空调水系统工作压力及补水定压系统分析

现代社会建筑业迅速发展，高楼林立如雨后春笋般崛起，同时人们对建筑的舒适度要求越来越高，因此建筑内的空调系统是必不可少。如果把建筑比作人的话，那么建筑物内的空调水系统就像人体中有温度的血液一样，在建筑内不断流淌，流过空调系统的每一个设备，把清爽与温暖输送到建筑物的每一个角落，不断调节着建筑的体温，让建筑充满温暖与生气，人们可以在里面舒适地工作和生活。

人体的血液是有压力的，血压是否平稳，预示着人体是否正常，同样，空调水也有压力，空调水压力是否平稳也预示着空调系统能否正常运行。人体血压有一个相对固定的数值，或高或低都不正常，那么空调水的工作压力是否也有一个相对固定的数值呢？答案是否定的，在不同的建筑内空调水系统的工作压力各不相同。

如何确定空调水系统工作压力，并维持这个压力就像维持人体血压一样重要。维持空调水系统一定的压力主要目的是保持空调水系统有一定的充满度，使系统中所有设备都充满水，这样设备才能正常工作，但是压力过高就会损坏空调设备。因此，设计中，我们需要确定空调水系统的工作压力，这样我们设计的各个设备及管件就都可以参考这个压力选取，施工过程中就可以参考这个工作压力对管道进行压力试验，以确保系统的密闭性，防止泄漏。

设计过程中，系统的实际工作压力往往难以确定；理论上，系统各处的工作压力是静水压力加上水泵所形成的动力水头之和，但是某点处的实际水泵作用动力水头还需要扣除水泵出口到该点的水头阻力损失，而且水泵的工作点扬程还与管路的实际管网阻力特性有关，具体工程应用中管网系统中的管道及系统中的各个组件包括设备、阀门、弯头、三通等都会对系统的管网特性产生影响，同时系统运行中的各种调节机制也会影响管网阻力特性，所以实际管网阻力特性难以确定，水泵的实际工作点扬程就难以确定，也就导致实际管网工作压力难以确定。实际工程中，系统运行存在诸多的不确定性，就造成了系统实际运行工况与设计工况的差异，要弥补这个差异就需要设计工况有一定的容错度，我们可以在一定范围内增加设计工况各参数的余量，同时设置可调节装置等，尽可能保证设计工况与实际运行工况相匹配。

我们来分析确定系统的工作压力：水泵的扬程是指水泵能够扬水的高度，又称压头。可表示为流体的压力能头、动能头和位能头的增加，即：H＝(P2-P1)/ρg＋(V2 2 -V1 2 )/2g ＋Z2-Z1，公式中：H为扬程（m）；P1，P2为泵进出口处液体的压力（Pa）；V1，V2为流体在泵进出口处的流速（m/s）；Z1，Z2为进出口高度（m）；ρ为液体密度（kg/m 3 ）；g为重力加速度（m/s 2 ）。

空调水系统一般都是闭式循环系统，在一个运行稳定的闭式系统中，假设水泵位于系统最低端，水泵进出口高度基本相同可以忽略，水泵前后静水压力基本相同，同一管路水泵进出口流量相同则流速相同，水泵扬程即可简化为H＝(P2-P1)/ρg，因此可简单认为，水泵在出口处形成的压力可等效为水泵扬程H高水柱所形成的压力，再加上静水压力就等于水泵出口处工作压力。

水泵位于系统的高度不同，系统的工作压力就会不同，假设P为系统某点的压力，H为扬程，hz为从水泵出口到某点的总阻力，h为系统最高点到某点的高度，我们可以简单认为任一点的压力P＝H-hz＋h。因此，我们可以通过以下三种情况来分析管路工作压力：

第一种：循环水泵位于系统最低点，此种情况水泵出口hz最小h最大所以系统最大压力点位于水泵出口，我们可以把水泵的扬程加上系统总高差形成的静水压力看作水泵出口点的工作压力及P＝H＋h。

第二种：循环水泵位于系统中间位置，随着水泵（沿水流方向移动）高度的提升，水泵出口压力在减少，水泵进口方向的系统最低点压力在升高，但始终小于第一种情况中系统最低点的工作压力。

第三种：循环水泵位于系统最高点，当水泵继续沿水流方向移动，随着水泵高度的继续提升，直到达到系统最高点，水泵出口压力减到最小，系统最低点压力升高（为P＝H-hz＋h），由此看出，系统任一点的压力均小于第一种情况中系统最低点的工作压力。

