空调系统水力平衡浅析

空调系统水力平衡浅析

摘要

本文揭示了空调系统水力平衡的意义，并结合项目实践对常见问题进行了分析，提出了一些看法和建议。

关键词：水力平衡；动态、静态；

引言

空调系统中的水力输配由于管道长度不同，沿程阻力和局部阻力的不同，而产生了的实际流量与理想流量的差异，使得流量分配不均匀，将导致空调系统其他条件参数也会受到影响。所以系统的水力平衡问题是空调系统中是非常重要的。

正文

1空调系统水力平衡的意义

水力平衡的空调系统是运行节能和高效的，为了最不利环路获得需要的流量盲目加大流量提高能耗是不明智的。

水泵与冷机能耗在整个空调系统中占有50%以上的比重。使水泵及冷机高效运行成为空调系统以及整个建筑物节能及高效运行的关键。而水力平衡正是提高冷机、水泵效率的关键，同时也是最容易被忽视的一点。简单的水力平衡问题，可导致投资昂贵的空调系统从一开始就处于低效运行的状况。

对于空调末端和整个空调系统，100%设备容量与变化的建筑负荷之间的矛盾产生了一系列的问题，需要系统中的各种组件，水力平衡及控制相关部件乃至水泵、冷机具备处理及匹配这种“固定”与“变化”的弹性。

2空调水力平衡现状分析

常见水力平衡问题的产生原因可分为静态及动态两大类。其中静态原因泛指在系统中由于各环路管道长度不同，而产生的流量分配不均问题，而动态原因泛指在系统运行过程中，由于控制系统需要匹配100%的系统能力与变化的负荷，而产生的水力平衡问题。静态水力平衡只存在与定流量系统或者是变流量系统的调试工况和满负荷工况。而随着对于系统节能的需求，变流量系统成为空调系统的主流。因此在诸多水力平衡问题中，只有一部分是由于静态原因造成的，更多的是由动态原因或动态及静态原因共同造成的。

由于条件制约及不可能完全采用同程系统，异程系统在实际的设计中，为

了保证最不利环路末端的使用压力，所有其他的空调设备末端的压力往往大于设计工况的需要值，特别是在规模大、功能复杂的工程中，异程管线长，末端设备的阻力差异较大及空调末端启停差异大的系统，在靠近冷热源的位置，使用压力余量过大，往往出现流量分配偏离设计状态，导致水力失调，流量的偏差会产生冷热源近端的空调太凉或采暖不热，不仅使用功能不能保证，还造成能源浪费。

3常见水力平衡问题简析

3.1近热远冷及系统启动时间长

原因：静态。

描述：在系统中由于各末端路管道长度不同，造成系统中各末端水量分配偏离。供热（冷）时近热远冷（近冷远热），靠近立管的末端设备总可以获得足够多的能量，制冷制热效果好，而不利环路的设备制冷制热效果差；水量不足的末端需要在经历很长时间后，在过流末端的控制阀进行后方能得到足够的水量，从而造成启动的时间会很长，如图1所示。

后果：此类水力平衡问题是最直观的水力平衡问题，假设为了满足少数远端区域的要求，加大整个系统的容量，选择更大的水泵或者是冷热源（如图2所示），将会导致系统低效运行，同时近端区域也会出现过冷或过热的情况。

图1：近热远冷及系统启动时间长图2：加大水泵

实例分析：

在武汉某医药厂房水系统中，主支路全部为异程式，其最不利环路长80

米，管径DN50；最短环路20米，管径DN100，系统运行压力0.5MPa，最不利环路基本达不到使用要求。

空调水系统在调试开始时，正值夏季环境气温很高，在系统阀门未进行调整的情况下，初期“近冷远热”现象相当严重，西部区域（近机房端）空调机组出风温度下降较快，而位于东部区域（系统末端）的空调机组出风温度则明显下降较慢，同时感觉出风温度高出许多，导致不同房间的温度差异比较明显。

这是很典型的水力平衡问题，在确定空调末端设备所需流量后，对手动调节阀进行调节，初始的为全开状态，调试过程不是很顺利，往往是这边调整好了，那边又不合适，因为对大型空调系统而言，采用手动调节法过程复杂，手动调节前段阀门，后段的流量受影响，后段调节流量，前段流量又会变化，而且手动调节阀不能精确的调节流量，因此调节起来费时费力，对于复杂的系统，要求工程师有特别丰富的经验，反复调整，并且一旦系统压力变化或者负荷变化仍需要重新调节，于是我们把手动调节阀换成静态平衡阀，末端的沿程阻力变小，末端流量变大，出风温度达到预想的结果，在定流量系统、整个系统负荷变化不明显的前提下，这个问题得到了的改善，此类问题在改造项目中尤其突出。

3.2水泵的过热、烧毁、过流及功耗过大

原因：静态及动态。

描述：在静态工况中，由于盲目加大管径或者在选择水泵扬程时采用了过大的安全系数，使得在系统中所需扬程小于水泵额定扬程，造成水泵工作状态点偏离高效工作点，使得水泵的工作效率下降和功耗增加，同时电机发热，严重时造成水泵电机的烧毁（参见图3、图4）。

在动态工况下，由于系统内部分末端的控制阀关闭时，导致系统内的压力升高，使得其他盘管的水量增加，而根据盘管的散热特性，这种流量的增加并不能带来与之相配的散热量的增加，而使得这些盘管所配用的调节阀动作幅度小于将盘管水温降限制与设计值所需的动作幅度；此时导致系统处于低温差大流量工况，而水泵功耗远大于实际所需。

同样对风机盘管的小型末端采用开关控制也会导致在部分负荷时流量大于实际所需。对于盘管而言，即使通过流量为额定流量的200%时，盘管的热输出也仅增加10%。从而使水在通过盘管时不能充分换热，导致系统出现小温差和过流现象。在50%系统负荷时，由于散热盘管的热性，盘管实际仅需18%的流量，而如果采用开关控制，则阀门会开启50%左右的平均时间，在50%的开启时间内通过100%的流量（或更多），相对平均的流量为50%，远大于实际所需的18%。。

后果：此类水力平衡问题的静态部分，往往是由较为保守的水泵选型以及管道水力计算造成，盲目放大管径以及对于水泵扬程附加了过多的安全系数。该问题可以通过对系统水力平衡状态进行解决，从而改善水泵工况点，降低水泵功耗。盲目更换水泵、或者为水泵加装变频装置，造成高额投资及运行费用。

这种情况在上世纪80~90年代，空调开始大规模进入民用建筑，设计院的经验尚不丰富，加之人们传统的观念，选型往往偏大，而动态的过流问题，会造成水泵的功耗大于实际所需。

3.3室内温度波动、稳定时间长

原因：动态。

描述：由于暖通换热系统及控制系统的特性要求，需要控制阀门的控制信号与盘管热输出之间为线性关系。系统内平衡阀与控制阀选择不当，会导致阀门控制信号与热输出之间的关系成为上抛型。在阀门小开度时，造成室内温度波动；而在阀门大开度时造成室内温度的稳定时间过长。

后果：温度波动及温度的稳定时间过长，会导致室内舒适度下降，同时导致控制阀门的执行机构的“过劳”。

3.4冷机小温差综合症

原因：动态及其他

描述：当系统出现大流量小温差运行时，传统的自动控制系统会根据流量