怎样选择空调循环水泵

2012-12-31

《采暖通风与空气调节设计规范》( GB50019 —2003) [1 ] 第6. 4. 4 条对二次泵系统的选用条件作出了规定:“中小型工程宜采用一次泵系统;系统较大、阻力较高,且各环路负荷特性或阻力相差悬殊时,宜在空气调节水的冷热源侧和负荷侧分别设一次泵和二次泵”;文献[ 223 ]等技术措施、标准中也有类似规定或论述。但笔者认为此条规定在语言文字、逻辑和技术方面均存在着明显的缺陷,虽然目的是为了节能,但由于表述不准确,一定程度上影响了工程设计的正确选用,甚至会造成投资增加和相对的能源浪费。

随着技术的发展和认识的提高,有必要对二次泵系统的选用条件深入思考,标准条文力争表述得更准确,以指导设计人员正确选用和设计空调水系统的设备配置形式,真正达到节能的目的。由于篇幅限制,本文不对一次泵(变频) 变流量等其他节能空调水系统进行详细分析。

1 规范原文的缺陷

1) 设置二次泵系统的原因之一是冷(热) 源侧需定流量运行,负荷侧采用变流量运行的水泵以减少输送能耗。虽然统称冷(热) 源,但设置冷水机组的冷源、设置直接供热的热水锅炉、设置板式换热器供热或供冷的热源、冷源等,各种情况均不相同。例如对于设置板式换热器供热或供冷时,一般情况下空调水循环泵可直接采用变频泵,没有必要采用二次泵系统;换热器前的一次冷热媒循环泵也显然不是文献[1]所指的一次泵;因此对系统和设备称谓应表述得更加准确,并应根据冷(热) 源情况和系统连接形式分别规定。冷水机组供冷的二次泵系统的各级循环泵为直接串联连接,而换热器前后水系统为间接连接,二次泵系统应专指直接连接系统。为了区别二者,本文暂将间接连接的换热器前、后一次水循环泵和二次水循环泵分对应简称为一次泵和二次泵,直接串联连接的冷(热) 源侧和负荷侧水泵分别称为一级泵和二级泵。

2) 对于“系统较大、阻力较高”的系统,就应该推荐采用二次泵系统,不应附加“且各环路负荷特性或阻力相差悬殊”的条件。后者是分区域设置二级泵的条件,二者应分别作出规定。

3)“各环路负荷特性相差悬殊”不应是设置二次泵系统的条件。“负荷特性”一般是指空调系统的使用时间、负荷变化范围、房间空调精度要求等,完全可以通过末端空气处理设备的水路控制解决,冷(热) 源则根据负荷侧的需要调节供冷供热量即可,与采用二次泵系统和分区域设置二级泵都无关。

4) 没有明确指出一个工程中常见、应设置二次泵系统且宜分系统设置二级泵的重要条件,即各系统供水温度要求不同。

2 设置二次泵系统的选用条件分析

同类冷(热) 源空调水系统的冷(热) 源侧阻力差别不大,一般不会超过20 m ,造成阻力差别的主要原因是负荷侧连接设备的管网规模和长度不同。如“系统较大、阻力较高”,就意味着循环泵装机功率较大,当空调水系统冷热源要求定流量运行时,在负荷侧设置变速泵则节能潜力较大,因此较适宜采用二级泵变速运行的二次泵系统。但定量判别“系统较大、阻力较高”的界限数值,文献[ 1 ]和其他标准或技术措施都未给出。文献[ 3 ]规定了空调冷、热水系统的能效比,并指出其适用于独立建筑物内的空调水系统,环路总长度一般在200～500 m 范围内,例如冷水泵扬程不超过36 m。但实际工程中,由于建筑布局和规模等诸多因素的限制,超大的建筑物很难将环路总长度和水系统能效比控制在文献[ 3 ]规定的范围内。笔者认为在实际工作中可按如下原则考虑:

