1、 1 空调系统水力平衡浅析 摘要 本文揭示了空调系统水力平衡的意义，并结合项目实践对常见问题进行了 分析，提出了一些看法和建议。 关键词： 水力平衡； 动态、静态； 引言 空调系统中的水力输配由于管道长度不同，沿程阻力和局部阻力的不同， 而产生了的实际流量与理想流量的差异，使得流量分配不均匀，将导致空调系 统其他条件参数也会受到影响。所以系统的水力平衡问题是空调系统中是非常 重要的。 正文 1 空 调系 统水力 平衡 的意义 水力平衡的空调系统是运行节能和高效的，为了最不利环路获得需要的流 量盲目加大流量提高能耗是不明智的。 水泵与冷机能耗在整个空调系统中占有 50% 以上的比重。使水泵及冷机
2、高 效运行成为空调系统以及整个建筑物节能及高效运行的关键。而水力平衡正是 提高冷机、水泵效率的关键，同时也是最容易被忽视的一点。简单的水力平衡 问题，可导致投资昂贵的空调系统从一开始就处于低效运行的状况。 对于空调末端和整个空调系统，100%设备容量与变化的建筑负荷之间的矛 盾产生了一系列的问题，需要系统中的各种组件，水力平衡及控制相关部件乃 至水泵、冷机具备处理及匹配这种“固定”与“变化”的弹性。 2 空调 水 力平衡 现状 分析 常见水力平衡问题的产生原因可分为静态及动态两大 类。其中静态原因泛 指在系统中由于各环路管道长度不同，而产生的流量分配不均问题，而动态原 因泛指在 系统运 行过程
3、 中，由于 控制系 统需要 匹配 100%的 系统能 力 与变化的负 荷，而产生的水力平衡问题。静态水力平衡只存在与定流量系统或者是变流量 系统的调试工况和满负荷工况。而随着对于系统节能的需求，变流量系统成为 空调系统的主流。 因 此在 诸多水力平衡问题中，只有一部分是由于静态原因造 成的，更多的是由动态原因或动态及静态原因共同造成的。 由于条件制约及不可能完全采用同程系统，异程系统在实际的设计中，为 2 了保证最不利环路末端的使用压力，所有其他的空调设备末端的压力往往大于 设计工况的需要值，特别是在规模大、功能复杂的工程中，异程管线长，末端 设备的阻力差异较大及空调末端启停差异大的系统，在靠
4、近冷热源的位置，使 用压力余量过大，往往出现流量分配偏离设计状态，导致水力失调，流量的偏 差会产生冷热源近端的空调太凉或采暖不热，不仅使用功能不能保证，还造成 能源浪费。 3 常 见水 力平衡 问题 简析 3.1 近热远 冷及 系统启动 时间 长 原 因： 静态。 描 述： 在系统中由于各 末端路管道长度不同，造成系统中各末端水量分配 偏离。供热（冷）时近热远冷（近冷远热） ，靠近立管的末端设备总可以获得足 够多的能量，制冷制热效果好，而不利环路的设备制冷制热效果差；水量不足 的末端需要在经历很长时间后，在过流末端的控制阀进行后方能得到足够的水 量，从而造成启动的时间会很长，如图1 所示。 后
5、 果：此类水力平衡问题是最直观的水力平衡问题，假设为了满足少数远 端区域的要求，加大整个系统的容量，选择更大的水泵或者是冷热源（如图 2 所示） ，将会导致系统低效运行，同时近端区域也会出现过冷或过热的情况。 图1： 近热远冷及系统启动时间长 图2： 加大水泵 实例 分析 ： 在武汉某医药厂房水系统中，主支路全部为异程式，其最不利环路长 80 3 米，管径 DN50；最短环路 20 米，管径 DN100，系统运行压力 0.5MPa，最不利 环路基本达不到使用要求。 空调水系统在 调试开始时，正值夏季环境气温很高，在系统阀门未进行调 整的情况下，初期“近冷远热”现象相当严重，西部区域（近机房端）
6、空调机 组出风温度下降较快，而位于东部区域（系统末端）的空调机组出风温度则明 显 下降较慢，同时感觉出风温度高出许多，导致不同房间的温度差异比较明 显。 这是很典型的水力平衡问题，在 确定空调末端设备所需流量后，对手动调 节阀进行调节，初始的 为 全开状态， 调试过程不是很顺利， 往往是这边调整好 了，那边又不合适，因为对大型空调系统而言，采用手动调节法过程复杂，手 动调节前段阀门，后段的流量受影响，后段调节流量，前段流量又会变化，而 且手动调节阀不能精确的调节流量，因此调节起来费时费力，对于复杂的系 统，要求工程师有特别丰富的经验，反复调整，并且一旦系统压力变化或者负 荷变化仍需要重新调节
