閆龍林

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，山東濟(jì)南，250014）

中央空調(diào)系統(tǒng)在公共建筑中普及率越來越高，加之我國(guó)新建建筑在高度和面積上均不斷增加，高層、超高層的建筑隨處可見，研究并分析空調(diào)水系統(tǒng)內(nèi)壓力情況、確定合理定壓點(diǎn)位置是空調(diào)水系統(tǒng)定壓設(shè)計(jì)和空調(diào)設(shè)備承壓選擇不可或缺的一項(xiàng)。目前行業(yè)中常見的研究多集中在水泵前、機(jī)組后定壓區(qū)別，以及制冷機(jī)房?jī)?nèi)膨脹罐低位定壓和屋頂水箱高位定壓等不同情況的分析，尚缺少在空調(diào)水系統(tǒng)高低各個(gè)位置定壓對(duì)系統(tǒng)壓力影響的介紹。

1 空調(diào)水系統(tǒng)定壓方式

空調(diào)水系統(tǒng)一般采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，空調(diào)水在具有一定的壓力前提下通過管路將冷水或者熱水從能源機(jī)房送至各房間的空調(diào)末端，并返回能源機(jī)房?jī)?nèi)?？煽康目照{(diào)水系統(tǒng)壓力應(yīng)保證系統(tǒng)不汽化、不倒空、不超壓和滿足空調(diào)。為維持系統(tǒng)內(nèi)壓力工況穩(wěn)定，就需要設(shè)置定壓裝置，定壓裝置定壓點(diǎn)位置的選擇，也直接影響水系統(tǒng)內(nèi)部壓力的分布情況。

空調(diào)水系統(tǒng)中常見的定壓補(bǔ)水方式有：高位膨脹水箱定壓、補(bǔ)水泵定壓和囊式氣壓罐定壓［1］。

高位膨脹水箱：設(shè)置于系統(tǒng)的最高處，依靠水箱和水系統(tǒng)的之間高差來保證系統(tǒng)內(nèi)處處壓力均高于大氣壓一定的壓力，膨脹水箱水位由浮球閥控制；補(bǔ)水泵定壓：分為連續(xù)補(bǔ)水定壓和間斷補(bǔ)水定壓。補(bǔ)水泵連續(xù)補(bǔ)水定壓又可細(xì)分為利用薄膜式壓力調(diào)節(jié)閥定壓和利用補(bǔ)水泵變頻定壓。相較與高位膨脹水箱定壓，采用補(bǔ)水泵定壓不受安裝條件的限制，但產(chǎn)生一定的運(yùn)行費(fèi)用；囊式氣壓罐定壓：囊式氣壓罐俗稱落地式膨脹水箱，采用壓力控制器設(shè)定罐體的上限壓力和下限壓力，壓力下降至下限時(shí)則補(bǔ)水泵補(bǔ)水，升至上限后則停止補(bǔ)水。

下圖中圖1為常見的公共建筑空調(diào)水系統(tǒng)示意圖，圖2以補(bǔ)水泵定壓為例（定壓點(diǎn)位置設(shè)置于循環(huán)水泵的吸入口處）水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的壓力波動(dòng)示意。

圖1 空調(diào)水系統(tǒng)示意圖

圖2 運(yùn)行過程中壓力波動(dòng)示意圖

2 水系統(tǒng)壓力分析

空調(diào)水系統(tǒng)壓力分布分析基于流體力學(xué)中伯努利方程［2］。

伯努利原理表述為：

基于恒定總流能量方程（恒定總流伯努利方程式），下圖3 用1、2兩點(diǎn)用水壓頭表述為：

圖3 流體內(nèi)部能量示意圖

3 定壓點(diǎn)位置對(duì)系統(tǒng)壓力影響分析

定壓裝置作用就是為系統(tǒng)保持一定的壓力，維持系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)定壓壓力確定后，根據(jù)恒定總流能量原理，可以計(jì)算出各點(diǎn)的壓力情況。定壓點(diǎn)位置確定后，系統(tǒng)壓力升降分布狀況就能明確。定壓點(diǎn)位置的不同，決定了系統(tǒng)運(yùn)行的最大壓力和最小壓力。

