浅谈空调冷热水系统设计与配置

             随着我国钢铁事业的高速发展，中央空调系统在钢铁厂也得到了越来越广泛的应用，中央空调相对于分体空调有如下优点：①中央空调运行管理灵活方便，且运行费用低于分体空调，中央空调制冷站可直接控制制冷机的开停时间和冷量大小，可根据气候变化进行调整，以节约运行电费。②中央空调能保证向房间输送新风，使房间始终保持空气清新、卫生。但分体空调只有通过开门、窗和采用新风换气机通风换气，冷量损失大，这不仅影响房间温度，而且浪费了能源。③中央空调故障少好维修。中央空调无论是空调机组和全空气风道系统，还是房间风机盘管和新风系统，均不易发生故障，而制冷设备则设在制冷站内，便于维修。但分体空调的分体空调器遍布在各处，制冷压缩机不仅数量多而且分散，出了故障很难一一去维修好。④中央空调噪声小于分体空调。中央空调可加装各种消声装置降低噪声，而分体空调因压缩机距离空调房间比较近，则难以实现降噪措施。⑤中央空调末端形式美观多样，可与装修施工密切配合，管路和设备均可隐蔽在吊顶内，保证建筑的美观，节约室内的使用空间；但分体空调的风冷式室外机须零散的悬挂在外墙上或装于室外地面上，影响外装修效果，而室内机则须挂在内墙上或安放在地面，又占用了室内空间，这无形中减小了房间的使用面积。⑥中央空调末端的空调冷凝水可集中排放，但分体空调因空调器布置分散，凝结水的排放不易处理。 
    基于以上原因，在钢铁厂内采用中央空调系统是可行的，但钢铁厂内的中央空调系统相对于民用建筑有以下特点：①钢铁厂内各空调用户比较分散，空调用户的种类比较多，如何合理的设计空调管路的走向，解决各空调用户的水力失调，满足不同用户的需要就显得尤其重要。②钢铁厂内的管道相当复杂，尽可能把纵横交错的管网排列的经济紧凑是值得探讨的，其中供冷热水工程的室外保温管道的做法相当重要，做法不当将直接影响使用效果。③钢铁厂内的各空调用户投入使用的时间不同，空调负荷变化比较大，因充分考虑机组的自动调节以适应负荷的变化。 
    下面就从空调机房和空调管线两个方面，讨论钢铁厂空调设计中，应注意的问题，以供大家参考。
1、机房侧的设计配置 
    1.1 冷水机组的选择和配置 
    钢铁厂中央空调冷水机组的选择应充分考虑厂内的能源配置情况，对于大多数钢铁厂而言，炼钢和其他工艺过程会产生大量的蒸汽，从节能的角度来说，在空调冷水机组的选择上应尽量考虑利用这部分蒸汽，所以对于有多余蒸汽的钢铁厂，在冷水机组的选择上应优先选用蒸汽型溴化锂冷水机组，对于相同制冷量的蒸汽型溴化锂制冷机组和电制冷机组而言，溴化锂机组可节电98%左右。 
    对于冷水机组台数的选择应尽量避免选用单台机组，在条件允许的情况下，可选用两台或以上的冷水机组，这样可不考虑备用机组，而且在负荷变化的情况下，可以关闭部分冷水机组，节约运行费用，可以使机组在较高的COP值下运行。冷水机组和冷冻水泵可采用一一对应的方式，如受机房大小的限制，也可采用多台冷水机组与多台冷冻水泵独立并联设置。这种布置方式有它比较明显的简洁﹑方便的优点，但是这种方式应注意在部分空调冷负荷的情况下，就有一部分冷水机组处于停开的状态，如果管理人员操作管理上的疏忽，未把停开冷水机组的管路上的阀门关闭，则冷冻水就会出现旁通分流的现象。冷水旁通分流会影响冷水机组效能的发挥，降低冷水机组的COP值。另一方面如果末端空调冷负荷的需求增大，需要增开冷水机组的台数，这需要管理人员及时到位，及时打开增开冷水机组管路上的阀门，这种操作管理方式显然是比较麻烦的。解决这对矛盾最经济的措施是冷水机组管路中考虑增设电动蝶阀。电动蝶阀、冷水机组、冷却水泵和冷冻水泵设计为连锁运行控制，这样便可以把空调系统中耗能最大部分，也是节能最具潜力的区域纳入智能化的控制，做到最经济的投资，最节能方便的管理。  #p#分页标题#e#
    1.2 冷冻水泵的选择和配置 