7、，于是我们把手动调节阀换成静态平衡阀，末端 的 沿程 阻力变小， 末端流量变大 ，出风温度达到预想的结果，在定流量系统、整 个系 统负荷变化不明显的前提下，这个问题得到了 的改善，此类问题在改造项目中 尤其突出。 3.2 水泵的 过热 、烧毁、过流 及 功耗 过大 原 因： 静态及动态。 描 述： 在静态工况中，由于盲目加大管径或者在选择水泵扬程时采用了过 大的安全系数，使得在系统中所需扬程小于水泵额定扬程，造成水泵工作状态 点偏离高效工作点，使得水泵的工作效率下降和功耗增加，同时电机发热，严 重时造成水泵电机的烧毁（参见图3、图4） 。 4 在动态工况下，由于系统内部分末端的控制阀关闭时，导
8、致系统内的压力 升高，使得其他盘管的水量增加，而根据盘管的散热特性，这种流量的增加并 不能带来与之相配的散热量的增加，而使得这些盘管所配用的调节阀动作幅度 小于将盘管水温降限制与设计值所需的动作幅度；此时导致系统处于低温差大 流量工况，而水泵功耗远大于实际所需。 同样对风机盘管的小型末端采用开关控制也会导致在部分负荷时流量大于 实际所需。对于盘管而言，即使通过流量为额定流量的200%时，盘管的热输出 也仅增加10%。从而使水在通过盘管时不能充分换热，导致系统出现小温差和 过流现象。在50%系统负荷时，由于散热盘管的热性，盘管实际仅需18%的流 量，而如果采用开关控制，则阀门会开启50%左右的平
9、均时间，在50%的开启时 间内通过100%的流量（或更多） ，相对平均的流量为50%，远大于实际所需的 18%。 后 果：此类水力平衡问题的静态部分，往往是由较为保守的水泵选型以及 管道水力计算造成，盲目放大管径以及对于水泵扬程附加了过多的安全系数。 该问题可以通过对系统水力平衡状态进行解 决，从而改善水泵工况点，降 低水 泵功耗。盲目更换水泵、或者为水泵加装变频装置，造成高额投资及运行费 用。 这种情 况在上 世纪 8090 年代 ，空调 开始大 规模进 入民用 建筑， 设 计院的 经验尚不丰富，加之人们传统的观念，选型往往偏大，而动态的过流问题，会 造成水泵的功耗大于实际所需。 3.3 室
10、内温 度波 动、稳定 时间 长 原 因： 动态。 描述：由于暖通换热系统及控制系统的特性要求，需要控制阀门的控制信 号与盘管热输出之间为线性关系。系统内平衡阀与控制阀选择不当，会导致阀 门控制信号与热输出之间的关系成为上抛型。在阀门小开度时，造成室内温度 波动；而在阀门大开度时造成室内温度的稳定时间过长。 后果： 温度波动及温 度的稳定时 间过长 ，会 导致室内舒 适度下 降， 同时导 致控制阀门的执行机构的“过劳” 。 3.4 冷机小 温差 综合症 原 因： 动态及其他 描 述： 当系统出现大流 量小温差运行时，传统的自动控制系统会根据流量 5 决定冷机启停台数，而开启的冷机均工作于部分负荷
11、下，而冷机效率在接近满 载时最高，部分负荷时效率会大幅下降。 而出现大流量小温差有很多原因，除去采用一次泵定流量系统、负荷侧变 流量冷机侧定流量系统、二次泵系统这三种系统本身的原因外，另一个更重要 的原因是未根据变流量系统选择正确的平衡阀和调节阀。而这类问题往往会被 忽视，或归因于冷机本身，而无法得到正确解决。部分负荷时，传统空调系统 的内温差远低于设计值。并且随着负荷的降低，情况进一步恶化。这种典型的 暖通空调系统，全年大部分时间是处于10%50%的部分负荷运行中的。 后 果： 冷机在小温差工 况下的效率降低，导致耗能大幅增加，严重时，离 心机等对负荷调节比较敏感冷机，会导致冷机的喘振和损坏
12、。同时由于系统小 温差大流量运行，系统的输送效率比较低，水泵功耗高，由于冷机和水泵能耗 在空调系统中占有很高的比重，因此对这两者的优化运行是提高整个系统效率 的关键。 实例 分析 ： 在某电子厂 房项目中，空调水系统运行初期，会发生整个机房 乃至附近房间噪声明显加大，甚至机组和楼板发生共振，震动随着墙体和管道 传到主车间，当整个系统有负荷变化的时候，这种情况就会好转。为了解决这 一现象，对机房内的管道增加了许多固定支架，但是效果甚微，然后就集中项 目部丰富经验的工程师，一起查找原因，最后经过对整个系统的排查，认定了 是低负荷运转而使冷机发生喘振现象。 因为离心式制冷机组，在压缩机吸气口压力或流
