【新手入门】集中空调冷、热水系统的一级泵二级泵设计

集中空调冷（热）水系统指的是将空调冷（热）水集中配制后，送至房间或区域空调末端设备并承担相应的空调冷热负荷的冷（热）水系统。集中空调水系统的特点是：冷热源装置集中设置，并对生产的冷（热）水通过水泵和相应的管道，输送至空调区域末端设备中，对于空调区域进行制冷（或供热）。为了方便大家理解和设计集中空调冷（热）水系统，下面简单介绍一下集中空调冷（热）水系统方面知识：

集中空调冷（热）水系统的基本形式和构成进行分类
（1）按照空调末端设备的水流程，可分为同程系统和异程系统；
（2）按系统水压特征，可分为开式系统和闭式系统；
（3）按照冷热管道的设置方式，可分为两管制系统和四管制系统；
（4）按照末端用户侧水流量的特征，可分为定流量系统和变流量系统。



集中空调冷（热）水系统的特点：


空调冷冻水管由供水总管、干管和支管组成。各供回水支管和空调末端装置相连接，构成一个个并联回路。为了保证各末端装置应有的水量，除了需要选择适合的管径外，合理布置各回路的走向也是非常重要的。

（1）同程系统
同程系统是指系统内水流流经各用户回路的管路物理长度相等或相近。水流经同一层每个末端的水平之路供水与回水管路长度之和相等简称水平同程；水流经每层用户的垂直供水与回水的管路长度之和相等，简称立管同程；水流经每一末端的水平和垂直的供回水管长度之和均相等也称为全同程系统。

（2）异程系统
异程系统是指水流经每一用户的管路长度之和不相等。通常由于用户位置分布无规律，用户位置分布虽然有规律但有的用户供回水支管路较短，有的用户供回水支管路较长，造成各并联回路的管路物理长度相差较大。

（3）设计原则
同程系统的特点是：各并联回路物理长度相等。在同程系统中，如果末端设备水阻力基本相同，那么由于水在管道中的流程相同，设计时通常也对管路的比摩组进行适当的控制，可以认为各末端环路管道的水阻力相差不大，且水管路阻力与末端相比，所占比例相对较小，因此这时同程系统容易实现各并联回路之间的水力平衡。但为了使回路长度相近，有时需要耗费更多的管材。此外也往往需要增加竖向管井以及管井面积。
在异程系统中，平衡各回路水阻力的基础条件比同程差，通常需要更为合理的选择管径和配置相关的阀门。
值得特别注意的是：系统原理图而不是实际管道布置详图，原理图中管道长度相等并不代表实际的物理长度相等。而设计人员的主要目的也不是为了管道的物理长度相等，而是各并联回路的水阻力平衡。因此同程或异程的选择，在工程设计中，应根据具体情况进行考虑。 设计中通常有以下原则：
1）末端阻力相同或相差不大的回路宜采用水平同程系统。
2）当末端空调设备的设计水阻力相差较大或末端设备及其支路水阻力超过用户侧水阻力的60%、或设备布置较为分散时，可采用异程系统。
3）详细的水利平衡计算。不论采用同程系统还是异程系统，设计人员都应该进行详细的水力计算和各环路的平衡计算。通常的要求是：阻力最大的回路与阻力最小的回路之间的水阻力相对差额不应大于15%。
4）合理设计阀门。由于各种原因即使进行了详细的水力计算和调整，完全通过管径的选择来实现15%的不平衡率的目标是难以实现的。同时考虑到管道计算、施工变更、误差以及运行管理的需要，因此，在一定程度上需要利用阀门进行调节，一般建议各主要环路和末端处设置相应的有较好调节特性的手动或电动阀门。需要指出的是，由于阀门本身是阻力元件，存在一定的能量损失，也是初投资增加、维护工作量增加的组成部分。因而，不能随意的到处增加，而只是在系统设计合理的基础上合理的选择与设置。

2.开式系统与闭式系统

图3.7-3式空调水系统的两种最基本形式。
图3.7-3（a）是开式系统。水泵从水箱中吸入系统回水，进过冷水机组后供应到用户末端装置（或冷却塔），然后再回到水箱中。

