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空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計問題的探討

空調(diào)制冷的冷卻水系統(tǒng)一般是開式系統(tǒng)，相對比較簡單，因而，經(jīng)常不被設(shè)計人員所重視。本文就冷卻水系統(tǒng)的承壓、水泵揚程的確定、多臺冷卻塔的并聯(lián)、系統(tǒng)的啟停順序、節(jié)能控制等問題談談自己的觀點，供大家參考。
關(guān)鍵詞： 冷卻水 承壓 揚程 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，系統(tǒng)承壓有以下三種情況：系統(tǒng)停止運行時，水泵出口壓力為系統(tǒng)靜水壓力h＝Z；系統(tǒng)瞬時啟動，但動壓尚未形成時，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 ；正常運行時，水泵出口壓力為該點靜水壓力與水泵靜壓之和h＝Z+H P -v 2 /2g。冷水機組冷凝器耐壓，目前國產(chǎn)機組一般為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，要使用機械密封。

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

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

　　筆者的同學曾經(jīng)設(shè)計一個工程，機房在地下，裙房屋頂為人員活動空間，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，同時對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。

　　解決方法二：如圖3，設(shè)兩個冷卻水箱、兩套冷卻水泵。一個高溫冷卻水箱、一個低溫冷卻水箱，一套冷卻水泵從低溫水箱抽水進入冷凝器后進入高溫水箱，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，避免停泵時水全部流入低溫水箱。水箱要滿足冷卻塔到機房的充注水量，水箱的水位也不好控制；這樣水泵的揚程太高（圖中h高度的揚程浪費了），這不是一個經(jīng)濟的做法。

　　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。

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

二、冷卻水泵揚程的確定

　　冷卻水系統(tǒng)水泵揚程計算應該是系統(tǒng)阻力（管道、管件、冷凝器阻力之和），冷卻塔集水盤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)計人員常犯的錯誤，是一見到開式系統(tǒng)就計算系統(tǒng)的高差。冷卻塔雖然是開式系統(tǒng)，但是因為冷卻塔自帶集水盤，相當于水箱放在屋頂，這部分水靜壓和供水管上升所需靜壓相抵消，所以只需計入冷卻塔底盤和布水管的高差就可以 。

　　某工程空調(diào)冷卻水系統(tǒng):2臺水泵+2臺冷卻塔并聯(lián)，水泵設(shè)計流量400t/h, 揚程40m。調(diào)試時遇到如下問題: 單臺水泵運行時,若泵出口閥門開度>30%,水泵振動較劇烈,泵前、后壓力表跳動,配電柜電流表跳動; 若泵出口閥門開度<25%,水泵基本可以穩(wěn)定運行,電流表顯示為90A。經(jīng)計算，當電流為90A時，水泵流量假定為400t/h,效率按70％計，則揚程約17m，設(shè)計者大概把冷卻塔和水泵的高差計入了揚程，所以水泵揚程大了一倍。幸好閥門開得小，否則水泵可能會燒電機。

　　再看另一種情況：在實際工程中，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)當水泵停止運行時，管道內(nèi)冷卻水回到塔中而形成真空，產(chǎn)生虹吸而倒流，冷卻塔集水盤處會溢水滿地。設(shè)計時一般采取一定的措施，如在冷卻水管的頂端安裝一個真空破壞閥，如圖6?；蛟陧敳吭O(shè)通氣管，如圖7?！杜照{(diào)》2003年第4期《冷卻塔處于系統(tǒng)下部時的水力分析》一文提出：當系統(tǒng)高度太高時，在冷卻塔進水處設(shè)電動閥，以防止系統(tǒng)停止運行時水流空，筆者認為不如圖6、7方便、簡單。

　　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, 水泵揚程不僅需克服ab段阻力和ab之間的高差還要有余量來克服bc段部分阻力，揚程H=h ab +h 1 +h 2 +(h bc +h lq -h 2 ) = h 1 + h ab +h bc +h lq 。很顯然，當通氣管的高度h 3 > h bc +h lq -h 2 時，水才不會從通氣管內(nèi)流出來。

　　第三種情況： h 2 >h bc +h lq, 水泵揚程僅需克服ab段阻力和ab之間的高差揚程H=h ab +h 1 +h 2 ，h 3 =0。但是，冷卻塔出水中混入大量空氣，水泵揚程部分被浪費了，增加了電能消耗，這不是一個經(jīng)濟的做法。綜上所說，第一種情況是少見的，第二種情況是普遍的，第三種情況應盡量避免的。為了使系統(tǒng)正常經(jīng)濟的運行，系統(tǒng)高度不宜太高，設(shè)計時應進行詳細計算，當出現(xiàn)第三種情況時，可以通過增加bc段阻力來避免。

三、多臺冷卻塔的并聯(lián)問題

　　規(guī)范要求選主機時要盡量做到大小搭配，以便適應負荷的變化，但這時冷凝器、水泵、冷卻塔連接起來就很麻煩了。

　　在工程上，多臺冷卻塔并聯(lián)運行時，配管方式一般有5種方式，見圖8-12.