1) 当环路总长度和水系统能效比满足文献[3 ]的要求时,根据工程规模、投资、机房面积等情况,可以选择一次泵系统,也可以选择二次泵系统。

2) 当环路总长度和水系统能效比不能满足文献[3]的要求时,不应采用冷(热) 源侧定流量的一次泵系统,应采用水泵能够变速运行而节能的二次泵(或其他) 系统。

3 分区域或分系统设置二级泵的选用条件及实例分析

3. 1 分区域设置二级泵

当同一供冷或供热站为多区域或多栋建筑服务时,若主机房未设在建筑或建筑群中心、或各区域距离相差较远,使得“各环路阻力相差悬殊”,则分区域分环路按阻力大小设置和选择二级泵,比设置一组二级泵更节能。但这里也有一个定量判别“阻力相差悬殊”的界限数值问题,文献[ 4 ]条文说明中认为阻力相差10 m 即为悬殊。对于管网长度为200～500 m 的一般工程,如管网总阻力为文献[3]规定的不超过36 m ,则负荷侧阻力不会超过20 m ,其中还有5～7 m 左右的末端空调机组及其电动调节阀阻力,剩余的管道阻力不会超过15 m ,各区域阻力差值达到10 m 的可能性不大,则意味着若以此为标准,一般工程均不需分区域设置二级泵。因此,用于取代文献[4] 的文献[3]将判别“阻力相差悬殊”的界限改为5 m ,理由是5 m 阻力相当于输送距离100 m 或送回管道长度在200 m 左右,水泵所配电动机容量也会变化一挡。

1) 实例1 。某约39 万m2 的大型会展工程,包括东、西2 组展馆建筑(各15 万m2 ) ,中间为1栋用于会议和服务的综合楼(约9 万m2 ) ,制冷站设置在综合楼地下机房,距东(西) 展馆设备单程输送距离约600 m。空调冷水采用二次泵系统,一级泵扬程为20 m ,克服制冷站内冷源侧管网阻力;因2 个展馆规模和管路长度相近,采用1 组4 台二级泵,扬程为30 m ;另为综合楼设1 组4 台扬程为21 m 的二级泵。本例管道总长超过了文献[3]规定的水系统能效比的计算条件(200～500 m) ,确实符合“系统较大、阻力较高”的二次泵系统的选用条件。2 组二级泵扬程的差值主要是机房至展馆的干管较长(单程管道长度约200 m) 和展馆本身规模较大造成的,机房至展馆的干管管径较大、比摩阻较小(控制在约100 Pa/ m) 、分支路的三通很少,但弯头较多,阻力为60 kPa ;展馆内部管网和设备阻力约为240 kPa 。

本例是2 个区域距离和管网规模相差较大的典型工程,2 组二级泵扬程的差值为9 m ,也没有达到文献[4 ]的“阻力相差悬殊”的界限,说明文献[3] 5 m 的界限数值相对合理,本工程分区域设置二级泵也为合理的空调水系统节能方案。

2) 实例2 。约6 万m2 的某教学建筑空调冷水采用二次泵系统,设置了2 大1 小3 台冷水机组,对应配置2 台490 m3 / h 和2 台160 m3 / h (一用一备) 的定流量一级泵,扬程为15 m。因建筑功能分为教室、办公、工艺性用房3 类,由于使用时间等“负荷特性相差悬殊”,设置3 套变流量二级泵系统,每个分系统设置3 台水泵(二用一备) 共9 台,其中单台水泵流量分别为300 ,240 ,280 m3 / h ,扬程均为25 m(说明各环路阻力相差不大) 。运行几年后,对该工程进行节能诊断后发现,由于每个分系统运行水泵为2 台,虽可变频但其调节范围有限,在每个区域低负荷时即使水泵流量调至小仍然过大,水泵长期在大流量、小温差下运行,且水泵速过低也影响其效率。负荷峰谷差较大的办公和工艺性用房的2 套二级泵尤为明显,在假期等仍需使用的低负荷时段供回水温差不足2 ℃。据了解,本例分别设置3 组二级泵的理由主要是,3 个区域的使用时间不同,某区域不使用时可以完全停止该组泵,因此较节能,且一组水泵检修时不影响其他区域的运行。但实际空调水系统的运行调节过程是:末端空气处理设备负荷需求减少或停止运行时,电动水阀关小或与风机联锁关闭,即使合用1 组二级泵,水泵根据末端流量需要进行台数调节依然可以停泵,且各区域的末端设备停止运行并不会影响其他区域。这种按区域分别设水泵节能的认识误区存在于很多专业设计人员头脑中,应引起注意。

