空调水系统阻力计算及水泵选型若干问题
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2024年12月05日 12:02:05
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来源:暖通南社

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作者:董哲生

0 引言 在空调系统中,冷却水泵和冷水泵的耗能大约为空调冷水机组的26%~37%,该值可以依据目前常用冷水机组的COP值(约在4.5~5.5范围)、冷水泵和冷却水泵的水输送系数WTF值(一般取30~35,但目前仍有些工程所选水泵没有达到该系数下限值要求)经过粗略计算得出。


0 引言

在空调系统中,冷却水泵和冷水泵的耗能大约为空调冷水机组的26%~37%,该值可以依据目前常用冷水机组的COP值(约在4.5~5.5范围)、冷水泵和冷却水泵的水输送系数WTF值(一般取30~35,但目前仍有些工程所选水泵没有达到该系数下限值要求)经过粗略计算得出。

目前我国空调用冷水机组普遍设有能量调节装置,可根据空调负荷变化自动调节主机运行能耗,而空调水系统水泵大多不设变频器,如果选型大了则不仅会增加设备投资,还会使水系统运行能耗增加较多。文献指出:“大型公共建筑供暖空调电力消耗中,60%~70%由输送和分配冷量热量的风机水泵所消耗。 ……, 而这部分电耗有可能降低60%~70%”。由此可见,虽然空调用水泵的能耗远小于冷水机组,但节能的潜力却较大。对于从事集中空调设计的设计师来说,冷却水和冷水系统管路如何合理选配管径,以及系统水泵选型时如何合理确定额定流量和额定扬程,是实现上述建筑节能目标的较为主要的手段。目前空调工程设计中不少设计者仅凭经验公式估算管道阻力,作为水泵选型确定额定扬程的依据,因此导致许多空调工程水泵选型偏大,运行耗能较大。笔者曾对南昌市较著名的民用建筑空调工程进行调查分析,调查结果也映证了上述情况。本文对空调工程水系统设计在管道内径确定、管路阻力计算、系统水泵选型等方面存在的一些常见问题作了分析。

1 关于水系统管道沿程阻力值的计算确定

据了解目前有较多设计人员在估算水系统管道沿程阻力值时,仅凭前人经验选取管道经济比摩阻值R,在200~300Pa/m 范围内取值;而在确定管径时却不与选取的比摩阻值关联,凭前人经验选取管内经济流速,在1.0~2.0m/s范围内取值。采用如此简单的方法确定管径,估算系统管路总阻力就难免与实际情况出入较大。

根据流体力学知识,确定管道的比摩阻值R 首先要确定管道沿程阻力系数λ,而计算λ值又与所选管材的内径、管壁粗糙度、管内流体的流速、运动黏度等诸多参数相关。

工程设计手册推荐的计算λ值的公式为柯列勃洛克(Colebrook)公式,由于该公式为隐函数形式,手算求解较复杂,故有些设计手册就给出了不同钢管规格、不同管内流速、不同水系统(冷水或冷却水)时确定比摩阻值R的表格形式。对比文献和文献给出的表格,可以得出如下结论:

1) 按前人推荐的管内流速值计算,比摩阻值R未必就在200~300Pa/m范围。当管径较大时,按设计流量和推荐流速算出的R值可能不足100Pa/m;当管径较小(如风机盘管进出水管通常为DN20钢管)时,R值可能达600Pa/m 以上。所以在计算或估算管路沿程阻力时统一按200Pa/m或300Pa/m确定R值是很不准确的。

2) 文献和文献所给表格中比摩阻值R 略有出入。在相同管材规格、管内流速条件下,文献给出的R值明显小于文献。笔者曾采用电脑编程方法计算得出了一份类似表格,所算得的R值也与上述两表数据不尽相同,但整体更接近文献所给数据。经反复验算并对比分析,笔者发现产生这些不同计算结果主要有以下两方面原因:

