空调水系统的平衡与平衡阀

李 浙

(宁波市民用建筑设计研究有限公司,宁波315000)

1 对空调水系统平衡的有关要求

(1)GB50019-2003,6.4.8条中指出 “空气调节水系统布置和选择管径时,应减少并联环路之间的压力损失相对差额,当超过15%时,应设置调节装置”。

(2)GB50411-2007,11.2.11条中指出 “空调机组水流量偏差小于等于20%”。此条为强制性条文。

(3)《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调,动力》(2003)6.7.6中指出 “空调水系统应进行水力计算,各并联环路压力损失差额,不应大于15%”。

6.7.5中指出 “变流量空调水系统当采用平衡阀时,可按下列原则选用:风机盘管冷水出口宜设动态平衡电动两通阀,空调机组与新风机组冷水出口宜设动态平衡电动调节阀”。

(4)《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇,暖通空调,动力》(2007)5.2.8中指出 “空调冷水一次泵定流量系统管道连接形式和控制阀的设置,末端装置宜采用两通调节阀”。

5.2.10中指出 “空调冷水一次泵变流量系统的设计要点如下:末端装置应采用两通调节阀”。

以上几条是目前规范与技术措施中对空调水系统平衡与平衡阀使用的要求,是我们设计工作的指南,从这几条中可归纳以下几点:

1)空调水系统并联环路之间压力损失差额不应大于15%,否则应设置平衡阀。

2)空调末端装置实际水流量与设计水流量的偏差不应大于20%。

3)空调水一次泵变流量 (目前的主流水系统形式)中末端装置应采用两通调节阀。此阀即可是电动二通阀或电动二通调节阀,也可是动态平衡电动二通阀或动态平衡电动调节阀。而使用动态平衡两通阀的前提根据技术措施解释是 “应结合工程实际条件灵活掌握,以使设计更为经济合理。”

从上面的分析我们可以看出一个很重要的特点,即15%是对图面上的要求,是静态的;20%是现场实测,但也是在设计工况下进行的,实际上也是静态的;所有静态的要求都可由静态平衡阀来解决。这也是动态平衡两通阀目前很难用于工程实际的最大原因 (用静态平衡阀都可解决这二个百分值)。但笔者认为,设计师应该把握住一条原则,那就是对一个具体工程中的所有末端装置,在实际运行中其实际水流量不应小于设计水流量的20%(在设计负荷下),这是水系统设计中平衡设计的基本原则。

2 空调水系统水力平衡原则

目前在空调水系统设计中所采用的水力平衡手段基本上是:设计时进行合理的系统划分与管路布置 (如采用同程管路布置),然后进行水力计算,最后确定何处使用何种平衡阀。

2.1 合理的系统划分与管路布置

关于合理的系统划分主要是指水系统应按使用时间和使用功能 (如办公、客房、餐厅、商场等)来分区,相同功能、相同使用时间的划在一个区内,这样便于水系统的控制。

合理的管路布置指的是应将阻力特性相同的末端装置划在一起 (如将客房或办公区的风机盘管合在一路,新风机组另设一路;或者是将同一层面内的风机盘管水路设计为同程而将新风机组水路设计成异程。

在实际工程中合理的系统划分是基础,是第一步。合理的管路布置是深化,是第二步。

2.2 水力计算

水力计算是设计师日常工作中常做的工作,主要需要明确这几点:

1)末端装置及各段管路的水量。

2)管路比摩阻范围。

3)末端装置水阻及相关阀门、三通、弯头的局部阻力。

(1)末端装置及各段管路的水量

如何确定每台末端装置的水量及各段管路中的水量,目前在确定末端装置水量有几种思路:根据室内冷负荷及进出末端装置的水温差确定水流量;根据末端装置额定水量来确定 (也有人按风机盘管中档水量以及空调箱和新风机组高档水量来确定)。在确定管路水量时将各末端水量叠加,但当叠加水量与系统总水量相同时,管路水量不应再增加。

