陳浩瑋

湖南鐵路聯(lián)創(chuàng)技術(shù)發(fā)展有限公司

由于車站的高架夾層旅服商家單位陸續(xù)入駐，原預(yù)留全空氣集中空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)施，使用單位分別自行設(shè)置分體空調(diào)或吊扇，空調(diào)室外機(jī)設(shè)于夾層，熱量排入候車室大空間內(nèi)，在此前提下新增部分空調(diào)末端設(shè)備，但在交付使用后此部分空調(diào)末端制冷量嚴(yán)重不足，室內(nèi)熱環(huán)境遠(yuǎn)差于人體對(duì)舒適溫度的要求，收到了商家和旅客的大量投訴，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行問題分析和改造是很有必要的。

1 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 原有空調(diào)系統(tǒng)

1）冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng)，供回水溫度7/12 ℃。冷凍水泵采用變頻控制，水泵與冷水機(jī)組采用共用集分水器的連接方式，冷凍機(jī)房分集水器間設(shè)旁通管及壓差控制閥。水系統(tǒng)劃分為三個(gè)支路，其中支路一、二分別服務(wù)于高架層南側(cè)、高架層北側(cè)空調(diào)末端，支路三服務(wù)其余空調(diào)末端。水系統(tǒng)干管采用同程式布置，局部末端采用異程式布置。各大型組合式空調(diào)器，柜式空調(diào)器及新風(fēng)機(jī)組的回水管上設(shè)置動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，風(fēng)機(jī)盤管的回水管上設(shè)置電動(dòng)兩通閥。冷卻水采用一次泵定流量系統(tǒng)，供回水溫度32/37 ℃。

2）15.20 m 標(biāo)高層高架夾層區(qū)域（旅服空調(diào)系統(tǒng)層）按預(yù)留集中空調(diào)考慮，9.20 m 標(biāo)高空調(diào)機(jī)房（原有風(fēng)柜層）預(yù)留其空調(diào)末端安裝位置及空調(diào)冷凍水供、回水管接管條件。

1.2 新增空調(diào)末端

1）受供電條件限制，原設(shè)計(jì)四臺(tái)冷水機(jī)組目前僅運(yùn)行兩臺(tái)，供冷量不足。待冷水機(jī)組供電電源改造工程完成后，冷水機(jī)組全部開啟，可滿足此站集中空調(diào)及15.20 m 標(biāo)高層空調(diào)系統(tǒng)供冷需求。15.20 m 標(biāo)高層新增風(fēng)機(jī)盤管納入集中空調(diào)系統(tǒng)。

2）拆除夾層使用單位自設(shè)空調(diào)設(shè)備，統(tǒng)一配置風(fēng)機(jī)盤管，并配置溫控器及三速開關(guān)，根據(jù)室內(nèi)溫度自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)盤管啟停。風(fēng)機(jī)盤管水系統(tǒng)分區(qū)域集中連接，納入站房既有集中空調(diào)水系統(tǒng)，由9.20 m 標(biāo)高層空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)為夾層預(yù)留的集中空調(diào)冷凍水供、回水管道引出供水管路供水。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 實(shí)際情況

在新增加部分空調(diào)末端（由于新增空調(diào)末端水系統(tǒng)集中連接，為方便理解以下稱為新增空調(diào)系統(tǒng)）之后，原有系統(tǒng)的空調(diào)末端的運(yùn)行工況基本沒有變化，而且冷水機(jī)組的負(fù)荷與新增空調(diào)系統(tǒng)前的負(fù)荷保持一致，由此可推斷問題出在新增新增空調(diào)系統(tǒng)上。

以東側(cè)C 區(qū)為例，此區(qū)域的新增系空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)圖見圖1，從圖上可知新增空調(diào)系統(tǒng)與原有空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)既有風(fēng)柜呈并聯(lián)狀態(tài)，而流體的特性標(biāo)志著此既有風(fēng)柜的水力工況對(duì)新增空調(diào)系統(tǒng)的影響是較大的。

