1 引言
　　隨著我國經(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，水泵作為為整個水循環(huán)提供動力的裝置，其耗電量在空調(diào)系統(tǒng)耗電量中又占有相當(dāng)?shù)谋戎?，因此，水泵的合理選擇和匹配，是空調(diào)水系統(tǒng)正常運行調(diào)節(jié)、實現(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)所需的流量和揚程等來確定的，但在設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)水泵設(shè)計失誤的問題，本文對中央空調(diào)系統(tǒng)水泵設(shè)計的一些問題進(jìn)行探討。

 
2 合理選擇水泵的揚程

　　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)計空調(diào)水系統(tǒng)時應(yīng)進(jìn)行必要的水力計算，根據(jù)設(shè)計流量計算出在該流量下管路的阻力，以確保選用水泵的揚程合理。在對流量和揚程乘以一定的安全裕量后，進(jìn)行水泵的選擇。有些設(shè)計人員未進(jìn)行設(shè)計計算，認(rèn)為揚程大一些保險，或因選不到合適型號的泵而選用揚程過大的泵，導(dǎo)致所選擇的水泵不能滿足要求，或者造成運行費用增加，甚至水泵不能正常工作，對此我們進(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)計流量，在此流量下，管路的阻力為Ha，即水泵的揚程為Ha，應(yīng)選用性能曲線如圖中曲線1所示的水泵，使工作點落在水泵性能曲線1和管路特性曲線I的交點A上。但若未進(jìn)行水力計算或為求保險而使所選水泵揚程過大，實際選用了額定流量為Qa，揚程為Hc的性能曲線為2的水泵的話，若不對管路進(jìn)行調(diào)節(jié)，則水泵的工作點將移至曲線2和I的交點B處，則此時系統(tǒng)中的水流量將大于設(shè)計流量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的揚程大于泵1。其所配電機(jī)功率也大，使得能源消耗增多，運行不經(jīng)濟(jì)。如某工程，設(shè)計選用離心冷凍機(jī)一臺，水流量為181 m3/h，配用兩臺循環(huán)水泵，一用一備，計算得設(shè)計流量下系統(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：水泵的工作點將為流量190m3/h，揚程27m，水泵軸功率19KW；但若認(rèn)為揚程大些保險而選用KQL150/400-45/4（水泵參數(shù)見表1），則作圖可知：水泵的工作點為流量250 m3/h，揚程46m，水泵軸功率44KW，從水泵軸功率的對比可以看出，兩者耗電量相差甚遠(yuǎn)。

表1水泵性能參數(shù)

 

　　

 

 

 

 

 

 

    對已配置好電動機(jī)的水泵來說，其電動機(jī)額定功率是一定的，軸功率隨著水泵的工作狀態(tài)點的變化而變化，當(dāng)流量大于額定流量時，就會出現(xiàn)水泵軸功率大于電動機(jī)的額定功率，也就是電動機(jī)過載的情況，當(dāng)然，水泵廠為水泵配置電動機(jī)會適當(dāng)考慮過載的問題，配置的電動機(jī)會大一些，但是，當(dāng)流量增大很多，過載嚴(yán)重的時候，同樣可能出現(xiàn)損壞電動機(jī)的情況。

　　為了保證流量等于設(shè)計流量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，使水泵的工作點落在曲線2和II的交點C處，此時流量Qc=Qa，揚程Hc>Ha，這種做法可以使系統(tǒng)流量滿足要求，且電動機(jī)不發(fā)生過載現(xiàn)象。根據(jù)泵的軸功率N=γQH/η（式中N為泵的軸功率W，γ為輸送液體的容重N/m3, Q為流量m3/S，H為揚程m，η為效率），水泵的一部分功率由于閥門的節(jié)流阻力ΔH=Hc-Ha而浪費，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)計流量181 m3/h，則應(yīng)通過調(diào)節(jié)閥門改變管路特性曲線，使水泵的工作點落在流量181 m3/h，揚程51m的點上，此時水泵軸功率為34W，閥門上消耗的阻力為51-24=27m，能量浪費嚴(yán)重。

　　另外，由于國產(chǎn)閥門調(diào)節(jié)性能較差，很難平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵的揚程。有可能出現(xiàn)閥門開大一些，電動機(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)流量計算公式G=0.86Q/ΔT（式中Q為空調(diào)負(fù)荷KW，ΔT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 浪費大量的電能。為節(jié)約能源，可考慮設(shè)計兩組定速泵分別供冬夏季使用，也可采用調(diào)速泵的運行方式。如果設(shè)計中冬季用泵和夏季用泵分別設(shè)置,并聯(lián)運行，冬季工況運行低揚程泵，將獲得顯著的節(jié)能效果。如某大廈冬夏季計算負(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180 m3/h，冬季80 m3/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45.4 KPa，現(xiàn)采用兩種設(shè)計方案：方案一是冬夏季不同負(fù)荷及部分負(fù)荷時共用循環(huán)水泵，采用三臺KQL100/150-11/2型號泵（水泵參數(shù)見表2），夏季兩用一備，冬季運行時只需一臺泵的流量就能滿足要求，而水泵的揚程遠(yuǎn)大于實際所需的壓頭，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型號泵（水泵參數(shù)見表2）三臺，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(兩臺工作)
流量93.5m3/h，揚程28m，電機(jī)功率11KW KQL100/150-11/2
（兩臺工作）
冬季 KQL100/150-11/2
（一臺工作） KQL80/90-2.2/2（兩臺工作）
流量44.7m3/h，揚程10m，電機(jī)功率2.2KW