(2)管路比摩阻

关于管路比摩阻取值,很多手册都给出了建议值,即在计算沿程阻力时单位长度摩擦压力损失(比摩阻)宜控在100～300Pa/m之间。

(3)末端装置水阻及相关部件的局部阻力

对于局部阻力,需要了解常用的弯头、三通、过滤器、变径管 (大小头)、止回阀、截止阀、球阀、蝶阀、闸阀等的局部阻力系数,另外还需要了解常用末端装置的水阻。

表1 常用风机盘管的水阻

由此可看出风机盘管的水阻不同厂家的产品出入还是比较大的。在选型应以注明,否则必须在水泵设计中留有足够的余量 (事实上不同厂家的冷水机组、热水机组的水阻偏差也比较大),另外在进行水力平衡设计中也应有足够的关注。

2.3 平衡阀的设置

当出现规范中提到的情况即 “并联环路之间压力损失差额大于15%”时需要考虑设置平衡阀。为了满足设计条件下的水力平衡,仅设置静态平衡阀就可以,其目的就是为了满足各并联环路在设计工况下,可实现环路之间的压力损失阻力差不超过15%。从目前工程实际来看,设计师多在各层回水管上设置静态平衡阀。

但目前也有一种倾向认为设置静态平衡阀没什么用途,调试也麻烦。如果调试效果不好,责任都在安装单位。

下面笔者通过二个案例来说明何时需要设置静态平衡阀?如何设置静态平衡阀 (静态平衡阀不是可有可无的)?

案例一:某宾馆有相邻上下二层,上层为餐饮包厢层 (空调风系统采用新风加风机盘管),水系统按同程设计管长80米,风机盘管水阻25 kPa,电动二通阀水阻也取6.25 kPa。下一层为餐饮大厅层 (空调风系统采用组合式空调箱的全空气系统),水系统也按同程设计管长为50米,空调箱水阻60 kPa,电动调节阀的水阻也取60 kPa。如果比摩阻按300Pa/m,局部阻力系数取1.3,那上层水系统阻力为62.45 kPa,下层水系统阻力为139.5 kPa,这二个并联水环路压力损失差额为55%,按规范要求必须采用平衡措施,我们一般都在这二个并联水环路的回水管上设置静态平衡阀。

案例二:某宾馆客房层空调风系统采用新风加风机盘管系统,风机盘管与新风机组合用一路水系统。盘管在水路按同程设计,管长为100米,新风机组在水路按异程设计,管长为8米,风机盘管水阻30 kPa,其电动二通阀水阻取7.5 kPa。新风机组水阻40 kPa,其电动调节阀水阻取40 kPa。如果比摩阻按300Pa/m,局部阻力系数取1.3,那盘管在系统中的水阻力为76.5kPa,新风机组在系统中的水阻为83.12 kPa,这二个并联水环路压力损失差额为8%,按规范要求新风机组与风机盘管二者之间的并联环路上不需设置平衡阀了。

2.4 静态平衡阀布置原则

静态平衡阀布置原则有二点:其一各个并联支管路上应同时安装;其二静态平衡阀既可装在供水侧也可装在回水侧,但从避免气蚀的角度看,装在回水侧要好些。有资料介绍 “静态平衡阀应分级安装,即干管、立管、支管上均应安装”,关于这一点笔者不敢认同,按规范中只有当并联环路压力损失差额达到15%时才需要考虑设置静态平衡阀,而对于只有若干并联支路存在压力损失差额的情况下,就要让整个水系统的各级管路均设平衡阀,这似乎有点不合理。

2.5 静态平衡阀选型与标注

根据支路水流量和支路设计阻力利用图 (或表)查得阀所需的KV值,以及根据目前大家认同的阀开度在50%～100%时调节精度最高的原则来选用静态平衡阀。也有设计人员仅提供阀的KV值由供应商自行选型。但目前笔者看到一些图纸中很少有标注静态平衡阀的KV(流通能力)值,所以有些安装单位只好根据管径来采购,这对今后的调试与使用都带来不少麻烦 (按KV值所选的阀门口径都要比阀所联接的管路管径要小一至二号)。一个正规的静态平衡阀应具有开度指示、机械记忆、压差与流量测试点这几个基本功能。