在开始系统中，水泵的吸入侧应有水箱水面高度给予足够的静水压头，尤其是热水系统，应确保水泵吸入口不发生汽化现象。其次，应掌握的一般原则是： 水泵的扬程需要克服供水管和末端装置的水流阻力以及将水从水箱水位提升到管路最高点的高度差H，同时，如果H之不能克服末端之后的回水管阻力（ph），还需要增加一定的水泵扬程（H-Ph）。
显然，H较大时，水泵的扬程要求也是较大的，导致常年运行水泵的能耗也比较大。因此，目前开始系统在空调冷热水系统中应用相对较少。比较常见的情况是采用开式冷却塔的空调冷却水系统和谁许冷的一次系统，他们的共同特点是H较小。
由于开始系统中，不同高度差上设置的空调末端回路的水压差都是变化的，这种情况下通常只能通过末端阀门的初调节来使末端两端的压差相同，因此这是采用同程系统的意义不大。

图3.7-3（b）所示的闭式系统是一个 封闭的环路，其特点是：系统不运行时，环路中的同一高度上的任一断面的水压力都是相等的；系统运行时，水泵的扬程只需克服系统的整个水流阻力，而与系统的高度无关。因此，对于有一定高度的系统来说，闭式系统通常比开始系统的水泵扬程低，电力装机容量减少，具有一定的运行节能优势。同时，由于水和空气的接触面积少甚至与空气隔绝，使得系统内水质能够长时间的得到较好的保证，有利于系统可靠运行。正因为上述优点，闭式系统在目前空调冷热水系统中应用最广泛的一种形式。
由于水具有一定的热胀冷缩的特点，为了确保系统安全，闭式系统应考虑水受热膨胀后的系统泄压问题，通常采用的闭式膨胀罐或者开式膨胀水箱。应当指出，开式和闭式的区别，是以系统中的水压特征为评定标准的，因此不能将设置了开式膨胀的系统称为开式系统。




冷、热源利用同一组供、回水路为末端装置的判官提供空调冷水或热水的系统称为两管制系统（一供一回两条管路）；冷热源分别通过各自的供回水管路，为末端装置的冷盘管和热盘管分别提供空调冷水和热水的系统称为四管制系统（冷、热水分别设置供、回水管，供四条管路）。

（1）两管制系统的特点
两管制系统的特点是冷、热源交替使用（季节切换），不能在同一时刻向末端装置供冷水和热水，适用于建筑物功能相对单一、空调尤其是精度要求相对较低的场所。由于管路较少。其投资相对较低，所占用的建筑内管空间也就比较少。

（2）四管制系统特点
冷热源可同时使用，末端装置内可以配置冷热两组盘管，已实现同一时刻向末端装置同时供应空调冷水和热水，可以对空气进行冷却＿再热处理，满足相对湿度的要求。此外，在分内、外区域的房间内或供冷、供热需求不同的房间，通过配置冷、热盘管或单冷盘管等措施，可以实现各取所需的愿望。因此，四管制系统适合对于室内空气参数要求较高的场合，有时甚至是一种必要的手段。但投资较高，占用管道空间相对较大。
以上提到的两管制与四管制系统，都是针对末端空调设备来说的，对于夏季供冷、冬季供热的集中空调水系统而言，其冷、热部分一般都是四管制的，除非冷热源设备具有一机多能的特点，例如热泵式冷（热）水机组、直燃式冷（热）水机组等。具体到冷、热水机组的应用时，通常都是采用两管制方式。




通常将空调水系统的位置结构上分为两部分：冷、热源侧（冷、热源机房内）水系统和用户侧（机房外）水系统。对于定流量系统和变流量系统的区别针对用户侧而言：在系统运行全过程中，如果用户侧的系统总水量处于实时变化过程中，则将水系统定义为变流量系统；反正为定流量系统。

（1）定流量系统
定流量系统是指空调水系统中用户侧的实时系统总水量保持恒定不变。对于房间温度等参数的额控制而言，只能依靠改变末端装置的风量或者通过三通阀改变进入末端装置的水量等手段来进行控制，或者不进行室内参数控制。


图3.7-5是房间空调末端装置配置了电动三通阀的定流量空调系统，它可以根据空调房间的控制参数，通过调节三通阀支流支路和旁流支路的流量，改变进入末端装置的水流量。从理论上看，在此过程中用户侧的系统总流量没有发生改变，一次这是一个定流量系统。如果末端装置不设任何流量控制阀门，则更是一个典型的定流量系统。定流量系统的控制比较简单，水系统运行过程中，出来设置多台水泵系统依靠水泵运行台数的改变来改变能耗外，不能做到实时的节省能源。 定流量系统除了存在能耗上的不节省外，还存在以下一些固定的缺点：

