高层建筑空调水系统讲解

③ 单环路变水量系统
下图中，可以根据负荷的大小改变制冷机蒸发器内 的流量，这就是单环路变水量系统。所需通过制冷机 的流量取决于要传送的冷负荷。在这样一种方案里， 通过调整冷水流量和制冷机容量，能有效满足所有负 荷工况。
仔细设计并采用一体化高性能控制运 行的单环路变流量冷冻水系统具有以下 优点： 1) 简单的设备配置节省了初投资， 这样可以减少系统费用。 2) 冷冻水流量和冷水机容量都可以 有效配合各种负荷情况，系统耗能总量 比非一体化设备配置和控制方案低。
2）需冷量小于50%设计冷量时，运行一 台冷水机组及相应的。 这样做能保证供水温度不变，但水系统的 工作点将下移，造成水泵处于超流量状态，可 能烧毁电机。并且对于供冷量需求为100%的 用户不能满足其冷量要求。
变流量水系统的基本概念及原理
通常所说的变流量系统是指在水路系统的 空调末端使用二通阀的系统，是与水路系统的 空调末端使用三通阀的定流量系统相对而言的。 使用变流量水系统的目的之一就是要使冷水所 载的冷量及冷却水所带走的热量与不断变化的 末端负荷相匹配，从而能够节约水输送环路水 泵的运行费用。
2 变流量水系统对水侧放热的影响
从上面分析可以看出，当水流量下降，保 持温差不变，蒸发器内水流速随负荷变化时， 蒸发器的实际传热量还是大于要求的供热量的， 所以变流量并不会对水侧换热产生不良影响。
3 变流量水系统对中央空调机组性能的影响
某制冷量为500USRT(1758kW)的机组定流量和变流量 COP 相对额定工况下的比值与负荷率的关系
双水管风机盘管分区系统
三水管系统 三水管系统的每个风机盘 管都有冷、热两条供水管，而 回水管共用一根。这种系统适 应负荷变化的能力强，可较好 地进行全年温度调节，可任意 调节房间温度。但由于冷热回 水同时进入回水管中，故有混 合损失，运行效率低；冷热水 环路互相连通，系统水力工况 复杂；初投资比双管系统高。
一级泵定流量水系统
定流量系统管道简单，控制方便，但存在 下列缺点： （1）冷水机组总容量及水泵总流量必须按 各末端冷量的最大值之和来计算而不能按各末 端冷量逐时之和的最大值来决定。这使得冷水 机组和水泵安装容量过大，能耗过高。
（2）采用多台冷水机组及相应的水泵联合 运行时，其系统工作情况取决于水泵的运行方 式，以两台冷水机组为例来说明。 1）需冷量小于50%设计冷量时，停止一 台冷水机组，但两台水泵仍然同时运行。 这样做能保证各个末端的水流量符合原设 计值，系统水力工作点无变化。但供水温度升 高，设备除湿能力降低。这时对于供冷量需求 为100%的用户不能满足其要求。
Hale Waihona Puke Baidu
下表是北京地区旅馆类建筑夏季运行平均 空调负荷时间频数(全年总运行时数2850h)
下表是1998 年夏季对长沙某宾馆实测得 到的空调负荷变化(全年总运行时数3372h)
变流量水系统的类型
① 冷源侧定流量，负荷侧变流量的一次泵系 统
一次泵变流量系统
一级泵变流量水系统
一次泵变流量(VPF)空调水系统具有系统简 单、操作方便、投资少的优点，因而在许多中 小型空调工程中得到了应用。系统如图所示， 当满负荷运行时，负荷侧二通调节阀全开，旁 通阀全闭。随负荷的减少，末端设备电动二通 阀调节阀关小，流经末端设备的水量减少，供 回水总管压差增大，压差控制器动作，使旁通 调节阀逐渐打开，部分水流返回冷水机组；当 旁通调节阀全开而供回水管的压差达到规定的 上限时，水泵和冷水机组各停一台。反之当流 经末端设备的水量增大时，供回水管的压差减 少，旁通调节阀的开度减少，直至旁通阀关闭， 压差下降至下限值时，恢复一台水泵和一台冷 水机组的工作。


密闭式(简称闭式) 水系统，冷冻水或热 水在系统中密闭循环， 不与大气相接触。无 论水泵运行或停止， 管内都应始终充满水， 因此必须设置定压设 备（膨胀水箱、气体 定压罐等）。

