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1、中央空调系统水泵设计的若干问题1 引言随着我国经济的持续发展，中央空调在商业和民用建筑中越来越普及，其能耗在社会总能耗中所占比例也在不断上升。暖通空调系统耗能约占建筑总能耗的65%左右，而在中央空调系统中，水泵作为为整个水循环提供动力的装置，其耗电量在空调系统耗电量中又占有相当的比重，因此，水泵的合理选择和匹配，是空调水系统正常运行调节、实现节能的关键。水泵的选择主要是依据空调系统所需的流量和扬程等来确定的，但在设计过程中，经常会出现水泵设计失误的问题，本文对中央空调系统水泵设计的一些问题进行探讨。 2 合理选择水泵的扬程空调系统中的水泵总是与特定的管路相连，其工作状态点由水泵的性能曲线与管路
2、的特性曲线共同决定（见图1）。 在设计空调水系统时应进行必要的水力计算，根据设计流量计算出在该流量下管路的阻力，以确保选用水泵的扬程合理。在对流量和扬程乘以一定的安全裕量后，进行水泵的选择。有些设计人员未进行设计计算，认为扬程大一些保险，或因选不到合适型号的泵而选用扬程过大的泵，导致所选择的水泵不能满足要求，或者造成运行费用增加，甚至水泵不能正常工作，对此我们进行如下分析： 如图2，曲线I为管路的特性曲线，流量Qa是系统设计流量，在此流量下，管路的阻力为Ha，即水泵的扬程为Ha，应选用性能曲线如图中曲线1所示的水泵，使工作点落在水泵性能曲线1和管路特性曲线I的交点A上。但若未进行水力计算或为求
3、保险而使所选水泵扬程过大，实际选用了额定流量为Qa，扬程为Hc的性能曲线为2的水泵的话，若不对管路进行调节，则水泵的工作点将移至曲线2和I的交点B处，则此时系统中的水流量将大于设计流量Qa，达到Qb，系统中出现大流量小温差的工作情况，且由于泵2的扬程大于泵1。其所配电机功率也大，使得能源消耗增多，运行不经济。如某工程，设计选用离心冷冻机一台，水流量为181 m3/h，配用两台循环水泵，一用一备，计算得设计流量下系统最大阻力为24m水柱高度，若采用上海凯泉KQL系列单级立式离心泵的话，可选用KQL150/300-22/4型（水泵参数见表1），由管路特性曲线和水泵性能曲线可知：水泵的工作点将为流量
4、190m3/h，扬程27m，水泵轴功率19KW；但若认为扬程大些保险而选用KQL150/400-45/4（水泵参数见表1），则作图可知：水泵的工作点为流量250 m3/h，扬程46m，水泵轴功率44KW，从水泵轴功率的对比可以看出，两者耗电量相差甚远。表1水泵性能参数 水泵型号流量（m3/h）扬程（m）电机功率（KW）KQL150/300-22/41872422KQL150/400-45/42005045对已配置好电动机的水泵来说，其电动机额定功率是一定的，轴功率随着水泵的工作状态点的变化而变化，当流量大于额定流量时，就会出现水泵轴功率大于电动机的额定功率，也就是电动机过载的情况，当然，水泵厂
5、为水泵配置电动机会适当考虑过载的问题，配置的电动机会大一些，但是，当流量增大很多，过载严重的时候，同样可能出现损坏电动机的情况。为了保证流量等于设计流量Qa，则应改变管路的特性曲线，通过关小水泵出口的阀门，使管路特性曲线由I变为II，使水泵的工作点落在曲线2和II的交点C处，此时流量Qc=Qa，扬程HcHa，这种做法可以使系统流量满足要求，且电动机不发生过载现象。根据泵的轴功率N=QH/（式中N为泵的轴功率W，为输送液体的容重N/m3, Q为流量m3/S，H为扬程m，为效率），水泵的一部分功率由于阀门的节流阻力H=Hc-Ha而浪费，加大了能量的损失，这是非常不经济的。同样以上例来说明，如果选用