13、量突然降低，低过最低允 许工况时，压缩机内的气体由于流量发生变化会出现严重的旋转脱离，形成突 变失速，这是叶轮不能有效提高气体的压力，导致压缩机出口压力降低，系统 管网的压力没有突然降下来，使得气体从压缩机倒流，系统管网压力低至压缩 机出口压力时，气体向系统管网流动，如此反复，就出现了喘振现象。 为了解决这个问题，为每台冷机均设置了动态平衡阀，对系统水力分配情 况进行调节，当系统负载处于部分运行时，冷冻水流量减小的情况下，动态平 衡阀则根据所负担的支管路压力变化情况自行调剂其开启度，循环泵工作频率 亦随之变化，避免了大流量小温差运行工况，冷机质量效率提高，减少了冷机 的工作时段，同时减少了水泵
14、的功耗，并降低了系统的运行成本。 4 水 力平 衡方案 的要 点 系统的水力平衡方案或部件需要解决以下问题： 解决静态水力平衡问题，防止因静态水力问题导致冷热不均及水泵过流问 6 题；适应末端变负荷运行的要求，为末端提供从低负荷到全负荷全过程稳定的 水力工况；适应末端变负荷运行的要求，系统部分负荷运行时，导致系统压力 波动时，能将此压力波动吸收、屏蔽，避免影响末端调节阀两端压力波动；同 时防止欠流风险，最大程度发挥变流量系统的节能潜力；适应末端变负荷运行 的要求，提高末端调节阀的控制精度；适应系统变流量运行的要求，为冷机及 水泵提供高效运行的基础条件，消除系统小温差大流量运行现象。 5 空调
15、水 力平衡 应该 注意的 问题 ： 5.1 空调水 系统 应优先采 用一 次泵变 流量 系统 由于空调的水力平衡影响到整个系统的方方面面，同时也受到各方面的影 响，空调水系统应采用变流量系统，应优先采用一次泵变流量系统，以最大限 度提高系统在部分负荷时的效率；泵的变频控制应采用最不利环路定压控制， 以发挥系统节能潜力。系统水泵选择以及运行中优化设定时，应以计算和实测 相结合，避免保守的水泵选型造成系统功耗增加。 5.2 安装 静态 或动态 平衡 阀 结合工程实际情况，定流量系统用静态平衡阀，就是说在终端用户使用压 力和流量变化不大的情况下最好使用静态平衡阀，既达解决问题又起到了节约 的目的。
16、变流量系统用动态压差平衡阀，即在终端用户使用压力和流量变化较大的 情况下使用动态平衡阀，在一定的压力范围内限制末端设备的最大流量或自动 恒定流量，在大型、复杂、空调负荷不恒定的工程中，简化了系统调试过程， 缩短了调试时间，特别是在异程水系统中，可以很容易的实现水力工况平衡， 满足设计环境温度的要求，并且在空调系统的运行中，末端设备不受其他末端 启停的影响。在大型集中空调系统中，在空调设备（空气处理机及风机盘管） 末端装置设置平衡阀，通过三通或两通电动阀保证设备所需流量，平衡阀就实 现了水力工况调节。在冷热源、冷却塔、水泵等处设计管线受限时，用平衡阀 来避免负荷偏载，保证设备正常运行，精确的控制
17、室内的温度。 5.3 动态平 衡阀 不应多级 设置 在空调设置中，手动调节阀是多级设置的，而按照这一做法多级设置动态 平衡阀是不对的，如果下级的一个或多个设备关闭电动阀，而上级平衡阀仍保 持流量不变，则会造成下级未关闭的设备流量增加，不但加大了水流噪声，而 且也增加了不必要的投资。 7 结论 定流量系统与变流量系统是多种多样的，在这里只简单地分析几种典型的 形式。需要注意的是，在实际的工程设计中，应根据工程投资和系统的精度要 求合理地选用水力平衡设备，既要满足工程设计和技术规范要求，同时满足最 小投资和最低运行成本的方案。 参考文献： 1 陈沛霖、岳孝芳主编空调与制冷技术手册。上海，同济大学出版社 1990 年 2 陆耀庆 等主编供暖通风设计手册。北京，中国建筑工业出版社，1987 年 3 GB50243-2002通风与空调工程施工质量验收规范 张耀良等 北京 中国 计划出版社 2002
