空調水系統的平衡與平衡閥

李 浙

(寧波市民用建筑設計研究有限公司,寧波315000)

1 對空調水系統平衡的有關要求

(1)GB50019-2003,6.4.8條中指出 “空氣調節水系統布置和選擇管徑時,應減少并聯環路之間的壓力損失相對差額,當超過15%時,應設置調節裝置”。

(2)GB50411-2007,11.2.11條中指出 “空調機組水流量偏差小于等于20%”。此條為強制性條文。

(3)《全國民用建筑工程設計技術措施-暖通空調,動力》(2003)6.7.6中指出 “空調水系統應進行水力計算,各并聯環路壓力損失差額,不應大于15%”。

6.7.5中指出 “變流量空調水系統當采用平衡閥時,可按下列原則選用:風機盤管冷水出口宜設動態平衡電動兩通閥,空調機組與新風機組冷水出口宜設動態平衡電動調節閥”。

(4)《全國民用建筑工程設計技術措施節能專篇,暖通空調,動力》(2007)5.2.8中指出 “空調冷水一次泵定流量系統管道連接形式和控制閥的設置,末端裝置宜采用兩通調節閥”。

5.2.10中指出 “空調冷水一次泵變流量系統的設計要點如下:末端裝置應采用兩通調節閥”。

以上幾條是目前規范與技術措施中對空調水系統平衡與平衡閥使用的要求,是我們設計工作的指南,從這幾條中可歸納以下幾點:

1)空調水系統并聯環路之間壓力損失差額不應大于15%,否則應設置平衡閥。

2)空調末端裝置實際水流量與設計水流量的偏差不應大于20%。

3)空調水一次泵變流量 (目前的主流水系統形式)中末端裝置應采用兩通調節閥。此閥即可是電動二通閥或電動二通調節閥,也可是動態平衡電動二通閥或動態平衡電動調節閥。而使用動態平衡兩通閥的前提根據技術措施解釋是 “應結合工程實際條件靈活掌握,以使設計更為經濟合理。”

從上面的分析我們可以看出一個很重要的特點,即15%是對圖面上的要求,是靜態的;20%是現場實測,但也是在設計工況下進行的,實際上也是靜態的;所有靜態的要求都可由靜態平衡閥來解決。這也是動態平衡兩通閥目前很難用于工程實際的最大原因 (用靜態平衡閥都可解決這二個百分值)。但筆者認為,設計師應該把握住一條原則,那就是對一個具體工程中的所有末端裝置,在實際運行中其實際水流量不應小于設計水流量的20%(在設計負荷下),這是水系統設計中平衡設計的基本原則。

2 空調水系統水力平衡原則

目前在空調水系統設計中所采用的水力平衡手段基本上是:設計時進行合理的系統劃分與管路布置 (如采用同程管路布置),然后進行水力計算,最后確定何處使用何種平衡閥。

2.1 合理的系統劃分與管路布置

關于合理的系統劃分主要是指水系統應按使用時間和使用功能 (如辦公、客房、餐廳、商場等)來分區,相同功能、相同使用時間的劃在一個區內,這樣便于水系統的控制。

合理的管路布置指的是應將阻力特性相同的末端裝置劃在一起 (如將客房或辦公區的風機盤管合在一路,新風機組另設一路;或者是將同一層面內的風機盤管水路設計為同程而將新風機組水路設計成異程。

在實際工程中合理的系統劃分是基礎,是第一步。合理的管路布置是深化,是第二步。

2.2 水力計算

水力計算是設計師日常工作中常做的工作,主要需要明確這幾點:

1)末端裝置及各段管路的水量。

2)管路比摩阻范圍。

3)末端裝置水阻及相關閥門、三通、彎頭的局部阻力。

(1)末端裝置及各段管路的水量

如何確定每臺末端裝置的水量及各段管路中的水量,目前在確定末端裝置水量有幾種思路:根據室內冷負荷及進出末端裝置的水溫差確定水流量;根據末端裝置額定水量來確定 (也有人按風機盤管中檔水量以及空調箱和新風機組高檔水量來確定)。在確定管路水量時將各末端水量疊加,但當疊加水量與系統總水量相同時,管路水量不應再增加。