圖1 新增空調(diào)系統(tǒng)圖

為了防止原有管道上原有的壓力表由于損壞、磨損、腐蝕等對(duì)壓力表的準(zhǔn)確性、精度的影響，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水壓時(shí)分別記錄原有壓力表和新壓力表讀數(shù)以作對(duì)比，兩表的誤差均在10 kPa 以內(nèi)。

使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)全部運(yùn)行，在運(yùn)行工況穩(wěn)定后測(cè)得原有風(fēng)柜和新增空調(diào)系統(tǒng)干管的進(jìn)出水壓差均為30 kPa，從設(shè)備表上查到原有部分上連接的風(fēng)柜的設(shè)備水阻為33.4 kPa，可設(shè)此風(fēng)柜在近似于設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，但是設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)都顯示新增空調(diào)系統(tǒng)的管道比干管到風(fēng)柜的水管長(zhǎng)度長(zhǎng)太多，而且目前交付的資料和現(xiàn)場(chǎng)勘察都顯示新增空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊未與原有系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相銜接，可以推斷問題是新增系統(tǒng)存在水力失調(diào)。

2.2 新增系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的水力計(jì)算

水系統(tǒng)的水力計(jì)算使用鴻業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)暖通空調(diào)12.0 采用假定流速法計(jì)算[1]。

2.2.1 新增系統(tǒng)的流量

新增管道新設(shè)14 臺(tái)制冷量為13.5 kW 臥式明裝風(fēng)機(jī)盤管，接入既有的兩個(gè)40 kW 的既有商鋪風(fēng)柜，總制冷量為Q=269 kW，供回水溫度7/12 ℃，由于現(xiàn)場(chǎng)損耗量設(shè)定平均溫度為10 ℃。根據(jù)相關(guān)公式[2]：

式中：Qm-計(jì)算系統(tǒng)的水量（m3/h）；G-計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)荷（kW）；Δt-供回水溫差（℃）。

各末端的流量詳見表1。

2.2.2 根據(jù)現(xiàn)有管徑和設(shè)計(jì)流量校核流量與阻力

可根據(jù)現(xiàn)有管徑和設(shè)計(jì)流量計(jì)算得出現(xiàn)有管道的沿程阻力和局部阻力，他們之和就是該管段的總壓力損失，各環(huán)路的總壓力損失詳見表1。

表1 各環(huán)路的總壓力損失

由表1 可得其最不利環(huán)路壓力損失ΣΔP最不利=213.9 kPa。

2.3 運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況比較分析

從設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)，新增的系統(tǒng)呈異程式管路的布置方式，其水流經(jīng)每個(gè)末端設(shè)備的路程是不同的，故各環(huán)路的阻力不平衡，從而導(dǎo)致了流量分配不均勻的可能性。

新增系統(tǒng)的不平衡率為：

遠(yuǎn)大于GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的15%。

新增系統(tǒng)與原有部分上連接的風(fēng)柜管路為并聯(lián)連接，各并聯(lián)管路的水頭損失相等，只表明通過每一并聯(lián)支管的單位重量液體的機(jī)械能損失相等。但各支路的長(zhǎng)度、直徑及粗糙系數(shù)等條件是不同的，因此通過的流量也是大有區(qū)別，通過各并聯(lián)支管水流的總機(jī)械能損失是不相等的，流量大的總機(jī)械能損失相比也會(huì)較大。由于新增系統(tǒng)的管路較于原有風(fēng)柜的管路長(zhǎng)太多，單位流量液體的機(jī)械能損失也會(huì)比原有風(fēng)柜的單位流量液體的機(jī)械能損失大很多，有公式[1]：

式中：S-管段的壓力特性系數(shù)，表示當(dāng)管段通過1 kg/h水流量時(shí)的壓力損失值。

由式（2）可知，對(duì)已定管段來(lái)說，壓力損失與流量的平方成正比，因而新增系統(tǒng)的現(xiàn)運(yùn)行工況流量在使新增系統(tǒng)管道整體機(jī)械損失為0.03 MPa。由表1 可設(shè)新增系統(tǒng)近似工況的總壓力損失為214 kPa，代入式（2），有：