    大型的中央空调冷水系统，随着空调区域冷负荷的改变，投入使用的冷水机组﹑空调冷冻水泵的台数也将随着增减，同时空调冷水系统的管网流量也发生改变，这引起管网水阻力的改变。在低负荷运行情况下，尤其是空调冷水泵只需要单台运行时，空调冷水系统满负荷与低负荷运行时水阻力相差甚大，这导致低负荷时空调冷水泵超流量运行，其运行工作点可能跳出经济区域，进而引起电机效率的降低，同时水泵运行电耗的增加，所以在只有单台水泵运行的工况下，极容易发生电机过载烧毁的事故。所以设计中不能仅注意了多台水泵的额定状态点能否满足管路计算要求，还必须重视空调低负荷时运行状态点变化所引发的问题，并采取必要的解决措施，解决方法有两种，一是冷冻水泵采用变频技术，即并联运行的各泵中，某台泵采用变频泵，它作为低负荷时单台水泵运行的固定泵，在系统超流量时，该泵降低运转频率，系统的流量也随着减少，可见冷冻水泵采用变频技术是系统变流量的节能技术。另外一种解决方法是在每台水泵的出口装设一种限流止回阀，它既可以起到防止停泵回流的作用，取代传统的止回阀，又可以起到对工作泵限制流量的作用。该阀可以设定一个控制工作扬程，当水泵工作扬程低于控制扬程时阀门作关闭动作，使实际工作扬程加大，防止电机在水泵低扬程，大流量、低效率时发生过载现象。该方式相对于第一种方式，节能效果差，但会降低系统的投资，系统运行管理更加方便。 
    1.3 机房侧管路上控制配件的设置 
    压力表﹑温度计的设置对于空调冷水系统机房侧部分显得尤为重要，借助于压力表的读数可以初步判断该部分水系统的水力工况是否正常，借助温度计的设置可以初步判断流经该管路的水量是否满足要求。建议在每支回水干管汇入集水器之前都应安装一支温度计，通过观察温度计的温度值，可以准确掌握冷负荷分布的情况。温差大的支路上的阀门可以开大，温差小的支路阀门开度可以调小一些。只有每个回水支管装了温度计，操作管理人员才能直观掌握系统冷负荷分布的情况。 
    1.4 系统的定压及补水 
    设置系统定压装置的目的是使系统能在稳压状态下运行，保证系统内不倒空、不汽化。一般中央空调系统的定压点均设在冷冻水泵的入口的回水干管上，这样可以使水泵产生的压头在系统中得到合适的分布。目前供热空调系统定压补水方式主要有膨胀水箱定压补水，补水泵定压补水，气体定压罐结合补水泵定压补水等。其中膨胀水箱定压补水是最经济最简单的方式，所以现在在民用建筑中大量使用，但是膨胀水箱必须设在系统的最高点，在钢铁厂，各空调用户比较分散，系统最高点距离空调机房往往比较远，则布置膨胀水箱很困难，管理不方便，使高位水箱的应用受到了限制。利用补水泵连续补水定压的系统，其定压装置是由补水箱、补水泵及调节器组成，在系统正常运行时，通过压力调节器作用，使补水泵连续补给的水量与系统泄漏量相适应，从而维持系统动水压曲线的位置，但这种定压方式，一般需连续运行，耗电大。利用气压罐结合补水泵的定压补水装置在钢铁行业中被大量使用，它主要由补水泵、隔膜式气压水罐、安全阀、电接点压力表和电磁阀组成，它的工作原理如下：当系统准备运行时，开启补水泵，水被送至管网的同时也被送至气压水罐的水室，水室扩大并将罐内的气体压缩，罐内的压力随之升高，当压力升高至最高工作压力时（系统最高点和定压点之间的高差加上3～5mH2O），水泵停转，系统已充满水，利用气压罐内的压力来维持管网的压力，当系统运行过程中，由于系统漏水或水温改变导致系统水体积减少时，气压罐内的水室缩小，罐内气体膨胀，压力降低，当压力降低至系统最低工作压力时（系统最高点和定压点之间的高差加上1mH2O），水泵开启，系统进行补水。装置中的压力表和电磁阀均是安全保护装置，当系统超压时，可通过压力表和电磁阀将多余的水排出系统。气压罐结合补水泵的定压补水装置的设备选型计算过程如下：  #p#分页标题#e#
    1.5 补水泵的选择 
    系统内的水，当为热水或冷热两用时，应采用软化水，当软化水压力不能直接供入水箱时，应另设水泵补水，补水泵的自动补水量可按系统循环水量的1％考虑，事故补水按系统循环水量的3％考虑，直接补入循环水泵的入口处，补水泵的扬程应按补水点与系统最高点的高差加上3～5mH2O的富裕量考虑。 
    1.6 气压罐的选择 
    气压罐的最高工作压力应大于补水泵的扬程。 
