2012-12-31

《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》( GB50019 —2003) [1 ] 第6. 4. 4 條對二次泵系統(tǒng)的選用條件作出了規(guī)定:“中小型工程宜采用一次泵系統(tǒng);系統(tǒng)較大、阻力較高,且各環(huán)路負荷特性或阻力相差懸殊時,宜在空氣調(diào)節(jié)水的冷熱源側和負荷側分別設一次泵和二次泵”;文獻[ 223 ]等技術措施、標準中也有類似規(guī)定或論述。但筆者認為此條規(guī)定在語言文字、邏輯和技術方面均存在著明顯的缺陷,雖然目的是為了節(jié)能,但由于表述不準確,一定程度上影響了工程設計的正確選用,甚至會造成投資增加和相對的能源浪費。

隨著技術的發(fā)展和認識的提高,有必要對二次泵系統(tǒng)的選用條件深入思考,標準條文力爭表述得更準確,以指導設計人員正確選用和設計空調(diào)水系統(tǒng)的設備配置形式,真正達到節(jié)能的目的。由于篇幅限制,本文不對一次泵(變頻) 變流量等其他節(jié)能空調(diào)水系統(tǒng)進行詳細分析。

1 規(guī)范原文的缺陷

1) 設置二次泵系統(tǒng)的原因之一是冷(熱) 源側需定流量運行,負荷側采用變流量運行的水泵以減少輸送能耗。雖然統(tǒng)稱冷(熱) 源,但設置冷水機組的冷源、設置直接供熱的熱水鍋爐、設置板式換熱器供熱或供冷的熱源、冷源等,各種情況均不相同。例如對于設置板式換熱器供熱或供冷時,一般情況下空調(diào)水循環(huán)泵可直接采用變頻泵,沒有必要采用二次泵系統(tǒng);換熱器前的一次冷熱媒循環(huán)泵也顯然不是文獻[1]所指的一次泵;因此對系統(tǒng)和設備稱謂應表述得更加準確,并應根據(jù)冷(熱) 源情況和系統(tǒng)連接形式分別規(guī)定。冷水機組供冷的二次泵系統(tǒng)的各級循環(huán)泵為直接串聯(lián)連接,而換熱器前后水系統(tǒng)為間接連接,二次泵系統(tǒng)應專指直接連接系統(tǒng)。為了區(qū)別二者,本文暫將間接連接的換熱器前、后一次水循環(huán)泵和二次水循環(huán)泵分對應簡稱為一次泵和二次泵,直接串聯(lián)連接的冷(熱) 源側和負荷側水泵分別稱為一級泵和二級泵。

2) 對于“系統(tǒng)較大、阻力較高”的系統(tǒng),就應該推薦采用二次泵系統(tǒng),不應附加“且各環(huán)路負荷特性或阻力相差懸殊”的條件。后者是分區(qū)域設置二級泵的條件,二者應分別作出規(guī)定。

3)“各環(huán)路負荷特性相差懸殊”不應是設置二次泵系統(tǒng)的條件。“負荷特性”一般是指空調(diào)系統(tǒng)的使用時間、負荷變化范圍、房間空調(diào)精度要求等,完全可以通過末端空氣處理設備的水路控制解決,冷(熱) 源則根據(jù)負荷側的需要調(diào)節(jié)供冷供熱量即可,與采用二次泵系統(tǒng)和分區(qū)域設置二級泵都無關。

4) 沒有明確指出一個工程中常見、應設置二次泵系統(tǒng)且宜分系統(tǒng)設置二級泵的重要條件,即各系統(tǒng)供水溫度要求不同。

2 設置二次泵系統(tǒng)的選用條件分析

同類冷(熱) 源空調(diào)水系統(tǒng)的冷(熱) 源側阻力差別不大,一般不會超過20 m ,造成阻力差別的主要原因是負荷側連接設備的管網(wǎng)規(guī)模和長度不同。如“系統(tǒng)較大、阻力較高”,就意味著循環(huán)泵裝機功率較大,當空調(diào)水系統(tǒng)冷熱源要求定流量運行時,在負荷側設置變速泵則節(jié)能潛力較大,因此較適宜采用二級泵變速運行的二次泵系統(tǒng)。但定量判別“系統(tǒng)較大、阻力較高”的界限數(shù)值,文獻[ 1 ]和其他標準或技術措施都未給出。文獻[ 3 ]規(guī)定了空調(diào)冷、熱水系統(tǒng)的能效比,并指出其適用于獨立建筑物內(nèi)的空調(diào)水系統(tǒng),環(huán)路總長度一般在200～500 m 范圍內(nèi),例如冷水泵揚程不超過36 m。但實際工程中,由于建筑布局和規(guī)模等諸多因素的限制,超大的建筑物很難將環(huán)路總長度和水系統(tǒng)能效比控制在文獻[ 3 ]規(guī)定的范圍內(nèi)。筆者認為在實際工作中可按如下原則考慮:

1) 當環(huán)路總長度和水系統(tǒng)能效比滿足文獻[3 ]的要求時,根據(jù)工程規(guī)模、投資、機房面積等情況,可以選擇一次泵系統(tǒng),也可以選擇二次泵系統(tǒng)。