(2)管路比摩阻

關于管路比摩阻取值,很多手冊都給出了建議值,即在計算沿程阻力時單位長度摩擦壓力損失(比摩阻)宜控在100～300Pa/m之間。

(3)末端裝置水阻及相關部件的局部阻力

對于局部阻力,需要了解常用的彎頭、三通、過濾器、變徑管 (大小頭)、止回閥、截止閥、球閥、蝶閥、閘閥等的局部阻力系數,另外還需要了解常用末端裝置的水阻。

表1 常用風機盤管的水阻

由此可看出風機盤管的水阻不同廠家的產品出入還是比較大的。在選型應以注明,否則必須在水泵設計中留有足夠的余量 (事實上不同廠家的冷水機組、熱水機組的水阻偏差也比較大),另外在進行水力平衡設計中也應有足夠的關注。

2.3 平衡閥的設置

當出現規范中提到的情況即 “并聯環路之間壓力損失差額大于15%”時需要考慮設置平衡閥。為了滿足設計條件下的水力平衡,僅設置靜態平衡閥就可以,其目的就是為了滿足各并聯環路在設計工況下,可實現環路之間的壓力損失阻力差不超過15%。從目前工程實際來看,設計師多在各層回水管上設置靜態平衡閥。

但目前也有一種傾向認為設置靜態平衡閥沒什么用途,調試也麻煩。如果調試效果不好,責任都在安裝單位。

下面筆者通過二個案例來說明何時需要設置靜態平衡閥?如何設置靜態平衡閥 (靜態平衡閥不是可有可無的)?

案例一:某賓館有相鄰上下二層,上層為餐飲包廂層 (空調風系統采用新風加風機盤管),水系統按同程設計管長80米,風機盤管水阻25 kPa,電動二通閥水阻也取6.25 kPa。下一層為餐飲大廳層 (空調風系統采用組合式空調箱的全空氣系統),水系統也按同程設計管長為50米,空調箱水阻60 kPa,電動調節閥的水阻也取60 kPa。如果比摩阻按300Pa/m,局部阻力系數取1.3,那上層水系統阻力為62.45 kPa,下層水系統阻力為139.5 kPa,這二個并聯水環路壓力損失差額為55%,按規范要求必須采用平衡措施,我們一般都在這二個并聯水環路的回水管上設置靜態平衡閥。

案例二:某賓館客房層空調風系統采用新風加風機盤管系統,風機盤管與新風機組合用一路水系統。盤管在水路按同程設計,管長為100米,新風機組在水路按異程設計,管長為8米,風機盤管水阻30 kPa,其電動二通閥水阻取7.5 kPa。新風機組水阻40 kPa,其電動調節閥水阻取40 kPa。如果比摩阻按300Pa/m,局部阻力系數取1.3,那盤管在系統中的水阻力為76.5kPa,新風機組在系統中的水阻為83.12 kPa,這二個并聯水環路壓力損失差額為8%,按規范要求新風機組與風機盤管二者之間的并聯環路上不需設置平衡閥了。

2.4 靜態平衡閥布置原則

靜態平衡閥布置原則有二點:其一各個并聯支管路上應同時安裝;其二靜態平衡閥既可裝在供水側也可裝在回水側,但從避免氣蝕的角度看,裝在回水側要好些。有資料介紹 “靜態平衡閥應分級安裝,即干管、立管、支管上均應安裝”,關于這一點筆者不敢認同,按規范中只有當并聯環路壓力損失差額達到15%時才需要考慮設置靜態平衡閥,而對于只有若干并聯支路存在壓力損失差額的情況下,就要讓整個水系統的各級管路均設平衡閥,這似乎有點不合理。

2.5 靜態平衡閥選型與標注

根據支路水流量和支路設計阻力利用圖 (或表)查得閥所需的KV值,以及根據目前大家認同的閥開度在50%～100%時調節精度最高的原則來選用靜態平衡閥。也有設計人員僅提供閥的KV值由供應商自行選型。但目前筆者看到一些圖紙中很少有標注靜態平衡閥的KV(流通能力)值,所以有些安裝單位只好根據管徑來采購,這對今后的調試與使用都帶來不少麻煩 (按KV值所選的閥門口徑都要比閥所聯接的管路管徑要小一至二號)。一個正規的靜態平衡閥應具有開度指示、機械記憶、壓差與流量測試點這幾個基本功能。