6、了KQL150/400-45/4型水泵，为使流量保持设计流量181 m3/h，则应通过调节阀门改变管路特性曲线，使水泵的工作点落在流量181 m3/h，扬程51m的点上，此时水泵轴功率为34W，阀门上消耗的阻力为51-24=27m，能量浪费严重。另外，由于国产阀门调节性能较差，很难平稳地调节水泵的扬程。有可能出现阀门开大一些，电动机就过载，而关小一些流量就不够的情况。 3 冬夏季水泵的选取很多空调设计都是冬夏两用的，即随着季节的变化，为盘管供应冷水或热水。冬季热负荷一般比夏季冷负荷小，且空调水系统供回水温差夏季一般取5，冬季取10，根据空调水系统循环流量计算公式G=0.86Q/T（式中Q为空调
7、负荷KW，T为水系统温差，G为水系统循环流量m3/h），则夏季空调循环水流量将是冬季的2-3倍。假设冬季流量为夏季流量的1/3，系统设计采用双管制系统，即管路特性曲线冬夏季是一致的，由H=SQ2，得到H1/H2=Q12/ Q22，则冬季水泵流量为夏季的1/3，扬程为夏季的1/9。如用同一组定速泵则只能通过关小阀门的方法使系统正常运行，如图3所示，为保证冬季的流量，则应将管路特性曲线由夏季的I调整为冬季的II，这必然 浪费大量的电能。为节约能源，可考虑设计两组定速泵分别供冬夏季使用，也可采用调速泵的运行方式。如果设计中冬季用泵和夏季用泵分别设置,并联运行，冬季工况运行低扬程泵，将获得显著的节能效
8、果。如某大厦冬夏季计算负荷分别为840KW和1002KW，循环水温度夏季为7/12，冬季为60/50，循环水量夏季180 m3/h，冬季80 m3/h，夏季最不利环路损失为230KPa，根据公式H1/H2=Q12/ Q22，可得冬季的最大损失为45.4 KPa，现采用两种设计方案：方案一是冬夏季不同负荷及部分负荷时共用循环水泵，采用三台KQL100/150-11/2型号泵（水泵参数见表2），夏季两用一备，冬季运行时只需一台泵的流量就能满足要求，而水泵的扬程远大于实际所需的压头，只能靠关小阀门来消耗掉。方案二是冬夏季分设不同的水泵并联，采用阀门切换，此工程冬季用泵可选择KQL80/90-2.2/
9、2型号泵（水泵参数见表2）三台，两用一备。 表2两种方案水泵设置情况 冬夏共用泵组冬夏分设泵组夏季KQL100/150-11/2(两台工作)流量93.5m3/h，扬程28m，电机功率11KWKQL100/150-11/2（两台工作）冬季KQL100/150-11/2（一台工作）KQL80/90-2.2/2（两台工作）流量44.7m3/h，扬程10m，电机功率2.2KW设空调系统全年冬季运行时间为600小时，若采用方案一，则整个冬季水泵运行耗电为11600=6600KWh，方案二为2.22600=2640 KWh，两者相差3960 KWh，设电价为0.90元/ KWh，则一年的运行费用将节省35
10、64元。可见，冬季选用小流量，低扬程的循环水泵可降低耗电量，节省运行费用，但冬夏季采用两组循环泵或采用调速泵会增加初投资，因此，实际空调水系统泵组方案的选择要根据实际条件通过综合经济比较确定，一般回收年限以2-3年为宜。除分设泵组及采用调速泵的方案外，文献4还提出可通过计算，将水泵内的叶轮经车床进行精确切割。从而改变水泵的性能特性，因此，还可根据冬夏季的工况不同而采用直径不等的两套叶轮运行以解决冬夏季对水泵要求不同的问题。 4 多台水泵并联的设计与运行一般工程项目中配置的冷水机组都在2至4台之间，对于规模很大的工程项目，甚至需要5台以上的冷水机组并联工作。制冷站内的主机与水泵的匹配一般来说是一
11、机对一泵，以保证冷水机组的水流量及正常运行，因此，目前我国空调水系统大多为有2台或2台以上水泵并联的定流量系统或一次泵变流量系统。空调设计时，都是按最大负荷情况来进行设备选择以保证最不利情况时的需要。在实际运行中，空调负荷变化很大，不仅随季节变化，而且一天24小时都在变，绝大多数时间空调设备是在低于额定值情况下运行，设计的高峰负荷出现的时间很短，也就是说，空调水系统经常只有部分水泵工作，或只有单台水泵工作，这将引起水泵的轴功率也发生较大的变化，甚至会造成水泵电动机过载，如图4所示。图4为三台相同型号的水泵并联工作的情况，曲线1为单台泵工作时的性能曲线，曲线2为两台泵并联工作时的性能曲线，曲线3