3 几种常用平衡阀

除了前面提到的静态平衡阀外,目前工程中在用的还有自力式流量平衡阀 (又称动态平衡阀),自力式压差平衡阀、组合式平衡阀 (动态平衡电动调节阀、动态平衡电动二通阀)。

自力式流量平衡阀又称动态平衡阀,主要用于控制末端流量保持恒定 (进出口压差维持在一定范围时),目前工程主要用于定流量系统冷水机组的冷冻水、冷却水出水口处,以保持进入冷凝器和蒸发器的水量保持不变。也有设计师将这种阀与电动阀合用在空调箱、风机盘管的回水管上以维持末端水量恒定。但这种做法可以用动态平衡电动调节阀或二通阀代替。有一点要注意:自力式流量平衡阀是不应当用在支路上的。

自力式压差控制阀主要用在支管上 (也可设在风机盘管、空调箱等末端装置上),可设在供水支管也可设在回水支管上,以控制该支路供回水压差保持恒定。可以使该环路与其它环路互不干扰 (但要注意的是这种恒压差是在一定流量范围内的)。

动态平衡电动调节阀和动态平衡电动二通阀均是组合阀,均用在风机盘管和空调箱等末端装置回水管上,用于控制末端装置水量恒定 (在一定压差范围内)。

4 常见水系统水力平衡分析

以常用的一次泵变流量系统为分析对象。上述几种平衡阀在目前工程实际中均有使用,也达到了使用的目的,多数项目反映也不错,但就是对于动态平衡电动调节阀 (二通阀)的使用争议较大。有些人认为采用这种阀门可使末端流量始终保持恒定,有利于室内温度的保证和节能。也有人认为采用这种阀门会使工程造价提高,增加业主负担,而且设计师设计时做水力平衡也简单容易了。大量采用这种阀门优点是很明确的:其一可以保持水系统的动态平衡,并且简化了平衡计算。其二可以比较准确的控制室内温度,节约能源。当然缺点主要是投资较大。

笔者在此探讨一个问题:对于一个设计合理的水系统,可以完全达到静态平衡时,根据可预见的负荷波动是否需要设置动态平衡电动调节阀 (或二通阀),才能保证末端水量在合理范围内 (不小于设计值的20%,这也是规范要求的)。下面笔者以一个典型工程案例来说明这个问题。

某宾馆水系统采用一次泵变流量,冷冻水泵配置了变频装置,每台水泵的水量调节范围依据冷水机组制造厂家的要求控制在70%～100%范围内。水系统分为四路即大堂即首层服务区 (大堂及大堂吧、商场)、餐饮区、客房区、娱乐区。

本文以客房区为例来分析。客房区共15层,每层有客房30间。空调风系统采用新风加风机盘管,考虑水系统平衡方便在客房区水系统中又分为二路立管即新风立管和风机盘管立管,立管均采用同程设计,每层风机盘管水系统也采用同程设计(如果在某种条件下必须设,那再研究全部改为异程式;另外,需要考虑分析支管设压差旁通所可弥补的)。

如果在某个经营淡季整个客房区只有部分层面投入使用,其中有一个层面只有部分客房投入使用。这时该层的水系统运行状况:立管供回水压差值基本上是恒定的,这是因为新风机组立管和风机盘管立管均接至冷热源机房的分集水器,而一次泵变流量系统在分集水器上设有压差旁通阀,以此来控制供回水压差。

首先分析该层风机盘管水系统在全部盘管和部分盘管投入使用时流量的差异:

当该层全部风机盘管均投入使用时,该层供回水支管压差为:

式中:

H1—供回水立管压差,Pa;

S1—该层水平支管阻抗,Pa;

S—每台风机盘管及其电动二通阀的阻抗,Pa;

n—该支管系统全部风机盘管数量,台;

Q1—该支管系统全部风机盘管均开启时每台盘管水流量,m3/h,本例假定该支路中所有盘管型号均一样。

当该层只有部分风机盘管投入使用时,该层供回水支管压差为:

式中:

H2—供回水立管压差,Pa;

S1—该层水平支管阻抗,Pa;