以圖1 某空調(diào)水系統(tǒng)示意圖為例，假設(shè)制冷機(jī)房位于地下一層，冷水機(jī)組及水泵、水處理等設(shè)備設(shè)于機(jī)房?jī)?nèi)部，假定機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備高度相同且處于系統(tǒng)的最低處，水系統(tǒng)從-1層到頂層的凈高差為H0。

根據(jù)《全國(guó)民用建筑工程技術(shù)措施暖通空調(diào).動(dòng)力》設(shè)置原則，定壓點(diǎn)宜設(shè)置在循環(huán)水泵的吸入口，定壓點(diǎn)最低壓力設(shè)置應(yīng)符合：

循環(huán)水溫度t≤60 ℃時(shí)，可取最高點(diǎn)壓力高于大氣壓5 kPa；循環(huán)水溫度60 ℃＜t＜95 ℃，可取最高點(diǎn)壓力高于大氣壓10 kPa。

當(dāng)定壓點(diǎn)位于水泵的吸入端位置1時(shí)，設(shè)置定壓點(diǎn)壓力水頭H靜 =H0+0.5 m。如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的壓能水頭為：H壓能水頭=H靜-H位能水頭， 如△H6， △H8，系統(tǒng)靜止時(shí)，系統(tǒng)最高點(diǎn)承壓最小，系統(tǒng)最低點(diǎn)承壓最大，承壓大小只跟所處的高度有關(guān)系。

經(jīng)水泵運(yùn)行時(shí)，如圖4所示，系統(tǒng)各點(diǎn)的全壓水頭均在靜壓線以上。系統(tǒng)各點(diǎn)的壓能水頭為全壓水頭與位壓水頭之差，如△H6’，△H7’，從圖上可以看出，循環(huán)水泵的出口處承壓最大，系統(tǒng)沿制冷機(jī)房到最高點(diǎn)空調(diào)末端供水方向，系統(tǒng)全壓就降低而位壓升高，所以管路承壓再逐漸降低。從最高點(diǎn)的空調(diào)末端回到制冷機(jī)房的回水方向，系統(tǒng)各點(diǎn)的全壓在下降，同時(shí)位壓也在降低，對(duì)于一般系統(tǒng)來說，位壓水頭的下降速度比管路壓力損失水頭增加速度更快，表現(xiàn)為位壓水頭比全壓水頭的曲線坡度更陡一些，此時(shí)可以認(rèn)為回水過程中管路的承壓在增加。系統(tǒng)管路各點(diǎn)承壓近似于圖5曲線所示。

圖4 1點(diǎn)定壓示意圖

圖5 壓能水頭示意圖

當(dāng)定壓點(diǎn)位置改變時(shí)，雖然管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力損失曲線不變，但系統(tǒng)的整體壓力可能會(huì)出現(xiàn)變化。

當(dāng)系統(tǒng)定壓點(diǎn)位置改變時(shí)，定壓點(diǎn)壓力可能會(huì)不同，系統(tǒng)整體壓力也隨之出現(xiàn)變化。定壓點(diǎn)分別在1,4,7，9,10點(diǎn)位置分析。

定壓點(diǎn)位于4點(diǎn)位置時(shí)，若定壓點(diǎn)壓力的取值仍原來的靜水壓線值，在水泵不運(yùn)行，系統(tǒng)靜止工況時(shí)，能保證系統(tǒng)不到空。但當(dāng)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的壓力示意圖如圖6 所示，