1)设两台冷水机组的定流量系统。
系统在运行时，及可能会出现运行节能与满足需求的较大矛盾。因为一栋建筑有多个朝向，或者其各个区域的房间空调系统在使用时间上一致。以此必然出现个空调系统的负荷率不是同步发生变化的情况
以图3.7-5为例，假定该建筑有两个规模同等的大型会议厅组成，其集中系统设置了两台冷水机组，两个末端空调设备的供冷量与冷水机组的供冷量相对应。当两个会议厅都满负荷运行时，系统运行时正常的。如果两个会议厅都处于50%的空调负荷时，可以停止一台冷水机组及对应的冷水泵等设备，系统也能正常运行。
从水泵的运行参数来看，由于水系统阻力系数没有发生较大变化，当停止一台水泵时，正在运行的水泵必然处于超流量工作状态。这对于水泵的能耗是非常不利的，情况严重时，还会出现水泵电机过载、自动保护停泵的情况。
以上分析对于末端装置三通阀的定流量系统和末端不设置任何控制定流量水系统来说，同样会适合。当系统设置多台冷水机组时，上述情况将更为严重。



2)末端无实时控制的定流量系统
显然，由于不设置任何末端实时控制，低负荷是末端通过的水量超过了设计要求，将导致房间过冷（供冷水时）或过热（供热水时）。对于坊间采用风机盘管系统或全空气变风量系统来说，当然可以有使用人员根据自身感觉来对风机风速进行调整，但这与实际的节能要求存在较大的差距;对于采用定风量空调系统来说，风机的风量也无法有使用人员来手动调节。



（2）变流量系统
变流量系统中，用户侧的系统总水量随着末端装置流量的自动调节而实时变化。
1）一级泵变流量系统
所谓一级泵系统，是针对二级泵系统来说的，其特点是：系统中只设置一级泵来承担全部水系统循环阻力。图3.7-5和图3.7-6都属于一级泵系统。

在图3.7-6中，末端装置的流量随着二通电动阀的调节而改变，由于共给这些用户的系统总管流量也在实时变化中。如果考虑冷热源设备的流量变化情况，则以及泵变流量系统又可分为：一级泵压差旁通控制变流量系统和以及一级泵变流量系统两种形式。一级泵压差旁通控制变流量系统，这是目前应用最广泛的空调水系统形式。一级泵变频变流量系统，在形式上它与一级泵压差旁通控制流量系统基本相识。

一级泵变频变流量系统运行原理：当用户侧冷负荷需求降低时，通过变频器改变冷水泵的转速，减少冷水量的供应，从而使得冷水泵的运行能耗得以降低。尽管由于蒸发器的流量的减少，冷水机组的制冷效率会有所降低，使得这一过程冷水机组能耗增加，但近几年很多学者对此研究成果表明，系统全年运行的总体能耗依然会下降。也就是说，在一定范围内，冷水泵降低的能耗比冷水机组增加的能耗更多。也正是该系统在近年不断受到重视，不断用于实际工程的重要原因之一。
值得注意的是，就目前的产品而言，冷水机组内部允许的流量变化仍有一定范围，一般冷水机组的最少允许流量大约在额定流量的50%~70%左右，因此冷水泵的最低运行转速应被限制。达到最低限制时，如果用户需求进一步降低，则为了保证冷水机组的安全运行，整个系统只能按照前述的一级泵压差旁通系统来运行。




2）二级泵变流量系统
由一级泵和二级泵组成的变流量系统，很显然，系统的循环水阻力由两级串联的水泵来克服。其工作原理是：用户根据室温控制其发出的信号来调节两通阀流量或末端电动阀的开/闭，如常规的风机盘管控制，同时要求输配系统流量也做变化。于是利用控制二级泵的运行流量，使得输配管路的流量实时处于变化中，并达到供需平衡。当用户侧的总流量低于一级泵总流量时，冷源侧的流量又利用盈亏管保持恒定。在这样的系统中，配置末端装置二通电动阀是二级泵变流量的前提，二级泵机组能够相应的实时改变供水流量是实现节能的保证。
从上述的工作原理看出，二级泵系统的基础立足点仍然是冷水机组保持定水量运行，且该系统在整个运行过程中可能回避一级泵压差旁通控制系统节约一部分二级泵的运行能耗。