S—每台风机盘管及其电动二通阀的阻抗,Pa;

m—该支管系统部分开启的风机盘管数量,台;

Q2—该支管系统部分风机盘管开启时每台盘管水流量,m3/h,本例假定该支路中所有盘管型号均一样。

假定在每层供回水支管上设有自力式压差控制阀,这样该供回水支管之间的压差是不随盘管开启数量影响的。即H1=H2。

通过比较式 (1)和式 (2),可看出以下几点:

1)二式比较,当该层只有部分盘管投入使用时,流入每台盘管的水量要比该层全部盘管投入使用时流入每台盘管的水量要大。

2)每台盘管流入水量增加的因素取决于S1与S的关系,当前者远远小于后者时,流量变化相对较小;另外当m与n差距较大时流量变化相对较大。

具体差异有多大,我们通过下面的分析可以看出:

假定该层支管系统沿程阻力取300Pa/m,管长为200m;局部阻力系数均取1.3,该楼层有风机盘管30台,额定设计水量取0.8m3/h,假定每台型号均一样,该层供回水支管流量为24m3/h。

经计算该层供回水支管水阻为78kPa,假定风机盘管及其电动二通阀水阻分别取 25 kPa和6.25kPa。通过计算可以得出阻抗数:该层支管阻力特性系数S1为135(Pa/m3h),S为48828(Pa/m3h)。这样层供回水支管压差在额定流量时为109kPa(30台盘管全部开启时)。

表2 该层支管上不同盘管开启数量时每台盘管水流量比较

从表2可以看出,随着支管开启盘管数的减少,每台盘管通过的水量逐浙增大。因此可以认定,目前常用的在风机盘管回水管上设电动二通阀的变水量运行方式,当支管上 (事实上对同一水系统支路上的所用末端这个分析也是成立的)有盘管逐浙停止使用后,通过其它盘管的水量是无法控制在盘管原设计水量上的,这就会造成通过盘管的水温差减少,这是不利于节能的。也正是基于这点,在《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调,动力》(2003)6.7.6中指出 “变流量空调水系统当采用平衡阀时,可按下列原则选用:风机盘管冷水出口宜设动态平衡电动两通阀”。

在笔者看来,这个 “宜”字的具体掌握在于设计师需要判断在这个水系统支路上末端的同时 (或多数)开启数量和时间,如果有可能常有部分盘管停止使用的系统 (象某些宾馆的客房区)就需要考虑采用动态平衡电动二通阀了,而象办公楼这类建筑除夜晚加班较多外 (这种情况下系统中盘管开启数量少,但时间不会很长),平时就不容易出现这种现象。

另外,上述分析也说明水系统分区的重要性,如果把不同功能、不同使用时间的区域设置在一个水系统支路上,很容易出现系统中有大量末端未投入使用的现象 (如宾馆水系统中将会议与餐厅合在一个支路上),如末端仍用电动二通阀,那么投入使用的部分盘管水流量会出现较大值。

5 小结

1)空调水系统设计中为实现水力平衡应合理划分水系统 (根据区域功能、工作时间等)、正确布置管路 (合理的同程或异程布置、尽可能将阻力特性相近的末端划分在一个支路上等)。

2)水力计算是不可少的,可以发现各支路之间的阻力差异,为合理配置平衡阀提供条件。

3)当出现二条并联支路阻力损失差额达15%以上时,应在支路上设置静态平衡阀。当有一支路需要设置静态平衡阀时,应对其全部并联支路均设静态平衡阀,静态平衡阀选型应以阀的KV为依据。

4)当某一路水系统中其末端装置经常出现部分停用时 (如宾馆的客房区水系统中的风机盘管),应考虑在风机盘管的回水管上设动态平衡电动二通阀,在新风机组和空调箱的回水管上设动态平衡电动调节阀。

[1]中华人民共和国国家标准.采暖通风与空气调节设计规范GB50019-2003[S].

[2]中华人民共和国国家标准.建筑节能工程施工质量验收规范GB50411-2007[S].

[3]全国民用建筑工程设计技术措施.暖通空调动力[S].

[4]全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇.暖通空调动力[S].

[5]潘云钢.高层民用建筑空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1999