2) 當環(huán)路總長度和水系統(tǒng)能效比不能滿足文獻[3]的要求時,不應采用冷(熱) 源側定流量的一次泵系統(tǒng),應采用水泵能夠變速運行而節(jié)能的二次泵(或其他) 系統(tǒng)。

3 分區(qū)域或分系統(tǒng)設置二級泵的選用條件及實例分析

3. 1 分區(qū)域設置二級泵

當同一供冷或供熱站為多區(qū)域或多棟建筑服務時,若主機房未設在建筑或建筑群中心、或各區(qū)域距離相差較遠,使得“各環(huán)路阻力相差懸殊”,則分區(qū)域分環(huán)路按阻力大小設置和選擇二級泵,比設置一組二級泵更節(jié)能。但這里也有一個定量判別“阻力相差懸殊”的界限數(shù)值問題,文獻[ 4 ]條文說明中認為阻力相差10 m 即為懸殊。對于管網(wǎng)長度為200～500 m 的一般工程,如管網(wǎng)總阻力為文獻[3]規(guī)定的不超過36 m ,則負荷側阻力不會超過20 m ,其中還有5～7 m 左右的末端空調(diào)機組及其電動調(diào)節(jié)閥阻力,剩余的管道阻力不會超過15 m ,各區(qū)域阻力差值達到10 m 的可能性不大,則意味著若以此為標準,一般工程均不需分區(qū)域設置二級泵。因此,用于取代文獻[4] 的文獻[3]將判別“阻力相差懸殊”的界限改為5 m ,理由是5 m 阻力相當于輸送距離100 m 或送回管道長度在200 m 左右,水泵所配電動機容量也會變化一擋。

1) 實例1 。某約39 萬m2 的大型會展工程,包括東、西2 組展館建筑(各15 萬m2 ) ,中間為1棟用于會議和服務的綜合樓(約9 萬m2 ) ,制冷站設置在綜合樓地下機房,距東(西) 展館設備單程輸送距離約600 m?？照{(diào)冷水采用二次泵系統(tǒng),一級泵揚程為20 m ,克服制冷站內(nèi)冷源側管網(wǎng)阻力;因2 個展館規(guī)模和管路長度相近,采用1 組4 臺二級泵,揚程為30 m ;另為綜合樓設1 組4 臺揚程為21 m 的二級泵。本例管道總長超過了文獻[3]規(guī)定的水系統(tǒng)能效比的計算條件(200～500 m) ,確實符合“系統(tǒng)較大、阻力較高”的二次泵系統(tǒng)的選用條件。2 組二級泵揚程的差值主要是機房至展館的干管較長(單程管道長度約200 m) 和展館本身規(guī)模較大造成的,機房至展館的干管管徑較大、比摩阻較小(控制在約100 Pa/ m) 、分支路的三通很少,但彎頭較多,阻力為60 kPa ;展館內(nèi)部管網(wǎng)和設備阻力約為240 kPa 。

本例是2 個區(qū)域距離和管網(wǎng)規(guī)模相差較大的典型工程,2 組二級泵揚程的差值為9 m ,也沒有達到文獻[4 ]的“阻力相差懸殊”的界限,說明文獻[3] 5 m 的界限數(shù)值相對合理,本工程分區(qū)域設置二級泵也為合理的空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能方案。

2) 實例2 。約6 萬m2 的某教學建筑空調(diào)冷水采用二次泵系統(tǒng),設置了2 大1 小3 臺冷水機組,對應配置2 臺490 m3 / h 和2 臺160 m3 / h (一用一備) 的定流量一級泵,揚程為15 m。因建筑功能分為教室、辦公、工藝性用房3 類,由于使用時間等“負荷特性相差懸殊”,設置3 套變流量二級泵系統(tǒng),每個分系統(tǒng)設置3 臺水泵(二用一備) 共9 臺,其中單臺水泵流量分別為300 ,240 ,280 m3 / h ,揚程均為25 m(說明各環(huán)路阻力相差不大) 。運行幾年后,對該工程進行節(jié)能診斷后發(fā)現(xiàn),由于每個分系統(tǒng)運行水泵為2 臺,雖可變頻但其調(diào)節(jié)范圍有限,在每個區(qū)域低負荷時即使水泵流量調(diào)至小仍然過大,水泵長期在大流量、小溫差下運行,且水泵速過低也影響其效率。負荷峰谷差較大的辦公和工藝性用房的2 套二級泵尤為明顯,在假期等仍需使用的低負荷時段供回水溫差不足2 ℃。據(jù)了解,本例分別設置3 組二級泵的理由主要是,3 個區(qū)域的使用時間不同,某區(qū)域不使用時可以完全停止該組泵,因此較節(jié)能,且一組水泵檢修時不影響其他區(qū)域的運行。但實際空調(diào)水系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)過程是:末端空氣處理設備負荷需求減少或停止運行時,電動水閥關小或與風機聯(lián)鎖關閉,即使合用1 組二級泵,水泵根據(jù)末端流量需要進行臺數(shù)調(diào)節(jié)依然可以停泵,且各區(qū)域的末端設備停止運行并不會影響其他區(qū)域。這種按區(qū)域分別設水泵節(jié)能的認識誤區(qū)存在于很多專業(yè)設計人員頭腦中,應引起注意。