 

　　設(shè)空調(diào)系統(tǒng)全年冬季運行時間為600小時，若采用方案一，則整個冬季水泵運行耗電為11×600=6600KW•h，方案二為2.2×2×600=2640 KW•h，兩者相差3960 KW•h，設(shè)電價為0.90元/ KW•h，則一年的運行費用將節(jié)省3564元?？梢?，冬季選用小流量，低揚程的循環(huán)水泵可降低耗電量，節(jié)省運行費用，但冬夏季采用兩組循環(huán)泵或采用調(diào)速泵會增加初投資，因此，實際空調(diào)水系統(tǒng)泵組方案的選擇要根據(jù)實際條件通過綜合經(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行以解決冬夏季對水泵要求不同的問題。

　　一般工程項目中配置的冷水機(jī)組都在2至4臺之間，對于規(guī)模很大的工程項目，甚至需要5臺以上的冷水機(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)對一泵，以保證冷水機(jī)組的水流量及正常運行，因此，目前我國空調(diào)水系統(tǒng)大多為有2臺或2臺以上水泵并聯(lián)的定流量系統(tǒng)或一次泵變流量系統(tǒng)?？照{(diào)設(shè)計時，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的需要。在實際運行中，空調(diào)負(fù)荷變化很大，不僅隨季節(jié)變化，而且一天24小時都在變，絕大多數(shù)時間空調(diào)設(shè)備是在低于額定值情況下運行，設(shè)計的高峰負(fù)荷出現(xiàn)的時間很短，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秒妱訖C(jī)過載，如圖4所示。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

    圖4為三臺相同型號的水泵并聯(lián)工作的情況，曲線1為單臺泵工作時的性能曲線，曲線2為兩臺泵并聯(lián)工作時的性能曲線，曲線3為三臺泵并聯(lián)工作時的性能曲線。管路的特性曲線如圖I示，在設(shè)計流量下，水泵的工作點為曲線3和I的交點A，此時系統(tǒng)流量為設(shè)計流量為3Q0，揚程為H0，每臺水泵都在額定流量Q0，額定揚程H0下工作。假如停掉一臺泵而不對管路進(jìn)行調(diào)整的話，這時水泵的工作點沿曲線I下降至與曲線2的交點B處，由圖可知，此時系統(tǒng)的流量將大于兩臺泵的額定流量2Q0，出現(xiàn)過載；如果再停一臺水泵，只剩一臺水泵運行的話，工作點再下降至C點，過載情況將更加嚴(yán)重。因此，水泵的運行人員應(yīng)在停掉一臺機(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，在單臺泵運行時，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。相對于國產(chǎn)水泵而言，進(jìn)口水泵配置的電動機(jī)普遍小一些，一旦流量大于額定流量，極易損壞電動機(jī)，因此，對于水泵運行人員來說，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，其揚程發(fā)生很小的變化就會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分別表示兩臺泵1和兩臺泵2并聯(lián)工作時的情況。在2臺泵并聯(lián)運行時，水泵的工作點的揚程與流量相同，但在一臺泵工作時，泵1的流量變化為ΔQ1，泵2的流量變化為ΔQ2，從圖中容易看出，ΔQ1<ΔQ2，即泵2過載的情況更加嚴(yán)重。因此在選擇并聯(lián)水泵時，除要注意設(shè)計工況時的性能參數(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14~18m，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，不會造成蒸發(fā)器和冷凝器承壓過大，也不會產(chǎn)生氣蝕，當(dāng)空調(diào)水系統(tǒng)靜壓大于50米時，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)計空調(diào)水系統(tǒng)時應(yīng)進(jìn)行必要的水力計算，確保選用水泵的揚程合理。對水泵揚程的選取不能認(rèn)為越大越保險，而要重視運行的經(jīng)濟(jì)性，避免隨意加大揚程。

6.2要重視中央空調(diào)循環(huán)水流量變化的特點，在夏季與冬季水量變化很大時，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)可靠高效運行。

6.3 在循環(huán)水泵采用并聯(lián)運行方式時，選擇水泵一定要按管路特性與水泵并聯(lián)特性曲線進(jìn)行選型計算。選型時，除應(yīng)注意水泵在設(shè)計工況時的性能參數(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。運行人員應(yīng)注意工況轉(zhuǎn)換時對閥門的調(diào)節(jié)。

6.4 在設(shè)計中，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)。