在各区域阻力相差不大且要求供水温度一致时,合理的方案是合用1 套二级泵,水泵台数和流量的确定应与冷源设备的调节范围相匹配。合用的二级泵可以选择流量相同,也可以配置扬程相同的大、小泵;但不论何种配置,小泵的流量宜与小的一级泵相近,即与制冷机小负荷相匹配。本例如配置6 台相同水泵,每台泵流量约为190 m3 / h ,与原设计每组水泵均考虑富余量相比总流量小30 % ,且水泵已达6 台之多,不需再设备用泵,管道系统也变得相对简单。可见原方案(9台大流量泵) ,既浪费初投资,运行中又浪费能量。在尽量减少修改工作量和利用原有设备的前提下,对本工程提出的改进措施是:保留使用时间集中的教室二级泵系统,将办公、工艺性用房二级泵系统合并,共同使用4 台运行离心水泵。

3. 2 有不同水温要求时二级泵的设置

工程中常遇到一些空调系统所需水温与冷(热) 源供水温度或与其他系统的水温要求不同,但一般因系统规模较小不单独设置冷(热) 源。例如,干工况运行的风机盘管、冷辐射板等需要高于常规温度的冷水;低温地板辐射供暖水温低于散热器供暖甚至空调供暖的常规水温。这时可以采用再设换热器的间接系统,也可以采用设置二级混水泵和混水三通阀的直接串联系统。后者相对于前者有下列优点:1) 不增加换热器的投资和运行阻力;2) 不需再设置一套补水定压膨胀设施。图1 为典型的因各空调水系统水温要求不同而分系统设置二级化工泵的示例。

空调冷水分系统设置二次泵系统还有其他采用二次泵系统的情况,图2 为其中一例[5] ,采用热水锅炉直接供暖,设置供热量自动控制装置(气候补偿器) ,根据室外气温等变化,自动改变用户侧供(回) 水温度,对用户侧系统进行总体质调节;末端系统为变流量的双管系统,要求水泵变流量运行。但燃气锅炉要求供、回水温度(主要是低温时烟气酸性腐蚀问题) 和流量不能过低,与负荷侧在整个运行期对供、回水温度和流量的要求不一致,因此设置了变速二级混水计量泵和混水三通阀。这种情况属于“热源与负荷侧水温要求不同”,空调水系统不常见,因此可不在空调范围的标准和技术措施中出现,但供热系统原理和供冷是一样的。

4 结论

4. 1 有关规范、技术措施等对二次泵系统的选用条件的论述存在缺陷,对工程设计产生了一定的误导。笔者参与了一些技术措施和标准的修订,建议作如下修改。对于空调冷热水系统设备的配置形式,应经技术经济比较后确定:

1) 水温要求一致且各区域管路压力损失相差不大的中小型工程,可采用冷源侧定流量、负荷侧变流量的一次泵系统。

2) 负荷侧系统较大、阻力较高时,宜采用在冷源侧和负荷侧分别设置一级泵(定流量) 和二级泵(变流量) 的二次泵系统;当各区域管路阻力相差悬殊或各系统水温要求不同时,宜按区域或按系统分别设置二级泵。

3) 具有较大节能潜力的空调水系统,在确保设备的适应性、控制方案和运行管理可靠的前提下,可采用冷源侧和负荷侧均变流量的一次泵(变频) 变流量水系统。

4) 采用换热器加热或冷却的空调热水或冷水系统,应采用循环水泵变频的变流量系统。

4. 2 工程中是否采用二次泵系统和分区域设置

二级泵的参考建议如下:

1) 当环路总长度和水系统能效比不能满足文献[ 3 ]的要求时,不应采用冷(热) 源侧定流量的一次泵系统,应采用水泵能够变速节能的二次泵(或其他) 系统。

2) 负荷侧阻力差值超过5 m 时,宜分区域设置二级泵。