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

　　1、一般在塔的進水管上安裝了電動閥，而出水管上未裝，不運行的塔進水閥關(guān)閉，但出水管連通。當單臺運行時，用的那臺冷卻塔水盤中水位上升，引起溢流，而其他不運行的塔的水盤則不停的補水。

　　2、各塔水量分配不平衡，主要是管路布置問題，有的塔進水管道阻力小，出水管道阻力大；進水多出水少，造成溢流。有的塔則相反,不停的補水。

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

　　基于上述問題，設(shè)計時要注意平衡問題，包括水位平衡和水量平衡，通常對于合流進水方式，采取以下幾種措施：

　　1、對于圖8，每臺冷卻塔的進出水管上設(shè)電動閥，并與水泵和冷卻塔風機連鎖控制。

　　2、對于圖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、對于圖8，11，為平衡各冷水機組水量，可在各臺冷水機組出水口設(shè)平衡閥。

　　圖12管線布置簡單，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：風機-電動蝶閥-水泵。而某些產(chǎn)品樣本中明確提出“冷卻塔啟動時一定要先開水泵后開風機，不允許在沒有淋水的情況下使風機運轉(zhuǎn)”。筆者認為：在過渡季的冷卻水循環(huán)中，有的時間可以不用開風機。假如采用先開風機后開泵的順序啟動方式，就無法實現(xiàn)水泵運行而風機停止的工況。正確的冷卻塔的啟停順序一般應該為：開冷卻水泵－開冷卻塔對應的電動蝶閥－確認淋水正常和水盤的回水正常無空氣－視冷卻水溫的需要決定冷卻塔的風機運行；停時程序相反。

五、選用冷卻塔應有富余量

　　筆者調(diào)查了許多工程，發(fā)現(xiàn)冷卻塔與冷水機組的冷卻水額定流量相等一一對應情況下，在特別炎熱時，冷水機組出力降低甚至無法運行，或者，運行1臺機組需開2臺冷卻塔。這說明國產(chǎn)冷卻塔在標準工況、額定流量下，一般難以達到5℃溫差并長期運行，所以在選冷卻塔時建議按冷卻水量的1.2倍來選擇冷卻塔。溴化鋰冷水機組由于其制冷循環(huán)特點，要求更大的冷卻水溫差，這時，就不能選用標準型冷卻塔，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)，通常按最大負荷來設(shè)計，但是，系統(tǒng)大部分時間是在部分負荷下工作?？照{(diào)冷卻水系統(tǒng)一般是定流量系統(tǒng)，部分負荷下動力輸送能耗不變，使制冷系統(tǒng)綜合能效比大大下降。常規(guī)控制方式是對冷卻塔出水溫度進行調(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機的啟閉，或者在冷卻塔進水管上安裝兩通電動調(diào)節(jié)閥，旁通部分水量，保證供制冷機的冷卻水混合溫度，同時又控制風機的啟閉。

　　在實際設(shè)計選擇水泵時，我們常常將流量、揚程計算值分別附加10％－20％，如果再考慮上計算過程的保守，就導致經(jīng)常發(fā)生系統(tǒng)流量揚程高于系統(tǒng)需求值，需要用閥門來調(diào)節(jié)，造成很大浪費。

2、冷卻水系統(tǒng)變頻控制的可行性

對冷卻水泵采用變頻調(diào)速控制，輔以冷卻塔風機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。

　　對于電制冷機組，冷卻水系統(tǒng)的下限流量可定為額定流量的70％。對于蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機組，下限流量可以更低，國產(chǎn)雙良的機組下限流量可為60％，遠大的機組下限流量可為30％，遠大機組中還為冷卻水泵和冷卻塔風機提供了變頻信號輸出和控制軟件。

3、錯誤觀點

　　談到變頻調(diào)速，有人認為變頻前后：水泵的流量、揚程、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，再推出當流量為額定值的75％時，水泵的能耗已降至原值的42％。

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

4、實際應用

　　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臺制冷量1160KW的蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機組，冷卻水泵流量320m 3 /h，揚程38m，電機功率55KW/臺，2用1備。改造前該系統(tǒng)主要存在如下問題：1、該賓館在旅游淡季客房入住率低，水泵能耗高。2、設(shè)計冷卻水泵揚程太高，需通過關(guān)小閥門來消耗多余的壓差，嚴重浪費。改造時采用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)中增加一臺切換控制柜，實現(xiàn)2臺變頻控制系統(tǒng)與3臺水泵之間的自由轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)冷凝器進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，維持進出口溫差和換熱對數(shù)平均溫差恒定。項目改造完成后至今已經(jīng)運行了2個制冷采暖周期，運行情況良好，節(jié)能效果得到業(yè)主高度評價。

5、缺點與不足：

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

　　機組冷卻水流量減少，其換熱系數(shù)也隨之降低，機組制冷量減少，其制冷系數(shù)COP值可能也降低，機組相對耗能可能有所增加，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，要綜合考慮。

七、結(jié)論

　　在冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計中，要合理的選擇水泵揚程，注意系統(tǒng)承壓、流量的平衡問題，同時需要采取合理的節(jié)能控制措施來降低水輸送能耗。