①关于管壁粗糙度的取值,文献规定开式系统为0.5mm,闭式系统为0.2mm;而文献统一按0.5mm取值。

②关于水的运动黏度取值,文献并未明确给出,经笔者反复验算得出其取值约为1.0×10 -6 m 2 /s(相当于水在20℃的运动黏度);文献虽然给出了运动黏度取值(1.31×10 -6 m 2 /s,相当于水在10 ℃的运动黏度),但笔者反复验算得出其实际取值约为(2.1~2.2)×10 -6 m 2 /s,这显然已超出了水在常温下可能的取值范围。

关于编程计算R值问题,限于篇幅,在此不作进一步讨论。

基于上述分析结论,笔者建议:

1) 在计算系统管路沿程阻力时,应首先依据系统主机和末端设备样本上提供的参数确定各管段的设计流量,然后参考前人经验初步确定各管段的管径,再对整个管路按不同管径和流量分段逐项计算或查表确定比摩阻R值,最后逐段计算并叠加(其中同程管段不用叠加)得出总的管道沿程阻力。即使有时因管路布置的施工图设计尚未完成,统计各管段长度有一定难度,但此时适当对某段管道多估算一些长度,也比盲目用统一估算的管路长度乘以统一选取的比摩阻值估算沿程阻力值合理。

2) 具备编程能力的设计人员应该依据工程具体条件合理确定管材内径、管内流速、管壁粗糙度、流体的运动黏度等参数,编程计算确定管道比摩阻R值。计算时管壁粗糙度的取值可参考文献,水的运动黏度应区别冷水和冷却水,分别按1.4×10 -6 m 2 /s和0.8×10 -6 m 2 /s取值。

2 关于水系统管道局部阻力值的计算确定

目前许多设计人员在估算管道局部阻力时,对管道构件(阀门、过滤器、弯头、三通等)的局部阻力也估算,笼统地以管路总沿程阻力乘某一比例系数(该系数小则取50%,大则取100%)确定。显然采用这种估算方法得出的局部阻力是极不准确的,为此笔者建议设计人员在确定水系统管路布置方案及管径后,就应统计各个局部阻力构件的规格和数量,逐个查阅手册确定局部阻力系数ζ,计算相对应的动压头,然后逐项叠加整个管路的局部阻力。即使有时因管路布置方案尚未确定,统计局部构件数量有一定难度,但此时适当多估算几个弯头或三通,也比盲目用管路总沿程阻力乘某一系数确定局部阻力的方法更合理。

3 关于水泵选型时额定流量和额定扬程的确定

水泵的额定流量和额定扬程指水泵在效率最高工况下的流量值和扬程值,也是设计师的选型参数。必须指出,额定流量和额定扬程未必就是水泵实际的工作流量和工作扬程。

或许是考虑到上述凭经验估算管路沿程阻力和局部阻力时存在诸多不确定因素,一些设计人员常采用乘以系数(大于1)的方法来增加系统选配水泵的额定流量及额定扬程。例如有的设计手册规定水泵选型时“泵的流量和扬程应有10%~20%的富裕量”;还有些手册则规定水泵选型时其流量应乘以某一系数(其中有的称流量储备系数,有的则称附加系数),并具体给出该系数的推荐值为“当水泵单台工作时取1.1,两台并联工作时取1.2”,同时还规定水泵扬程也要乘一个范围为1.1~1.2 的系数。有意思的是,文献不仅要求乘系数,而且强调当水泵并联选型时其流量要乘更大的系数。虽然这些文献没有说明原因,但根据“流量储备”和“附加”这些词汇字面分析,其作者显然认为并联水泵选型应选用更大流量的水泵才更可靠。正是出于这种安全考虑,导致目前许多工程的水泵实际运行存在“大流量、小温差”现象,甚至出现运行时必须人为控制系统总管阀门的开度,以免因水泵流量过大引起电动机过载的情况。对于这些人为放大水泵选型参数的做法,笔者观点如下。