12、为三台泵并联工作时的性能曲线。管路的特性曲线如图I示，在设计流量下，水泵的工作点为曲线3和I的交点A，此时系统流量为设计流量为3Q0，扬程为H0，每台水泵都在额定流量Q0，额定扬程H0下工作。假如停掉一台泵而不对管路进行调整的话，这时水泵的工作点沿曲线I下降至与曲线2的交点B处，由图可知，此时系统的流量将大于两台泵的额定流量2Q0，出现过载；如果再停一台水泵，只剩一台水泵运行的话，工作点再下降至C点，过载情况将更加严重。因此，水泵的运行人员应在停掉一台机后，将水泵出口阀关小一些，即增大管路的阻抗，使管路特性曲线由I变为II，在单台泵运行时，将阀门再关小一些，使管路特性曲线更陡，变为III，让水
13、泵工作在额定流量下。相对于国产水泵而言，进口水泵配置的电动机普遍小一些，一旦流量大于额定流量，极易损坏电动机，因此，对于水泵运行人员来说，了解水泵并联特性并正确操作是非常重要的。在设计过程中还应注意并联工作水泵的性能曲线，平坦型特性曲线的水泵，其扬程发生很小的变化就会引起很大的流量变化，从而引起水泵轴功率很大的变化。如图5所示，泵1和泵2的额定流量和额定扬程都相同，但泵2的性能曲线较泵1平坦，曲线11和22分别表示两台泵1和两台泵2并联工作时的情况。在2台泵并联运行时，水泵的工作点的扬程与流量相同，但在一台泵工作时，泵1的流量变化为Q1，泵2的流量变化为Q2，从图中容易看出，Q1Q2，即泵2过
14、载的情况更加严重。因此在选择并联水泵时，除要注意设计工况时的性能参数外，还应重视水泵的性能，尽量选择性能曲线陡的水泵并联工作。5 正确选择水泵的安装位置空调水系统中，水泵的安装方式通常有压出式和吸入式两种。见图6和图7，吸入式水系统是高层建筑常用的空调水系统方式，其特点是能减小制冷机蒸发器及冷凝器承受的压力，因而被广泛采用。但吸入式系统并不适用于所有情况，如某工程建筑高度为20m，冷热水机组布置在一楼，冷却塔及膨胀水箱布置在屋顶，采用图6所示的吸入式系统，因冷冻水、冷却水系统静压仅20m，而冷凝器、蒸发器的阻力损失为1418m，加上管道系统的阻力，导致循环水泵吸入口处出现负压，从而产生气蚀和水
15、击现象，系统不能正常运行。将吸入式系统改为压出式系统后，水系统恢复正常。普通的制冷机的蒸发器和冷凝器工作压力一般为1MPa，笔者认为，静压小于50米的空调水系统采用压出式系统方式较合理，不会造成蒸发器和冷凝器承压过大，也不会产生气蚀，当空调水系统静压大于50米时，则采用吸入式水系统以降低系统工作压力。6 结论6.1 在设计空调水系统时应进行必要的水力计算，确保选用水泵的扬程合理。对水泵扬程的选取不能认为越大越保险，而要重视运行的经济性，避免随意加大扬程。6.2要重视中央空调循环水流量变化的特点，在夏季与冬季水量变化很大时，采用分设循环水泵方案，或用调速水泵，或采用直径不等的两套叶轮，以节约能源
16、，保证系统可靠高效运行。6.3 在循环水泵采用并联运行方式时，选择水泵一定要按管路特性与水泵并联特性曲线进行选型计算。选型时，除应注意水泵在设计工况时的性能参数外，还应关注水泵的特性曲线，尽量选择特性曲线陡的水泵并联工作。运行人员应注意工况转换时对阀门的调节。6.4 在设计中，应根据空调水系统的静压值，合理选用压出式或吸入式系统。 参考文献：（1） 赵贤兵，李芳芹，李永存，空调循环水泵合理南京地铁冷水机组选择与全寿命周期费用分析一、项目背景南京地铁南北线一期工程项目南起小行，北至迈皋桥，是南京市快速轨道交通路网的骨干线路。线路全长16.90公里，设有13座车站，其中地下车站8座、高架及地面车站