3 幾種常用平衡閥

除了前面提到的靜態平衡閥外,目前工程中在用的還有自力式流量平衡閥 (又稱動態平衡閥),自力式壓差平衡閥、組合式平衡閥 (動態平衡電動調節閥、動態平衡電動二通閥)。

自力式流量平衡閥又稱動態平衡閥,主要用于控制末端流量保持恒定 (進出口壓差維持在一定范圍時),目前工程主要用于定流量系統冷水機組的冷凍水、冷卻水出水口處,以保持進入冷凝器和蒸發器的水量保持不變。也有設計師將這種閥與電動閥合用在空調箱、風機盤管的回水管上以維持末端水量恒定。但這種做法可以用動態平衡電動調節閥或二通閥代替。有一點要注意:自力式流量平衡閥是不應當用在支路上的。

自力式壓差控制閥主要用在支管上 (也可設在風機盤管、空調箱等末端裝置上),可設在供水支管也可設在回水支管上,以控制該支路供回水壓差保持恒定。可以使該環路與其它環路互不干擾 (但要注意的是這種恒壓差是在一定流量范圍內的)。

動態平衡電動調節閥和動態平衡電動二通閥均是組合閥,均用在風機盤管和空調箱等末端裝置回水管上,用于控制末端裝置水量恒定 (在一定壓差范圍內)。

4 常見水系統水力平衡分析

以常用的一次泵變流量系統為分析對象。上述幾種平衡閥在目前工程實際中均有使用,也達到了使用的目的,多數項目反映也不錯,但就是對于動態平衡電動調節閥 (二通閥)的使用爭議較大。有些人認為采用這種閥門可使末端流量始終保持恒定,有利于室內溫度的保證和節能。也有人認為采用這種閥門會使工程造價提高,增加業主負擔,而且設計師設計時做水力平衡也簡單容易了。大量采用這種閥門優點是很明確的:其一可以保持水系統的動態平衡,并且簡化了平衡計算。其二可以比較準確的控制室內溫度,節約能源。當然缺點主要是投資較大。

筆者在此探討一個問題:對于一個設計合理的水系統,可以完全達到靜態平衡時,根據可預見的負荷波動是否需要設置動態平衡電動調節閥 (或二通閥),才能保證末端水量在合理范圍內 (不小于設計值的20%,這也是規范要求的)。下面筆者以一個典型工程案例來說明這個問題。

某賓館水系統采用一次泵變流量,冷凍水泵配置了變頻裝置,每臺水泵的水量調節范圍依據冷水機組制造廠家的要求控制在70%～100%范圍內。水系統分為四路即大堂即首層服務區 (大堂及大堂吧、商場)、餐飲區、客房區、娛樂區。

本文以客房區為例來分析。客房區共15層,每層有客房30間。空調風系統采用新風加風機盤管,考慮水系統平衡方便在客房區水系統中又分為二路立管即新風立管和風機盤管立管,立管均采用同程設計,每層風機盤管水系統也采用同程設計(如果在某種條件下必須設,那再研究全部改為異程式;另外,需要考慮分析支管設壓差旁通所可彌補的)。

如果在某個經營淡季整個客房區只有部分層面投入使用,其中有一個層面只有部分客房投入使用。這時該層的水系統運行狀況:立管供回水壓差值基本上是恒定的,這是因為新風機組立管和風機盤管立管均接至冷熱源機房的分集水器,而一次泵變流量系統在分集水器上設有壓差旁通閥,以此來控制供回水壓差。

首先分析該層風機盤管水系統在全部盤管和部分盤管投入使用時流量的差異:

當該層全部風機盤管均投入使用時,該層供回水支管壓差為:

式中:

H1—供回水立管壓差,Pa;

S1—該層水平支管阻抗,Pa;

S—每臺風機盤管及其電動二通閥的阻抗,Pa;

n—該支管系統全部風機盤管數量,臺;

Q1—該支管系統全部風機盤管均開啟時每臺盤管水流量,m3/h,本例假定該支路中所有盤管型號均一樣。

當該層只有部分風機盤管投入使用時,該層供回水支管壓差為:

式中:

H2—供回水立管壓差,Pa;

S1—該層水平支管阻抗,Pa;

S—每臺風機盤管及其電動二通閥的阻抗,Pa;

m—該支管系統部分開啟的風機盤管數量,臺;