可得Q實(shí)=17.26 m3/h，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況下的Qm=46.11 m3/h。（由于水力不穩(wěn)定性，實(shí)際工況比17.26 m3/h 更?。┬略鱿到y(tǒng)與原有風(fēng)柜管路的水力不平衡率為：

3 改造方案

空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的冷、熱不均勻、室內(nèi)溫、濕度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問題，事實(shí)上還影響著系統(tǒng)的正常運(yùn)行從而導(dǎo)致能耗的增加。本區(qū)域的空調(diào)水系統(tǒng)可分離于整個(gè)水系統(tǒng)視為定流量系統(tǒng)，各末端的使用時(shí)間段基本一致，根據(jù)水力失調(diào)的類型只需要考慮靜態(tài)水力平衡，無(wú)需考慮動(dòng)態(tài)水力平衡。

3.1 方案比較

3.1.1 平衡閥

平衡閥的工作狀態(tài)是通過控制開度控制流量和局部阻力損失，在電子元器件的控制下對(duì)于靜態(tài)水力平衡和動(dòng)態(tài)水力平衡來(lái)說具有較好的調(diào)節(jié)效果，但是新增空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊未與原有系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相銜接，而且新增系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況阻力損失值大于原有風(fēng)柜的設(shè)計(jì)工況下的阻力損失值180.5 kPa，在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)正常工況下運(yùn)行時(shí)原有風(fēng)柜的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)閥是以管路上沒有新增系統(tǒng)的條件下工作，以平衡原有系統(tǒng)的其它末端水力條件為目標(biāo)，對(duì)于新增系統(tǒng)的作用可以忽視。而新增系統(tǒng)部分相對(duì)于原有風(fēng)柜在這個(gè)水系統(tǒng)支路上也是一個(gè)獨(dú)立整體，在正常運(yùn)行時(shí)他們是相互并聯(lián)的，互相干擾的能力要大于原有風(fēng)柜與新增系統(tǒng)組成的整體對(duì)原有系統(tǒng)的影響，所以新增系統(tǒng)與原有風(fēng)柜的水力平衡很必要。在新增空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊接入原有系統(tǒng)的控制系統(tǒng)后，如需新增空調(diào)系統(tǒng)與原有風(fēng)柜正常同時(shí)運(yùn)行，需要原有風(fēng)柜的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)閥平衡掉小于新增系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)工況阻力損失值，原有風(fēng)柜與新增系統(tǒng)組成的整體的最不利條件是以新增系統(tǒng)的最不利環(huán)路為條件的，無(wú)法避免原有風(fēng)柜與新增系統(tǒng)組成的整體對(duì)于原有系統(tǒng)水力平衡的影響，導(dǎo)致原有風(fēng)柜與新增系統(tǒng)組成的整體通過的流量會(huì)比設(shè)計(jì)工況下的流量小很多，造成新的水力失調(diào)，違背了這次改造的初衷。

3.1.2 二次泵

新增系統(tǒng)管道與原有風(fēng)柜管道阻力相差懸殊，且末端裝置的回水支管設(shè)置了電動(dòng)兩通閥，采取變頻調(diào)速的二次泵平衡新增系統(tǒng)的阻力，以達(dá)到新增系統(tǒng)管道末端整個(gè)區(qū)域水系統(tǒng)的水力平衡。且原設(shè)計(jì)在原有立管處預(yù)留了兩臺(tái)280 kW 風(fēng)柜的流量，新增系統(tǒng)的冷量小于此預(yù)留風(fēng)柜的流量，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響在原設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工況考慮之內(nèi)。

一般項(xiàng)目中可采取平衡閥，其從根本上克服水力失調(diào)現(xiàn)象創(chuàng)造了條件，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和實(shí)施中采取了大量電動(dòng)二通閥，但水利失調(diào)的最根本原因是新增空調(diào)系統(tǒng)整體與原有風(fēng)柜的總壓力損失相差過大，可以在負(fù)荷側(cè)的冷凍水供水總管上增加二級(jí)泵來(lái)平衡過大的阻力損失。