17、5座。本工程8座地下车站均设有空调通风系统。车站冷冻机房一般布置在车站地下一层或地下二层。冷冻机房内设有水冷螺杆式冷水机组、清水泵等设备，为车站公共区及设备管理用房提供空调冷源。本工程每座地下车站设一至两个冷冻机房，每个冷冻机房内设有两至三台水冷螺杆式冷水机组。按照有关规定，对8座地下车站内的34台水冷螺杆式冷水机组采用国内公开招标的方式进行采购。从地铁工程运营角度考虑，在冷水机组选型参数基本确定的情况下，进行设备全寿命周期费用分析是选择冷水机组的关键所在。二、全寿命周期费用分析设备的寿命周期包含物理寿命、折旧寿命、技术寿命、经济寿命等，本文讨论的全寿命周期，更多地是考虑设备的经济寿命，即指设
18、备从开始使用到再继续使用在经济上已不合理为止的全部时间。冷水机组的全寿命周期费用由冷水机组设备投资及其使用费用组成。设备投资包括冷水机组供货价格、安装费等；设备使用费包括冷水机组能耗费、维修保养费、人员工资等。我们用价值工程为主的方法研究冷水机组选择与全寿命周期费用的关系。价值工程是着重功能分析，力求以最低的全寿命周期费用，可靠地实现对象的必要功能的有组织的创造性活动。价值工程的基本表达式为V=F/C，其中V代表价值，F代表功能，C代表成本，即全寿命周期费用。冷水机组选择的价值取向应是合理的功能配置、经济的全寿命周期费用下价值的提升。考虑到设备投资是通过市场公平竞争确定，冷水机组选择的价值工程
19、分析的主要思路放在确定合理功能，追求冷水机组使用费的降低上，特别是其能耗费用。三、冷水机组能耗费用分析1根据南京地铁南北线一期工程空调通风初步设计文件可知：（1）、远期高峰全线总设计计算冷量为20478kW；（2）、空调最小新风工况的室外空气焓：h70kJ/kg；空调全新风工况的室外空气焓：54kJ/kgh70kJ/kg；（3）、远期、中期、近期最小新风工况全线日平均单位小时冷负荷分别为：12287kW、8191Kw、6143Kw;（4）、远期、中期、近期全新风工况全线日平均单位小时冷负荷分别为：5369kW、3580kW、2685 kW；（5）、冷水机组远期、中期、近期运行工况分别为：7年、
20、10年、8年。2、冷水机组的电耗及电费查阅南京气象统计资料可知：在每日5：00-23：00（列车通行时间）内，全年最小新风工况为997小时、全新风工况为1209小时，则冷水机组年运行时间为2206小时且大部分时间冷水机组在部分负荷工况下运行。若参照ARI550-98关于“冷水机组在部分负荷工况条件下的制冷性能系数综合指标IPLV值（kW/kW）”即IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D，其中A、B、C、D分别为冷水机组在100%、75%、50%、25%负荷运行时的COP值（kW/kW)，并假设冷水机组的IPLV值为5.844（本项目投标文件所提供的IPLV值的算术平均值）、经
21、济寿命为25年、电价为0.6元/kW.h，则冷水机组在经济寿命期内的电耗为：（12287997+53691209）7+（8191997+35801209）10+（6143997+26851209）85.844=3311011785.844=56656601(Kw.h) 冷水机组在经济寿命期内的运行电费为：566566010.6=33993960(元)。3、蒸发器、冷凝器水阻电耗及电费蒸发器、冷凝器水阻电耗N=（L1H1+L1H2）(3600s)(kW)。其中L1、L2分别为蒸发器、冷凝器的水流量，单位为m3/h；H1、H2分别为蒸发器、冷凝器的水阻力，单位为Kpa；s为水泵机组的效率。经计算，