闭式系统的优点： （1）水泵扬程较小，水泵扬程与建筑高度几乎 没有关系。 （2）机房占地面积减小。 （3）没有腐蚀 闭式系统的缺点： （1）不能使用喷水室 （2）不具备蓄冷能力
四水管系统 四水管系统有分开的冷、 热供回水管。这种系统和三 管系统一样可以全年使用冷 水和热水，故调节灵活，可 适应房间负荷的各种变化情 况，且克服了三水管系统存 在的回水管混合损失问题， 运行操作简单，不需要转换。 缺点是初投资高，管道占用 空间大。
异程式和同程式
同程式水系统在高层建筑闭式水系统中被 广泛应用。由于经过每一环路管路的长度相同， 故很少需要阻力平衡。如果各用户盘管阻力相 同或近乎相同时，采用同程式系统是一种有效 的均压设计方法。
综上所述,对冷水机组的水系统进行变流 量运行是完全可能的，不会对冷水机组的安全 和性能产生大的影响。出于安全的考虑，流量 的调节范围可控制在60% ～100%之间。如果机 组样本上给出了流量调节范围，则可按样本规 定进行。

思考题 1.两水管、三水管、四水管的概念及特 点。 2.定流量水系统的特点。 3.变流量水系统的形式有哪些，画出其 示意图。 4.单级泵变流量水系统负荷变化时其调 节原理。
中央空调水系统变流量运行的可行性
定流量系统与变流量系统矛盾的焦点在于 蒸发器(或冷凝器)要求保持定流量运行。 冷水机组要求保持定流量运行的主要原因 是：①蒸发器(或冷凝器)内水流速改变会改变 水侧放热系数αw 影响传热。②管内流速太低， 若水中含有有机物或盐，在流速小于1m/s 时， 造成管壁腐蚀。③避免由于冷水流量突然减小, 引起蒸发器的冻结。 下面将从这几个方面讨论中央空调水系统 变流量运行的可行性。
如果改变送回水温差Δt，而保持流量W 不 变，则形成定流量系统。如果保持冷水送回水 温差Δt 不变，改变冷水流量W 则形成变流量 系统。理想的变水量系统，其送回水温差保持 不变，而使冷水流量与负荷成线性关系。
中央空调水系统的负荷特性
由于公共和民用建筑空调系统的负荷主要 来自围护结构传热(包括太阳辐射)和新风负荷， 空调系统实际负荷随室外气象条件而变化，另 外，由于建筑物中各个房间功能的差异，往往 使用时间不相同，并且使用期间室内发热情况 不同，高峰负荷出现的时间也不相同，而定流 量空调最大负荷是根据各房间设计负荷的叠加 值来确定的。

双水管、三水管、四水管
双水管系统冬 季供应的热水，夏 季供应的冷水都是 在相同管路中进行 的。优点是系统简 单，初投资节省。
双水管系统
双水管系统的缺点，在全年空调的过渡季， 会出现朝阳房间需要冷却而背阴房间则需加热 的情况，这种系统就不能全部满足各房间的要 求。当系统以同一水温供水时，房间会出现过 冷或过热的现象。对这种情况，往往采取把整 个建筑物按朝向分区；另外在建筑物垂直方向 上，可根据设备承压能力或高层和低层区不同 的使用时间进行垂直分区。
1 中央空调机组的变负荷运行能力
随着控制技术的发展，不同类型的冷水机组都有 较完善的自动控制调节装置，能随负荷变化自动调节 运行状况，保持高效率运行。 1) 对于溴化锂吸收式冷水机组，可以根据负荷变 化自动调节供给的蒸汽量(或燃油量)，同时溶液泵采 用变频控制，自动调节溶液循环量。 2) 对于离心式冷水机组，当负荷发生变化时可以 通过进口导叶调节或变频调速调节，改变吸入的气体 量，使制冷量在15%～100%间作无级调节。电子控制系 统采用精密的集成电路控制器，能在不同负荷范围内 根据冷水温度传感器的信号进行调节，以满足系统不 同要求。
按照设计最大负荷来选择冷水机组及水 泵，将使得空调系统绝大部分时间都是在部分 负荷下运行。当水系统为定流量部分负荷运行 时，将白白的浪费大量的能源。这既不节能又 不合理，而变流量水系统的水量在考虑了同时 使用系数和参差系数后，按瞬时的建筑物总设 计负荷来确定，这样一方面可降低设备的投资 费用，另一方面可减少水泵的运行的费用，对 于建筑节能具有重要大意义。
该变流量水系统方案适应于供、回水压差 变化不大的系统，此时水泵消耗的轴功率随水 泵运行台数的增减而增减，但由于水泵运行台 数与负荷要求不一定相匹配，所以是呈阶跃式 变化的，只能实现部分节能的目的。
② 冷源侧定流量，负荷侧变流量二次泵系统 负荷侧和冷源侧分别设置水泵。冷源侧与 制冷机相对应的水泵为定流量，一次泵与机组 和旁通管构成的环路为一次环路；负荷侧末端 设备、管路及旁通管构成的环路为二次环路。 在二次环路中可设置多台并联水泵，也可设置 变速水泵。当负荷变化时，可通过改变二次泵 的台数或转速来调节负荷侧二次环路的循环水 量。
异程式水系统
定流量水系统与变流量水系统
一个理想的空调水系统它应该具备如 下的特点： 1) 负荷变化时保持冷却水和冷冻水 的送回水温差不变； 2) 水系统运行能耗最小，当负荷减 少时，冷水机组运行能耗随之减少，水 泵运行能耗也随负荷的减小而相应减少； 3) 系统简单，一次投资少。
定流量水系统
定流量水系统是指 在水路系统的空调末 端使用三通阀的系统。
高层建筑空调水系统

