論暖通空調循環水系統

郭洪順

隨著我國經濟的持續發展和人們對居住環境舒適性要求的不斷提高,中央空調在商業和民用建筑中應用越來越普及,其能量消耗中約30%左右被循環水泵所消耗。造成水泵能耗過高的主要原因之一是:設備設計選型時沒有考慮水泵性能曲線及管網的特性曲線對水泵并聯的影響,使水泵性能與管網不匹配。因此,水泵的合理選擇和匹配,是中央空調循環水系統正常運行和節約能耗的關鍵。筆者對暖通空調循環水泵設計選型的相關問題進行了探討。

一、循環水泵性能曲線的選擇

在中央空調循環水系統中,循環水泵主要為冷(熱)媒的循環流動提供動力,但隨著室外溫度變化,系統所需要的循環水流量會發生很大的變化。這就要求水泵在設計選型時要考慮多方面的因素。供暖、制冷系統中的循環水泵總是與特定的管路相連,循環水泵的工作狀態點由水泵的性能曲線與管路的特性曲線共同決定。水泵的工作特性曲線有平坦型、陡降型和駝峰型三種。根據用途、管路特性、流量變化的不同,應選擇不同特性的水泵。

當水泵的性能曲線為駝峰型時,水泵的性能曲線與管網的性能曲線可能有A和B兩個交點,而B工況點為不穩定工作點。因此在實際使用中,應盡量避免使系統工作在水泵性能曲線的左支,工作點應選在曲線的下降段,以保證運轉工況的穩定。對于供暖與空調的水系統采用量調節的情況,系統內水流量變化較大時,建議盡可能避免選用駝峰型水泵,以防進入非穩定工作區,引起流量調節的失靈。

性能曲線為平坦型的水泵其最大優點是:循環水泵在較大的流量變化范圍內都能在較高的效率區間運行,節能效果明顯。可滿足循環水系統流量變化時,揚程變化小的特點,使系統運行時,具有良好的水力穩定性,降低水力失調的程度。當系統選用單臺水泵或者兩臺但為一用一備時,則應選用性能曲線較為平坦的水泵。兩臺水泵的流量和揚程特性曲線分別為A變為B,當泵的流量發生變化時,假設管路特性曲線由原來的a變為b,性能曲線比較平坦的水泵B的揚程變化為ΔB,性能曲線比較陡的水泵A的揚程變化為ΔA,ΔA>ΔB。顯然從系統的水力穩定性來看選泵B的方案優于選泵A的方案。

當循環水系統所需的流量及流量的變化量較大,且單臺水泵的流量或調節量不能達到設計要求時,可以采用水泵并聯運行的方式。泵A的特性曲線為A1,較陡,兩臺并聯后的特性曲線為A2;泵B的特性曲線為B1,較平坦,兩臺并聯后的特性曲線為B2;管路特性曲線為R。顯而易見,泵A并聯后的流量增量ΔQa大于泵B并聯后的流量增量ΔQb。因此泵的特性曲線越陡(比轉數越大),流量增量ΔQ越大,越適宜于并聯工作;反之,泵的特性曲線越平坦(比轉數越小),流量增量ΔQ越小,越不適宜于并聯工作。如果選型時不考慮水泵的特性曲線,將會引起并聯后流量增量不大,不能通過并聯使流量大幅度地提高,也不能通過運行臺數的增減有效地調節流量。

二、水泵并聯設計的誤區

對于并聯水泵的運行有以下兩個誤區。(1)簡單的認為相同型號的水泵并聯工作時,總流量成倍增加,I為單臺水泵的性能曲線,II為兩臺泵I并聯運行時的性能曲線,1與2為管網的特性曲線。當管網特性曲線為1時,若管網中只有一臺水泵工作,工作點在C點,流量為QC;當兩臺并聯時得,QA=2QB,很顯然,2QC>QA,因此并聯水泵的流量并非成倍增加,如果在選擇水泵時誤認為其流量成倍增加,將可能導致總流量不能滿足要求。當管網的性能曲線為2時,并聯后的流量增加甚小,從節能的觀點看,管網性能曲線陡的并不適宜于水泵的并聯。(2)實際工程中水泵并聯的選型計算沒有考慮或者對水泵性能曲線走向考慮不夠充分。泵Ⅰ的特性曲線為A1,較陡,兩臺并聯后的特性曲線為A2;泵Ⅱ的特性曲線為B1,較平坦,兩臺并聯后的特性曲線為B2;管路特性曲線為R。顯而易見,泵Ⅰ并聯后的流量增量ΔQa大于泵Ⅱ并聯后的流量增量ΔQb。因此泵的特性曲線越陡(比轉數越大),流量增量ΔQ越大,越適宜于并聯工作;反之,泵的特性曲線越平坦(比轉數越小),流量增量ΔQ越小,越不適宜于并聯工作。如果選型時不考慮水泵的特性曲線,將會引起并聯后流量增量不大,不能通過并聯使流量大幅度地提高,也不能通過運行臺數的增減有效地調節流量。水泵并聯選型時不能僅考慮并聯工況,應同時對單臺水泵的運行工況進行校核或采取以下措施:當兩臺并聯水泵關掉一臺后,應將水泵出口閥門關小一些,以增大管路的阻抗,使管路特性曲線由1變為2,如果是三臺或三臺以上的水泵并聯,根據水泵開啟的臺數調節水泵出口處閥門的大小,讓水泵工作在額定流量下。當然,關小閥門的開度,增加了管道的阻力,甚至閥門造成的壓降能夠占水泵總揚程的50%以上,水泵的電耗有50%以上消耗在了閥門上,而不是用來克服管道的阻力,造成了很嚴重的能源浪費,沒有達到節能的目的。因此在設計選泵時,滿足使用要求的條件下并聯水泵的臺數不宜太多。

三、冬夏季循環水泵的選擇

大多數空調系統是全年運行的,冬季供應熱水,夏季供應冷水。有些工程在設計過程中只是一味地追求降低初投資或者由其他原因,沒有將冬夏季循環水泵分開設置,而是共用循環水泵。但實際工程絕大多數建筑物冬季熱負荷比夏季冷負荷小,且空調水系統供回水溫差夏季一般取5℃,冬季取10℃,管路采用雙管制。因此冬季空調循環水流量將是夏季的1/3～1/2,理論上講冬季水泵的揚程為夏季的1/9～1/4。為節約能源,可考慮設計兩組水泵分別供冬夏季使用,利用閥門切換。冬季選用小流量,低揚程的循環水泵,可節省運行費用,也可采用調速泵的運行方式。有的文獻提出可根據冬夏季的工況不同而采用直徑不等的兩套葉輪運行以解決冬夏季對水泵的不同要求。□

(編輯/丹桔)