Q2—該支管系統部分風機盤管開啟時每臺盤管水流量,m3/h,本例假定該支路中所有盤管型號均一樣。

假定在每層供回水支管上設有自力式壓差控制閥,這樣該供回水支管之間的壓差是不隨盤管開啟數量影響的。即H1=H2。

通過比較式 (1)和式 (2),可看出以下幾點:

1)二式比較,當該層只有部分盤管投入使用時,流入每臺盤管的水量要比該層全部盤管投入使用時流入每臺盤管的水量要大。

2)每臺盤管流入水量增加的因素取決于S1與S的關系,當前者遠遠小于后者時,流量變化相對較小;另外當m與n差距較大時流量變化相對較大。

具體差異有多大,我們通過下面的分析可以看出:

假定該層支管系統沿程阻力取300Pa/m,管長為200m;局部阻力系數均取1.3,該樓層有風機盤管30臺,額定設計水量取0.8m3/h,假定每臺型號均一樣,該層供回水支管流量為24m3/h。

經計算該層供回水支管水阻為78kPa,假定風機盤管及其電動二通閥水阻分別取 25 kPa和6.25kPa。通過計算可以得出阻抗數:該層支管阻力特性系數S1為135(Pa/m3h),S為48828(Pa/m3h)。這樣層供回水支管壓差在額定流量時為109kPa(30臺盤管全部開啟時)。

表2 該層支管上不同盤管開啟數量時每臺盤管水流量比較

從表2可以看出,隨著支管開啟盤管數的減少,每臺盤管通過的水量逐浙增大。因此可以認定,目前常用的在風機盤管回水管上設電動二通閥的變水量運行方式,當支管上 (事實上對同一水系統支路上的所用末端這個分析也是成立的)有盤管逐浙停止使用后,通過其它盤管的水量是無法控制在盤管原設計水量上的,這就會造成通過盤管的水溫差減少,這是不利于節能的。也正是基于這點,在《全國民用建筑工程設計技術措施-暖通空調,動力》(2003)6.7.6中指出 “變流量空調水系統當采用平衡閥時,可按下列原則選用:風機盤管冷水出口宜設動態平衡電動兩通閥”。

在筆者看來,這個 “宜”字的具體掌握在于設計師需要判斷在這個水系統支路上末端的同時 (或多數)開啟數量和時間,如果有可能常有部分盤管停止使用的系統 (象某些賓館的客房區)就需要考慮采用動態平衡電動二通閥了,而象辦公樓這類建筑除夜晚加班較多外 (這種情況下系統中盤管開啟數量少,但時間不會很長),平時就不容易出現這種現象。

另外,上述分析也說明水系統分區的重要性,如果把不同功能、不同使用時間的區域設置在一個水系統支路上,很容易出現系統中有大量末端未投入使用的現象 (如賓館水系統中將會議與餐廳合在一個支路上),如末端仍用電動二通閥,那么投入使用的部分盤管水流量會出現較大值。

5 小結

1)空調水系統設計中為實現水力平衡應合理劃分水系統 (根據區域功能、工作時間等)、正確布置管路 (合理的同程或異程布置、盡可能將阻力特性相近的末端劃分在一個支路上等)。

2)水力計算是不可少的,可以發現各支路之間的阻力差異,為合理配置平衡閥提供條件。

3)當出現二條并聯支路阻力損失差額達15%以上時,應在支路上設置靜態平衡閥。當有一支路需要設置靜態平衡閥時,應對其全部并聯支路均設靜態平衡閥,靜態平衡閥選型應以閥的KV為依據。

4)當某一路水系統中其末端裝置經常出現部分停用時 (如賓館的客房區水系統中的風機盤管),應考慮在風機盤管的回水管上設動態平衡電動二通閥,在新風機組和空調箱的回水管上設動態平衡電動調節閥。

[1]中華人民共和國國家標準.采暖通風與空氣調節設計規范GB50019-2003[S].

[2]中華人民共和國國家標準.建筑節能工程施工質量驗收規范GB50411-2007[S].

[3]全國民用建筑工程設計技術措施.暖通空調動力[S].

[4]全國民用建筑工程設計技術措施節能專篇.暖通空調動力[S].

[5]潘云鋼.高層民用建筑空調設計[M].北京:中國建筑工業出版社,1999