1) 水泵选型时采用乘系数方法选择较大的额定流量和额定扬程,出发点虽是增加系统的可靠性,但其后果却导致系统运行能耗增加。只要设计人员在水系统设计时认真计算各段管道在设计流量(由主机和各台末端设备产品样本查阅得出) 下的阻力,选型参数尽可能接近设计流量值和设计计算扬程值,就不用另乘系数。而且,这里所说的“接近”,并非一定是“不小于”。假如当所选泵的额定扬程略大于计算得出的设计扬程时,则水泵额定流量就可略小于设计流量值。

或许有些设计师担心经认真进行过水力计算的管路,万一管路阻力值比实际值小,而水泵选型又不乘附加系数,可能使系统运行达不到设计要求。其实这种担心是完全没有必要的。对于一项经过较为准确计算然后确定水泵选型的空调工程,如果满足“空调冷热水、冷却水总流量测试结果与设计流量的偏差不应大于10%” 的规定,即使系统运行时实际流量与设计流量有一定误差(小于10%),国家规范是允许的,无非是使系统供回水温差与设计预期值相差在0.5℃(当设计供回水温差为5 ℃时) 范围以内。反之如果设计人员不进行细致计算,采取较为马虎的经验估算,工程验收时是很难通过规范条文检验的。

另外笔者建议,为使工程验收时符合上述规范要求,设计人员在水泵选型时应尽可能选用性能曲线陡降型的水泵,这样可以减少因阻力计算误差带来的工作流量误差,尤其是并联水泵的选型更应选用陡降型水泵。

2) 当水泵并联时,选型时额定流量乘更大的系数会对系统仅开启部分水泵运行时带来更不利的影响。根据流体力学中水泵并联运行的相关基本概念,现以3 台水泵并联为例进行分析。

假设系统设计的总流量为3Q0,在此设计流量下系统管路总阻力为H0,其管路特性见图1中的曲线GZ。当该水系统选配3 台额定流量为Q0、额定扬程为H0 的水泵并联工作时,其并联工作特性为图中曲线3,工作状态点即为图中曲线GZ 和曲线3的交点A。A 点对应的工作流量恰好就是设计所需的总流量3Q0,说明水泵并联选型时没有必要将设计流量人为放大。进一步分析图1 还可看出,当系统根据空调负荷变化仅需开启2台或1台水泵时,其工作状态点将改变到B点或C点,而B 点对应的工作流量Q2大于2Q0,C点对应的工作流量Q1更是远大于Q0。说明在部分水泵运行工况下,每台泵的工作流量都大于其铭牌上的额定流量,此时为防止水泵电动机过载或出于节能的考虑,往往在系统停开1台泵后,将系统总管阀门关小一些,以增大管路的阻抗,使管路特性曲线由GZ 变为G′。而当仅单台泵运行时,则将总管阀门再关小一些,使管路特性曲线变为更陡的曲线G″,如此才能使每台水泵工作在额定流量下。

如果在并联水泵选型时将设计流量乘更大的系数作为水泵额定流量值,则不仅造成系统水泵全开时实际总流量更大,还会使得部分水泵运行时流量过载现象加剧,造成系统耗能过多甚至引起电动机烧毁的事故。

如果并联水泵选型时选用性能曲线陡降型水泵,则可减少部分水泵运行时的流量增值,即减少部分泵运行时的能耗,同时也有利于避免水泵电动机过载。

4 结语

4.1 在设计空调水系统时应进行认真细致的水力计算,只有这样才可为系统水泵选型提供较为准确的依据。不宜采用前人推荐的经验值估算系统管道阻力。

4.2 空调水系统所选用的水泵,其额定流量和额定扬程值并非越大就越可靠,选型时应尽可能接近所对应的设计流量值和设计扬程值,不用另乘放大系数。

4.3 对于并联水泵的选型,采用乘安全系数的方法来选配水泵的额定流量时,将增加系统能耗,并对水泵运行的可靠性带来不利影响。

4.4 水泵选型应选用特性曲线为陡降型的水泵,尤其是对于并联水泵的选型,更应强调选用具有陡降型曲线的水泵。

 

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