22、本项目投标文件所提供的蒸发器、冷凝器水阻电耗的综合算术平均值约为175kW。因本工程空调冷冻水、冷却水系统均为定流量，则蒸发器、冷凝器水阻在冷水机组经济寿命期内的电耗为：175220625=9651250(kW.h) 运行电费为：96512500.6=5790750（元）。4、冷水机组能耗费用与其初投资比较通过上述计算，冷水机组在其经济寿命期内的能耗费用为：33993960+5790750=39784710（元）。本项目冷水机组的投标报价算术平均值为1658万元，则冷水机组在经济寿命期内的运行电费约为其初投资的2.4倍（3978471016580000=2.4）。由此可见，冷水机组选择应充分重
23、视冷水机组在其经济寿命期内的能耗费用，尤其是与能耗费用紧密相关的机组IPLV值。若机组IPLV数值提高0.1，则其节约的能耗费用约为其初投资的3.45%（33993960-339939605.844/5.944）16580000=0.0345。四、南京地铁冷水机组的选择办法南京地铁南北线一期工程冷水机组的选择兼顾了功能与成本相关的诸多因素，遵循“公平、公正、科学、择优”的原则，采用综合评估法，选择能够最大限度满足招标要求、并能圆满地履行合同、对买方最为有利的投标人。力求做到合理的功能配置、经济的全寿命周期费用下价值的提升。在冷水机组的功能方面，评价的主要因素有：1、设计合理、机组可靠性高。“安
24、全可靠、功能合理、技术先进、经济实用”是南京城市快速轨道交通干线的总体目标，作为地铁环控系统的主要设备-冷水机组的选择必须服从这一总体目标。2、合格的制冷量。本项目招标文件要求：机组在名义工况的实测制冷量不小于投标人提供的机组在名义工况制冷量，并对机组制冷量测试办法及测试不合格所采取的措施作了详细规定。3、配置优良、结构紧凑。性能可靠的冷水机组必须有优良的配置保障，本项目招标文件对冷水机组主要零部件配置，尤其对冷水机组的核心部件-压缩机总成配置均有比较明确的要求。由于冷水机组均设于车站地下一层或地下二层，空间小，搬运困难，故要求所选冷水机组必须结构紧凑、可维护性好。4、良好的部分负荷调节性能。
25、鉴于地铁车站客流量不断变化，冷水机组大多数时间为部分负荷运行，要求冷水机组具有较宽广的冷量调节范围，且应采取一定的技术措施，以有利于部分负荷运行COP值的提高和有利于压缩机之间的互为备用。5、先进的控制系统。从地铁工程运营业员管理的角度出发，控制系统除保障冷水机组自身安全、高效运行外，还必须操作简便并能与智能化管理系统兼容，以便对机组进行远距离监视和控制。6、机组噪声低、使用寿命长。在冷水机组的成本方面，评价的主要因素有：1、投标报价及其合理性分析。最适合的报价应符合“价格=成本+合理偏低利润”的原则。2、较高的机组COP值、IPLV值。通过冷水机组的能耗费用分析与比较，对机组COP值、IPL
26、V值引起足够重视是非常必要的。3、较小的蒸发器、冷凝器水阻。过大的蒸发器、冷凝器水阻不仅会增加环控系统的运行费用，也会使与冷水机组配套的清水泵选型参数增大，导致清水泵投资增加。4、较低的设备维修保养费用。这就要求冷水机组特别是其主要零部件，如压缩机等必须性能稳定、可靠性高、使用寿命长、维修方便且费用低。在本项目整个招标过程中，值得研究和探讨的问题如下：1、由于国内尚无权威机构对地铁环境中冷水机组制冷性能系数综合指标IPLV值的计算方法作出规定，本项目冷水机组能耗分析采用了美国ARI550-98标准中IPLV值的计算方法，其中机组在部分负荷的运行时间占机组全年运行时间的百分比数值还有待进一步调研和验证。2、由于本项目投标人的心态不同，在其投标文件中提供的重要参数，如机组COP值、IPLV值、蒸发器、冷凝器水阻等数据的真实性、权威性均需进一步研究确诊。五、结语上述分析是本人的工作心得，但愿能对现在或将来选用类似设备的业主提供一点借鉴和参考，也提请广大空调制冷设备商能加强技术投入，在设备性能、可靠性上多下功夫，开发出更多、更好的功能配置合理、全寿命周期费用经济的空调制冷设备。