水力平衡调试在中央空调中节能的应用

田 雷

(国核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

我国目前中央空调系统的能耗平均要占到建筑物能耗的40%～60%，相较于发达国家20%的比例来说，还有较大的节能空间。而导致我国中央空调系统耗能较高的因素则是多样的，其中的主要因素之一就是系统无法实现全面水力平衡。由于空调系统在实际运行过程中，分配的流量无法满足空调设备流量的要求，导致空调区域流量过多或是过少，也就是个别区域过冷或过热的问题，从而造成冷源浪费。这个问题就是水力失调，即空调系统水力不平衡。

1 水力平衡概念分析

所谓水力平衡就是专门针对水力失调的调节方法，水力失调包括动态与静态两种，因此水力平衡也相应分为动态与静态水力平衡。

动态水力失调即用户阀门出现开度变化，比如部分管路出现调节阀动作时，所引起其他支路流量随之也产生一定的变化，从而使其与设计要求的流量产生偏离，导致水力失调问题的出现。因此动态水力平衡其实就是保证各条支路与末端设备的流量互不干扰，且不会随着其他支路流产生变化而发生变化的状态。

静态水力失调则是因设备材料、施工、设计等因素而造成的管道特性阻力比值和设计所要求的特性阻力比值不同，因而造成空调系统内的各用户实际流量和设计要求的流量不同，进而导致系统水力失调问题的出现。因此静态水力平衡其实就是保证空调系统内的各管路压力、流量与设计所要求的压力、流量一致或是差别不大的状态。

对系统水力失调程度进行衡量时，通常用X来表示，表示管路或系统实际流量QS与设计要求流量QJ之比，也就是X=QS/QJ。同时以r表示水力稳定系数，表示支路或系统自身流量不会因其他支路流量出现变化而产生影响的能力，也就是设计与实际要求流量之比，r=QJ/QM。

2 水力平衡调节的原理研究

通常情况下，流量分配系统按设备连接的方式可分为串联系统、并联系统与串并联系统。其流量分配特点如下:

1)串联系统流量分配。在串联系统中，每个平衡阀各自的流量是一样的，即调节阀G1与调节阀V1，V2，V3能够组成一个串联式的系统，也就是QG1=QV1+QV2+QV3。

2)并联系统流量分配。如果在系统中的各个支路的调节阀流量比值与设计的流量比值相同，并且其中任意一个平衡阀流量与设计流量相同时，剩余平衡阀流量也会同时达到设计的流量。在并联系统中，各水力平衡阀流量与流量系数KV值是成正比例关系的，如并联系统是由调节阀V1，V2，V3，…，V n所组成的，则QV1∶QV2∶…∶QVn=KV1∶KV2∶…∶KVn，式中 Q 表示流量，KV表示流量系数。调定调节阀 V1，V2，V3，…，V n 后，KV1，KV2，KV3，…，KVn将保持不出现变化，也就是说调节阀V1，V2，V3，…，V n的流量比值QV1，QV2，QV3，…，QVn也不会产生变化。

3)串并联系统流量分配。所谓串并联系统就是在系统中由平衡阀V1，V2，V3所组成的并联系统，而平衡阀V1，V2，V3与平衡阀G1则为串联系统。根据上述串联、并联系统流量分析各自的特点来看，串并联系统实现水力平衡的原理为:先调整并联平衡阀组流量比值，使其与设计流量相同，再调整串联调节阀流量与设计流量相同。此时，全部平衡阀流量都能同时满足设计流量的要求，进而实现系统的水力平衡。在实际应用中，中央空调的水系统都能够被分解为串并联多级组合系统。

3 实际案例

某生产楼中央空调的冷冻水系统分为三个区域，即A内区、A外区与B区，其中A内区向每一层的4号AHU机组供给冷冻水，而A外区则向每一层的风机盘管供给冷冻水，B区则向每层的1号，2号，3号AHU机组提供冷冻水。供水温度7℃，室内温度波动范围19℃ ～25℃，存在较大的波动幅度，该系统水力失调问题存在。因此对该生产楼中央空调实施水力平衡测试，具体方法包括:

先把该生产楼全部的末端阀门打开，将两台主机的阀门打开90°，并开启冷冻水泵。利用超声波流量计测试该系统的主要支路的流量，同时通过计算得出水系统整体流量分布状态，见表1。

表1 A内区测试数据

表1中测试数据显示，在A内区总管水力失调程度为1.10，而各个支路的水力失调波动范围则在1.16～1.65。表明该区域内支路整体水力平衡情况不佳，其中4楼流量几近为零，而1楼与B1楼则偏大。利用方法分别对A外区与B区进行测试后，见表2，测试结果显示，生产楼A外区、A内区与B区的中央空调系统水力失调问题较为严重，因此应重新进行调试，从而保证冷量能够实现按需分配，防止过热或过冷的问题出现。

具体的调试方法包括:

表2 各区水力平衡测试情况总表

1)以设备技术参数为依据，将各设备的设计流量计算出来，然后以设计流量为依据将各个主干管与总干管的流量计算出来，从而确定系统调节目标数值。2)利用阻力计算公式将各管段阻力分别计算出来，也就是压力损失计算。再把各个环路管段阻力值加起来，得到最不利环路阻力损失情况。3)挑选阻力最大的一个机组，即最不利环路机组，再将最远端与最不利环路机组调节阀都打开，使用两台流量测试仪分别对两台机组的流量进行测量，同时以大阻力值作为基准来实现第二大阻力流量调节阀的调整，保证其实测流量比值近似相等于设计流量比值。4)完成调整后，将调节阀固定。以第二大阻力调节阀作为基准，调整第三大阻力调节阀，并以此类推，分别测量并调整其余管路流量。5)对主干管阀门进行调节，确保主干管流量与设计流量值相同，而此时各支路、设备的流量同样会按所设计的流量比值开始分配，从而满足设计流量的要求。

该中央空调系统经过相应的水力平衡调试后，各个设备的冷冻水实际流量与设计流量之差低于15%，各系统区域的温度基本相同，保持室内温度在21℃ ～22℃范围内，最大程度地将供水温度提高，不但使建筑冷负荷降低，而且使主机运行效率提升。

4 结语

该生产楼中央空调经水力平衡调试后，当冷冻水供水温度在7℃时，原室内温度范围在21℃ ～25℃，现为21℃ ～22℃，且经过6个月的运行后，节能可达33 668 kWh。

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