥關(guān)小一些,即增大管路的阻抗,使管路特性曲線由I變?yōu)镮I,在單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí),將閥門再關(guān)小一些,使管路特性曲線更陡,變?yōu)镮II,讓水泵工作在額定流量下。相對(duì)于國(guó)產(chǎn)水泵而言,進(jìn)口水泵配置的電動(dòng)機(jī)普遍小一些,一旦流量大于額定流量,極易損壞電動(dòng)機(jī),因此,對(duì)于水泵運(yùn)行人員來說,了解水泵并聯(lián)特性并正確操作是非常重要的。在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意并聯(lián)工作水泵的性能曲線,平坦型特性曲線的水泵,其揚(yáng)程發(fā)生很小的變化就會(huì)引起很大的流量變化,從而引起水泵軸功率很大的變化。如圖5所示,泵1和泵2的額定流量和額定揚(yáng)程都相同,但泵2的性能曲線較泵1平坦,曲線11和22分別表示兩臺(tái)泵1和兩臺(tái)泵2并聯(lián)工作時(shí)的情況。在2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí),水泵的工作點(diǎn)的揚(yáng)程與流量相同,但在一臺(tái)泵工作時(shí),泵1的流量變化為Q1,泵2的流量變化為Q2,從圖中容易看出,Q1Q2,即泵2過載的情況更加嚴(yán)重。因此在選擇并聯(lián)水泵時(shí),除要注意設(shè)計(jì)工況時(shí)的性能參數(shù)外,還應(yīng)重視水泵的性能,盡量選擇性能曲線陡的水泵并聯(lián)工作。5正確選擇水泵的安裝位置空調(diào)水系統(tǒng)中,水泵的安裝方式通常有壓出式和吸入式兩種。見圖6和圖7,吸入式水系統(tǒng)是高層建筑常用的空調(diào)水系統(tǒng)方式,其特點(diǎn)是能減小制冷機(jī)蒸發(fā)器及冷凝器承受的壓力,因而被廣泛采用。但吸入式系統(tǒng)并不適用于所有情況,如某工程建筑高度為20m,冷熱水機(jī)組布置在一樓,冷卻塔及膨脹水箱布置在屋頂,采用圖6所示的吸入式系統(tǒng),因冷凍水、冷卻水系統(tǒng)靜壓僅20m,而冷凝器、蒸發(fā)器的阻力損失為1418m,加上管道系統(tǒng)的阻力,導(dǎo)致循環(huán)水泵吸入口處出現(xiàn)負(fù)壓,從而產(chǎn)生氣蝕和水擊現(xiàn)象,系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。將吸入式系統(tǒng)改為壓出式系統(tǒng)后,水系統(tǒng)恢復(fù)正常。普通的制冷機(jī)的蒸發(fā)器和冷凝器工作壓力一般為1MPa,筆者認(rèn)為,靜壓小于50米的空調(diào)水系統(tǒng)采用壓出式系統(tǒng)方式較合理,不會(huì)造成蒸發(fā)器和冷凝器承壓過大,也不會(huì)產(chǎn)生氣蝕,當(dāng)空調(diào)水系統(tǒng)靜壓大于50米時(shí),則采用吸入式水系統(tǒng)以降低系統(tǒng)工作壓力。6結(jié)論6.1在設(shè)計(jì)空調(diào)水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的水力計(jì)算,確保選用水泵的揚(yáng)程合理。對(duì)水泵揚(yáng)程的選取不能認(rèn)為越大越保險(xiǎn),而要重視運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,避免隨意加大揚(yáng)程。6.2要重視中央空調(diào)循環(huán)水流量變化的特點(diǎn),在夏季與冬季水量變化很大時(shí),采用分設(shè)循環(huán)水泵方案,或用調(diào)速水泵,或采用直徑不等的兩套葉輪,以節(jié)約能源,保證系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行。6.3在循環(huán)水泵采用并聯(lián)運(yùn)行方式時(shí),選擇水泵一定要按管路特性與水泵并聯(lián)特性曲線進(jìn)行選型計(jì)算。選型時(shí),除應(yīng)注意水泵在設(shè)計(jì)工況時(shí)的性能參數(shù)外,還應(yīng)關(guān)注水泵的特性曲線,盡量選擇特性曲線陡的水泵并聯(lián)工作。運(yùn)行人員應(yīng)注意工況轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)閥門的調(diào)節(jié)。6.4在設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)的靜壓值,合理選用壓出式或吸入式系統(tǒng)。參考文獻(xiàn):(1)趙賢兵,李芳芹,李永存,空調(diào)循環(huán)水泵合理配置與節(jié)能研究,湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17(3):7880(2)劉光遠(yuǎn),中央空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水泵揚(yáng)程的合理選擇,揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào).自然
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