早期的二级泵系统控制方式是：二级泵定速、运行台数控制的模式。随着变频器的价格下降，目前大多数的二级泵系统的二级泵采用了变频调速的方式。这样更利于二级泵组的运行节能。因此，如果系统中只能在末端装置配置二通电动阀，但无图3.7-7中的压差旁通阀，或者图3.7-7中的二级泵组不能实时改变流量的话，那么，末端电动二通阀就可能无法正常工作。因为随着系统负荷的减少二通阀的开度减少，如系统不能对供回水压差进行控制，必然使得二通阀的工作压差增加。当压差值上升超过二通阀的额定关闭压差值时，会导致阀门关闭不严，达不到合理控制流量和节省二级泵组能耗的目的。
除了二级泵水系统以外，对于一些供冷半径较大的建筑物的集中区域供冷空调水系统，也可能采用多级泵系统，其原理与上述二级泵水系统的基本相似。



（3）集中空调冷水系统的设计原则与注意事项
1）定水量系统的适应性
如前所述，无论是设置了末端三通阀，还是末端设置任何控制措施的定流量系统，其系统都存在难以满足用户使用要求、水泵超流量运行的可能性，且能耗较大。因此该系统只适合于小型集中空调系统。规范规定：处理设备一台冷水机组的小工程外，不应采用定流量一级泵系统。

2）水泵与冷水机组的设置与连接方式
一般来说，冷水机组的水泵在数量上应采用一一对应的设置方式，保证了运行机组与水泵能够一一对应。通常有两种连接方式，在设计中应先优先考虑冷水泵与冷水机组一一对应的连接方式，其优点是各机组相互影响较少，运行管理方便、合理。当然，该方式的机房内实际管路布置相当复杂，需要合理设计布置机房内的管路。

冷水机组与冷水泵各自并联后通过母管连接的方式，其优点是机房内管道布置整洁有序。采用该方式时，必须于每台冷水机组支路上增加电动蝶阀，方能保证冷水机组与水泵的一一对应运行。当主机采用大小容量的搭配方式时，不宜采用，因为部分符合运行时，机组的流量分配比例与初调试结果产生较大差距。同时，冷水机组与冷水泵各自并联后通过母管连接的方式系统在系统连锁启动过程中，应采用水泵闭阀启动方式、或者冷水机组能够承受较大范围内的水流量降低的要求，否则可能导致机组的断水保护而停机。

3）一级泵水系统的压差旁通控制
一级泵变流量水系统必须设置压差控制的旁通电动阀，以保证冷水机组安全运行的最低时流量要求。系统中旁通阀的最大设计流量应为一台冷水机组的最小允许流量，据此，可以确定旁通阀的口径。

4）二级泵系统的盈亏管及各级泵的扬程设计计算。
盈亏管上不能设置任何阀门，理论上说在系统设计状态时，盈亏管中的水应为静止状态。由于二级泵水系统是一个两级泵串联的系统，为了保证设计状态时的盈亏管水的静止状态，其一级泵和二级泵的扬程必须通过精确的计算确定，使得盈亏管两端接管处的压差为零。同时，从系统特点上看，当调节过程中盈亏管内水流动时也希望其水力阻力越小越好，因此该管道的管径应尽可能大。
从实际情况来看，在设计状态下，盈亏管在供水管的接口处的压力略大于其回水管接口处的压力也是允许的。但无论是设计状态还是运行状态的任何调节过程，都应该绝对避免出现系统用户侧的回水通过盈亏管进入供水管的情况。因为这导致夏季用户侧的供水温度升高，用户末端也进一步要求供水量加大，从而形成一种恶性循环局面：供水量越大-回水混入供水越多-末端供水温度就越高-供水量越大。不但有可能严重不能满足用户要求，还导致系统的节能有点完全不能体现，甚至比常规的一级泵变流量系统的耗能增加。



5）二级泵水系统的压差旁通控制
与一级水系统相似，当二级泵采用定速台数控制方式时，应设置压差旁通阀，其功能与一级泵的变流量系统功能相同，旁通阀的最大设计流量为一级泵定速二级泵的设计流量。当二级泵采用变速控制时，为了保证二级泵的工作扬程稳定以及某时段的实际运行流量不至于过低，也宜设置压差旁通阀——在水泵达到最低转速限制值时开始工作，这时旁通阀的最大设计流量为一台变速泵的最小允许运行流量。