在各區(qū)域阻力相差不大且要求供水溫度一致時,合理的方案是合用1 套二級泵,水泵臺數(shù)和流量的確定應與冷源設備的調(diào)節(jié)范圍相匹配。合用的二級泵可以選擇流量相同,也可以配置揚程相同的大、小泵;但不論何種配置,小泵的流量宜與小的一級泵相近,即與制冷機小負荷相匹配。本例如配置6 臺相同水泵,每臺泵流量約為190 m3 / h ,與原設計每組水泵均考慮富余量相比總流量小30 % ,且水泵已達6 臺之多,不需再設備用泵,管道系統(tǒng)也變得相對簡單?？梢娫桨?9臺大流量泵) ,既浪費初投資,運行中又浪費能量。在盡量減少修改工作量和利用原有設備的前提下,對本工程提出的改進措施是:保留使用時間集中的教室二級泵系統(tǒng),將辦公、工藝性用房二級泵系統(tǒng)合并,共同使用4 臺運行離心水泵。

3. 2 有不同水溫要求時二級泵的設置

工程中常遇到一些空調(diào)系統(tǒng)所需水溫與冷(熱) 源供水溫度或與其他系統(tǒng)的水溫要求不同,但一般因系統(tǒng)規(guī)模較小不單獨設置冷(熱) 源。例如,干工況運行的風機盤管、冷輻射板等需要高于常規(guī)溫度的冷水;低溫地板輻射供暖水溫低于散熱器供暖甚至空調(diào)供暖的常規(guī)水溫。這時可以采用再設換熱器的間接系統(tǒng),也可以采用設置二級混水泵和混水三通閥的直接串聯(lián)系統(tǒng)。后者相對于前者有下列優(yōu)點:1) 不增加換熱器的投資和運行阻力;2) 不需再設置一套補水定壓膨脹設施。圖1 為典型的因各空調(diào)水系統(tǒng)水溫要求不同而分系統(tǒng)設置二級化工泵的示例。

空調(diào)冷水分系統(tǒng)設置二次泵系統(tǒng)還有其他采用二次泵系統(tǒng)的情況,圖2 為其中一例[5] ,采用熱水鍋爐直接供暖,設置供熱量自動控制裝置(氣候補償器) ,根據(jù)室外氣溫等變化,自動改變用戶側供(回) 水溫度,對用戶側系統(tǒng)進行總體質(zhì)調(diào)節(jié);末端系統(tǒng)為變流量的雙管系統(tǒng),要求水泵變流量運行。但燃氣鍋爐要求供、回水溫度(主要是低溫時煙氣酸性腐蝕問題) 和流量不能過低,與負荷側在整個運行期對供、回水溫度和流量的要求不一致,因此設置了變速二級混水計量泵和混水三通閥。這種情況屬于“熱源與負荷側水溫要求不同”,空調(diào)水系統(tǒng)不常見,因此可不在空調(diào)范圍的標準和技術措施中出現(xiàn),但供熱系統(tǒng)原理和供冷是一樣的。

4 結論

4. 1 有關規(guī)范、技術措施等對二次泵系統(tǒng)的選用條件的論述存在缺陷,對工程設計產(chǎn)生了一定的誤導。筆者參與了一些技術措施和標準的修訂,建議作如下修改。對于空調(diào)冷熱水系統(tǒng)設備的配置形式,應經(jīng)技術經(jīng)濟比較后確定:

1) 水溫要求一致且各區(qū)域管路壓力損失相差不大的中小型工程,可采用冷源側定流量、負荷側變流量的一次泵系統(tǒng)。

2) 負荷側系統(tǒng)較大、阻力較高時,宜采用在冷源側和負荷側分別設置一級泵(定流量) 和二級泵(變流量) 的二次泵系統(tǒng);當各區(qū)域管路阻力相差懸殊或各系統(tǒng)水溫要求不同時,宜按區(qū)域或按系統(tǒng)分別設置二級泵。

3) 具有較大節(jié)能潛力的空調(diào)水系統(tǒng),在確保設備的適應性、控制方案和運行管理可靠的前提下,可采用冷源側和負荷側均變流量的一次泵(變頻) 變流量水系統(tǒng)。

4) 采用換熱器加熱或冷卻的空調(diào)熱水或冷水系統(tǒng),應采用循環(huán)水泵變頻的變流量系統(tǒng)。

4. 2 工程中是否采用二次泵系統(tǒng)和分區(qū)域設置

二級泵的參考建議如下:

1) 當環(huán)路總長度和水系統(tǒng)能效比不能滿足文獻[ 3 ]的要求時,不應采用冷(熱) 源側定流量的一次泵系統(tǒng),應采用水泵能夠變速節(jié)能的二次泵(或其他) 系統(tǒng)。

2) 負荷側阻力差值超過5 m 時,宜分區(qū)域設置二級泵。
  

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