圖6 4點(diǎn)定壓示意圖（一）

從位置點(diǎn)5到位置點(diǎn)7,8過程中，由于沿程和局部阻力損失，系統(tǒng)的全壓在降低，而系統(tǒng)的位壓隨建筑高度而升高，理論上會(huì)出現(xiàn)交叉點(diǎn)A，此時(shí)系統(tǒng)全壓等于位壓，A點(diǎn)之后，出現(xiàn)系統(tǒng)壓能水頭=全壓水頭-位壓水頭＜0，即系統(tǒng)壓力小于外界大氣壓情況，出現(xiàn)系統(tǒng)倒空現(xiàn)象，這對(duì)系統(tǒng)是有危害的，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，因此該點(diǎn)定壓壓力不合適，需要將該點(diǎn)的定點(diǎn)壓力提高。理論上定壓點(diǎn)壓力大小，如圖7所示，應(yīng)保證系統(tǒng)各點(diǎn)的整體壓力的壓能值△H均大于一定值（＞0，且保證不汽化）。比較圖4和圖7可知，定壓點(diǎn)位于4點(diǎn)時(shí)，選擇合適的定壓壓力，可降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的最大工作壓力。

圖7 4點(diǎn)定壓示意圖（二）

當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí)，如下圖8 所示，由于靜水壓線的提高，此時(shí)系統(tǒng)各點(diǎn)承受的壓能△H大于△H’，承壓增加。

圖8 循環(huán)泵停止時(shí)各點(diǎn)位能壓力示意圖

當(dāng)定壓點(diǎn)位置位于4,7,1,9，10點(diǎn)時(shí)，各定壓點(diǎn)壓力取值如圖9 所示，通過合理的定壓壓力取值，可以保證系統(tǒng)最大工作壓力小于在循環(huán)泵入口前定壓時(shí)的最大工作壓力。

當(dāng)系統(tǒng)定壓點(diǎn)位置水泵吸入口前的設(shè)備前端時(shí)，即圖1 中11點(diǎn)的位置，系統(tǒng)的壓力分布如下圖9 所示。

圖9 其他各點(diǎn)定壓系統(tǒng)壓力

比較圖10與圖4可知，當(dāng)定壓點(diǎn)均位于系統(tǒng)最低點(diǎn)時(shí)，設(shè)置于遠(yuǎn)離水泵吸入口時(shí)，系統(tǒng)最大工作壓力降低，降低值大小為該點(diǎn)到水泵吸入口處的阻力損失［4］［5］。

圖10 11點(diǎn)定壓時(shí)壓力分布示意圖

4 循環(huán)泵位置的設(shè)置

工程中常見的空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)泵與冷水機(jī)組的關(guān)系位置關(guān)系一般有壓入式（泵在機(jī)組入口前）和抽吸式（泵在機(jī)組出口）兩種。根據(jù)上文中壓力圖可以看出，位于水泵后的設(shè)備由于水泵揚(yáng)程的提升，設(shè)備的工作壓力較大。市場(chǎng)上常見的空調(diào)設(shè)備承壓能力為1.0 MPa和1.6 Mpa，系統(tǒng)工作壓力超過設(shè)備常壓能力時(shí)，就需要優(yōu)先考慮將設(shè)置置于循環(huán)泵的吸入口，若此時(shí)還存在較小的差距時(shí)，可以考慮改變定壓點(diǎn)的位置及合理設(shè)置定壓點(diǎn)壓力，來降低系統(tǒng)最大工作壓力，滿足設(shè)備承壓要求［6］［7］。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)定壓點(diǎn)位于不同位置時(shí)，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，定壓點(diǎn)的壓力取值也不相同。當(dāng)定壓點(diǎn)位于系統(tǒng)最低點(diǎn)的水泵吸入端時(shí)，系統(tǒng)的工作壓力最大。當(dāng)定壓點(diǎn)位于水泵出口并沿供水方向及建筑高度移動(dòng)時(shí)，定壓點(diǎn)的壓力也隨之變大。同時(shí)水泵位置的選擇，對(duì)于其前后的設(shè)備承壓選擇也有很大的影響，當(dāng)不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)置于水泵吸入口前端時(shí)，可有效降低設(shè)備承壓要求。

本文通過分析在系統(tǒng)高低不同位置定壓時(shí)系統(tǒng)壓力變化情況，合理選擇定壓點(diǎn)，有效降低整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的最大工作壓力，對(duì)于設(shè)備管材的承壓選擇有一定的指導(dǎo)意義。