3.2 水泵的選擇

3.2.1 循環(huán)水泵的流量

計(jì)算公式[2]：

式中：Q0-循環(huán)水泵的流量（m3/h）；Φ-計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)荷（kW）；Δt-供回水溫差（℃）；K-水泵流量附加系數(shù)，取1.05～1.1。

水泵流量Q0=46.26×1.05=48.573 m3/h。

3.2.2 循環(huán)水泵揚(yáng)程

由于二級(jí)泵的作用為平衡新增系統(tǒng)與原有風(fēng)柜管的水力阻力損失，所以有：ΔH=ΔP新增-ΔP即有=213.94-33.4=180.54 kPa 級(jí)泵揚(yáng)程應(yīng)按負(fù)荷側(cè)的管路和管件阻力、自控閥、末端設(shè)備的整體阻力之合計(jì)算，且應(yīng)增加5%～10%的附加值，即：H=1.05ΔH=189.57 kPa

3.2.3 水泵選型

根據(jù)計(jì)算流量和揚(yáng)程，從南方泵業(yè)的樣本中選擇出CDM42-10 立式多級(jí)離心泵，其流量揚(yáng)程特性曲線如圖2，按流量和揚(yáng)程最不利的條件選型，滿足流量和揚(yáng)程在設(shè)計(jì)條件下在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，滿足了校核的要求。

圖2 CDM42-10 立式多級(jí)離心泵流量揚(yáng)程特性曲線

3.2.4 水泵輸送能效比

在選擇空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)泵時(shí)，必須根據(jù)GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，校核其輸送能效比ER，確保符合節(jié)能原則。ER 值可按下列公式[2]計(jì)算：

式中：H-設(shè)計(jì)水泵揚(yáng)程（m）；η-水泵在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的效率（%）；Δt-供回水溫差（℃）；計(jì)算可得ER=0.0125，小于GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值0.0241，滿足規(guī)范要求。

3.3 安裝調(diào)試

為了使空間利用合理、美觀和避免噪聲的影響，在位于9.20 m 標(biāo)高空調(diào)機(jī)房的負(fù)荷側(cè)冷凍水供水總管上安裝了上述水泵。打開一次泵并使所有主機(jī)與末端開啟并穩(wěn)定運(yùn)行，記錄二次泵開啟與關(guān)閉情況下原有風(fēng)柜進(jìn)出水口、二次泵出水口、新增系統(tǒng)1 至5 環(huán)路側(cè)（左側(cè)）進(jìn)出水管、新增系統(tǒng)6 至16 環(huán)路側(cè)（右側(cè)）進(jìn)出水管的壓力值，為了評(píng)估二次泵對(duì)原有系統(tǒng)的影響，在原有系統(tǒng)的三個(gè)支路上分別取點(diǎn)A、B、C 設(shè)備末端的冷凍水進(jìn)出水口壓力值作為參照，獲得數(shù)據(jù)如表2：

表2 二次泵開啟與關(guān)閉時(shí)各點(diǎn)的壓力值

從表2 可知，二次泵的加入使新增系統(tǒng)的水系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)工況壓差，對(duì)原有系統(tǒng)的水力工況影響甚微，達(dá)到了此次改造的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，高鐵夾層旅服空調(diào)系統(tǒng)存在的主要問題在于水力失調(diào)，而這個(gè)問題是很多大型中央空調(diào)系統(tǒng)某些末端制冷效果不佳的原因，特別是在只改造部分空調(diào)系統(tǒng)末端的項(xiàng)目中，造成使用不便、成本增加、能耗浪費(fèi)等問題，有甚者更是影響使用或者無(wú)法使用，需要重新設(shè)計(jì)改造系統(tǒng)以達(dá)到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，各設(shè)計(jì)、施工、使用單位應(yīng)當(dāng)重視。在經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)及改造后，空調(diào)試行發(fā)現(xiàn)改造后包括原有空調(diào)系統(tǒng)末端在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行接近原設(shè)計(jì)工況，改造可行性良好，為空調(diào)水力失調(diào)的改造設(shè)計(jì)提供了一定的參考參考。