6）一级泵与多级泵的适应性
当集中空调系统过大时，如果采用一级泵压差旁通控制水系统，有时可能是水泵的装机容量很大，常年运行的能耗增加。
另外，大型集中空调系统多为区域集中供冷的模式。系统中会有多各供回水环路，分别负担该区域内不同建筑。由于各环路的作用半径或者水阻力特性不同，相互之间有可能穿在水阻力相差较大情况。若采用一级泵水系统，必然要求冷水泵的设计扬程按照组里最大的环路来选择，显然对阻力较小的水环路是一种浪费。而如果各水环路按照自身阻力情况设置独立的二级泵，对于整个水泵的合计装机容量将有可能减少。从实际水泵的特点来看对于目前常用的冷水泵，当其扬程变化超过50kpa时，其配套电机的安装容量通常会改变成一个配套成功率级别。
综上所述，一次泵系统适合中小型工程或负荷性质比较单一和稳定的较大型工程；如果系统较大、各环路负荷特性或水流阻力相差较悬殊时宜采用二级泵系统。

7）一级泵变频变流量水系统的设计原则:
A.适应冷水机组流量变化范围要求;
从目前的产品来看，当以5度作为冷水机组的额定供回水设计温度差时，离心式机组宜为额定流量的30%~130%，螺杆式机组宜为额定流量的40~120%。在实际应用中，超过额定流量的情况并不多，也不符合节能运行要求。因此，设计的重点要关注的是冷水机组对于最小允许的冷水流量的限制。在水泵变频调速时，必须保证其供水量不低于机组允许最小值，通常采用的措施是：对水泵的转速的最低值进行限制。
B.最大允许的水流量变化速率
水流量变化速率对于冷水机组是一个比允许最小冷水流量限制更为重要的参数，因为大多数冷水机组对于冷水流量的变化速率更为敏感。从安全角度看，目前的冷水机组能承受每分钟30~50%的流量变化率。从供水温度的影响角度来看，机组允许的每分钟变化率为10%。因此，以10%作为流量变化率的限制值比较适合，既满足了安全运行的需要，也满足了稳定供水温度的控制要求。

C.水泵变频控制策略
当前述2措施应用合理时，可以认定流量的变化对机组的供水温度影响不大。但是根据热力系统流量、温差和冷热量的关系，冷热量取决于用户侧的需求，而流量的变化则是对应需求的人工干预措施，因此流量的变化对于机组工会水温差会产生影响。采用何种参数作为水泵变频调速的控制目标，需要针对水系统的规模及特点来详细论证。既有采用温差的调控方式，也有采用系统供回水压差或者系统的总流量需求作为控制参数进行调控。
综上所述，目前三种常见的集中空调冷水系统，依据控制策略的不同又分为六种系统形式或模式，他们的主要特点见3.7-2表所示




（4）集中空调热水系统
集中空调热水系统，只是将冷源设备（冷水机组）换成热源设备（锅炉、热交换器或热泵式热水机组等），系统构成与冷水系统相似。但由于设备不同，在热水系统设计中，与冷水设计考虑的问题也有不同。

1）热源方式
当采用锅炉直接供应空调热水时，锅炉运行的安全性与冷水机组有相似之处，一般来说都需要保持一个稳定的热水流量。因此，热源侧宜采用定流量设计，末端系统则按照冷水系统的不同方式设计定流量或变流量系统——整个系统与一级泵系统压差旁通控制的变流量冷水系统具有相同特点。
当采用热交换器作为空调热水的供热热源装置时，由于热交换器并不存在低流量运行的安全问题，因此从运行节能角度来看，完全采用一级泵变频调速控制系统的变流量冷水机组系统的设计及方法相同。

2）水温及水流量的参数
在通常情况下，空调末端装置供热水时，奇热水供水温度与送风温度之差会远远大于供冷水时的同样温差。例如：常见的空调热水供水温度为55~60度，末端送风温度在25~30度左右，两者温差30度；空调冷水供水温度为7度，末端送风温度在16度左右，两者温差7~9度。从这种现象来看，显然供热水工况下的末端传热温差远远大于供冷水工况时的末端传热温差。因此设计中的空调热水的供回水温差可以选择比冷水系统大，以减少热循环流量，节约输送能耗。一般情况下热水的供回水温差可选择为10~15度