因此在一般工程实际中，我们可以认为，系统任一点的压力均小于水泵扬程（在运行稳定的管路中，水泵的实际扬程与管路阻力相等），加上系统总高差所形成的压力即系统任一点的压力P≤H＋h，在此基础之上，我们再结合工程的实际情况，在合理范围内考虑一定的工作压力的余量，就可以给出一个确定的设计工作压力。但在每个工程中都有其实际情况的特殊性，我们要根据不同的情况来作具体的分析和判断。

工作压力确定了，我们要维持这个工作压力的稳定，就需要补水定压系统。顾名思义，补水定压系统就是通过给系统补水来保证系统的压力稳定，同时也要能吸收系统膨胀的水量。空调系统管路上有数不清的连接点，每一个连接点都可能是一个泄漏点，所以系统运行过程中，管路中的水就有可能泄漏减少，管路清理污垢也需要排水，水量减少就会引起系统压力减少，同时由于空调系统负荷的波动引起流量及水温的不断变化，系统中的水就会不断地膨胀和收缩，也会引起系统压力的波动，因此需要不断地调节系统中的水量，来稳定系统的压力。膨胀了，我们就需要把多余的水排出去防止超压；收缩了或水泄漏了引起压力不足了，我们就需把水补充进去。

为了使系统的压力足够稳定，我们通常需要保持系统最高点，即系统顶点也要有一定的压力。通常补水定压的方式有：

高位膨胀水箱加补水泵、气压罐加补水泵、变频水泵加超压泄水装置等多种方式。在系统压力较大的系统中，尤其是压力接近设备允许承压能力的系统中，应优先选用高位膨胀水箱加定频补水泵补水，“当采用高位膨胀水箱定压时，应通过膨胀水箱直接向系统补水”，因此补水泵的补水管应直接接入膨胀水箱，膨胀管接在水泵吸入口，以防系统超压；气压罐定压，适用于水质净化要求、含氧量要求较高的采暖或空调循环水系统，且安装位置较灵活，易于实现自动补水、自动排气、自动泄水和自动过压保护等；变频补水泵定压的方式运行稳定，用于规模较大、耗水量不确定的系统，不适用于中小规模的采暖或空调系统。

我们以高位膨胀水箱和气压罐定压补水系统为例，来分析下定压补水系统的设计过程，首先，我们要确定补水量Vb，暖通设计规范中规定：“空调冷水系统的设计补水量（小时流量）可按系统水容量的1%计算”，“补水泵设置2台，补水泵的总小时流量宜为系统水容量的5%～10%”；要确定补水量我们首先要确定系统水容量，但是在实际工程中，要确定准确的系统水容量是相当困难的，工作量也非常大，因此我们可采用单位水容量来估算系统水容量。空调水系统的单位水容量（L/m ² ）：全空气系统：0.4～0.55，水-空气系统：0.7～1.3，当我们确定了空调系统的面积后，就可以估算系统水容量了。

我们还需要确定补水泵的扬程。如果是高位膨胀水箱补水定压，我们确定水箱高度后，就可以确定补水泵的扬程了，即扬程不小于H＝h+hz+1+1+5（m），h为系统高度，hz为补水泵到补水点的阻力；气压罐定压系统的补水泵扬程的确定，可以按规范：“补水泵的扬程，应保证补水压力比补水点的工作压力高30KPa～50 KPa”，确定补水泵扬程为：H＝h＋1＋1＋5（m），设P4为安全阀开启压力（补水点允许工作压力），膨胀水量流到补水箱时的电磁阀的开启压力P3＝0.9P4，补水泵启动压力P1＝h＋1＋1，补水泵停泵压力：P2＝0.9P3。不同水温时，补水泵的开启压力与停泵压力也不同，我们也应计算确定。

定压补水系统是依靠膨胀水箱或气压罐来调节系统水量稳定系统压力的。高位膨胀水箱定压补水系统可以根据系统水容量及系统水温确定最大膨胀量Vp，并根据水箱调节容积Vt确定膨胀水箱的容积：V＝Vt＋Vp；气压罐定压系统中，气压罐的最小容积，Vmin＝（β×Vt）/（1-α），其中α为补水泵启动压力P1和停泵压力P2的设计压力比（KPa）宜取0.65～0.85，α＝（P1＋100）/（P2＋100），β为容积附加系数，囊式气压罐取1.05。

通过上述计算，我们确定了空调水系统的工作压力，确定了补水量选取了补水泵，确定了补水泵的扬程及定压系统的各项压力参数，确定了膨胀水箱或气压罐的容积，整套补水压系统设备就基本确定了。同时，我们应仔细校对各系统压力、系统设备的承压能力，及补水时和系统调节时系统的压力变化情况，以防止系统超压或压力不足。