相关资料显示，输配系统能耗约占空调 系统总能耗的20%~50%，部分甚至超 过60%，造成能源浪费严重，因此对输 配系统能效比提出要求。
空调水系统的分类： 1.开式系统和闭式系统 2.双水管、三水管、四水管系统 3.同程式和异程式 4.定流量和变流量 5. 一次泵系统和二次泵系统
上图所示的变水量系统图是目前应用得较多的一种系统形式， 称为二级泵系统。冷源所在环路称为一次环路，水泵称为一次泵； 空调末端所在环路称为二次环路，水泵称为二次泵。在图 中，管 段A-B 称为旁通管，它为一次环路和二次环路共用。
变流量二级泵是变水量系统中比较成熟的 一种系统形式，二级泵变流量系统有其特有的 优势： 1) 可得到用户需要的不同水温； 2) 系统冷源为定流量而输送泵和负荷环路 为变流量； 3) 简化了大型系统的运行控制和分析； 4) 充分利用负荷的同时使用率，减少输送 泵能耗，允许按区域流量和压降确定区域水泵 大小。
开放式和密闭式系统
开放式(简称开 式)水系统是指管 道与大气相通的一 种水系统。其回水 集中进入建筑物底 层或地下室的水池 或蓄冷水池，再由 水泵经冷却或加热 后输送至整个系统。

开式系统的优点： （1）夏季可用喷水室冷却空气，一般来说，喷 水室的效率比表冷器高一些。 （2）水池可用于夏季蓄冷。 开式系统的缺点： （1）水泵扬程较大 （2）管道敷设 水泵停运后，管内直接与大气 相通
3) 对于螺杆式冷水机组，当负荷发生变化 时可以通过滑阀在机体内轴向移动,改变螺杆 有效长度，从而改变吸入的气体量，使制冷量 在10%～100%间连续调节。比例微分积分控制 方法可保持冷水的温度，控制稳定和高效率。 从上述分析可以看出，入蒸发器的冷媒流 量是随负荷下降而改变的。如果冷水机组的冷 水流量也是随负荷按比例变化，在蒸发器内是 不会发生冻结的。生产厂家在其样本中通常都 会给出蒸发器和冷凝器的允许流速变化范围。
二次泵系统变水量系统运行的基本原理可 用热力学第一定律表述为： Q =W × C ×Δt
式中， Q — 系统冷负荷； W — 冷冻水流量； C — 冷冻水定压比热； Δt — 冷冻水系统送回水温差。
热力学第一定律表明，在冷水系统中，可 以根据系统的实际冷负荷大小调整冷水流量或 冷水系统送回水温差。
同程式水系统
当层数多，需要划分为竖向两个或三个水 系统，有时中间层不设技术夹层或设备层时， 可以采用同程和异程相结合的混合水系统方式， 易于高层建筑的布置(见下图)。在上区系统同 一立管上的各盘管之间阻力稍有不平衡，这时 可用盘管前流量调节阀门加以平衡。
同程和异程混合水系统
异程式水系统管路简单，因不需要同程管， 水系统投资较省。如果各房间盘管之间有不同 的阻力或者在系统较小，层数较低时，可采用 异程式布置，但所有盘管连接管上必须用流量 调节阀平衡阻力。