    罐体的容积应按罐体内的水容积选择，罐体内的水容积应按膨胀水箱的容积选择，即罐内的水容积应能够容纳水系统的膨胀量。 
室内机械循环供热管路（温差20～25℃）7.8 
室外机械循环供热管路（温差20～25℃）5.8 
室内机械循环供冷（温差5℃）或冷热两用31.2 
室外机械循环供冷（温差5℃）或冷热两用23.2 
锅炉2～5 
制冷机的壳管式蒸发器1 
蒸汽－水或水－水热交换器1 
表冷器（冷热盘管1） 
2、空调管路的设计配置 
    2.1 炼钢主厂房内空调管路的配置 
    同程系统比异程系统水力工况更稳定，流量分配也更均匀，有利于空调水系统的水力平衡，钢铁厂房内的空调主管线多是沿厂房柱列线布置，所以很容易采取同程式系统（如图所示），但是各空调用户由于距离空调主管线的距离不同，室内布置情况不同，很难采用同程式的布置（如图用户1～4的室内管线），对此最好的解决办法是先按经济比摩阻确定一个距离空调主管线最远可能压力损失最大用户的压力损失，以此压力损失为依据来确定其他环路的管径，这样就能使流量按各空调用户的需求进行分配，减少调试的工作量。各空调用户内部的管线如无条件可采用异程式布置，各空调末端可采用手动阀或平衡阀进行调节。 
    2.2 炼钢主厂房外空调管线的配置 
    一般讲室外保温管道敷设有架空敷设，地沟敷设，直埋敷设这三种，其中架空敷设在工厂企业工程上常有应用，但有的用户点距离空调机房比较远，如大量采用架空管道，容易影响厂区的总体布置，影响厂区的美观。另外区域供热供冷工程常因室外地下管道交错而难以设置，常用的地下管道有强、弱电、给排水、煤气等，国家规范对种管道设置间距有具体要求，各种室外管道应尽可能减少各自地下占有空间并将各自关系理顺，区域地下管网方可有效实施，这方面直埋比地沟敷设优越。现就工程做法简单且工艺成熟的聚氨酯直埋管道的应用进行分析比较。 
    2.2.1 保温直埋管道的结构和特点 
    直埋式预制保温管是由输送介质的内钢管，外套管和在内钢管和外套管之间填充的憎水不燃型聚氨酯保温层紧密结合而制成的整体预制管材，保温层采用发泡工艺使其和外套管紧密在一起。因为管道直埋，保温管道直接承受土壤及地面活荷载，同时又受到地下潮气及地下水侵蚀，因此，保温直埋管在防水、防腐及机械强度等方面性能都要求较高，因此，仅管道一项直埋管工程造价较高。但因其工程综合造价较低，施工简便，和地沟敷设相比，节约土石方工程量、砖砌混凝土工程量，施工工期缩短一半以上。而且实际直埋保温管道不仅保温效果好，综合造价低，而且在严格按要求施工的情况下，保温管经六年实物解剖分析和人工老化试验证实使用寿命在15年以上，而地沟敷设保温管保温材料为岩棉或离心棉一般3-5年需更换一次。综上所述，直埋保温管道在保温性能，初投资，施工条件，维护工作量及日常运行费上均有较大优势。  #p#分页标题#e#
    2.2.2 保温直埋管道的设计 
    因本工程空调用热水的最高温度为60℃，最低温度为7℃，因此直埋管道承受的应力不会太大。一般直埋管道材料为20号无缝钢管或Q235管材，在15℃以上的温度下安装时，直埋敷设供热管道（<100℃）不用采取任何措施，按无补偿安装形式将管道直接埋设地下（无固定支座、无补偿器），管道就可达到安全运行。因此对于区域供冷供热（<100℃的水系统）使用无补偿安装形式将是便捷、安全和经济的。无补偿直埋敷设是利用土壤与外套管之间的摩擦力固定管道。管道敷设完覆土前应预热管道，管线上无需设补偿器，通常也无需设固定支架。为减小工程费用，可在预热的同时进行水压试验。区域供冷供热的管线特点是管内介质温度不高（<100℃），工作压力<1.0MPa，但管线较长，直管段经常长达几百米。土壤摩擦力远大于温度应力，在直管段中间出现“锚固段”， 锚固端为危险断面，要应力验算使之满足钢材许用应力。使用无补偿安装形式的直埋敷设供热管道的水平弯头、三通处应力集中。，设计时，应通过应力计算，选择合适压力等级的弯头及三通。一般来说，对空调供回水管道，为保险起见，在选用弯头和三通时可以考虑采用比管道高一个压力等级。　 
3、结论 
    1、对于钢铁厂中央空调系统主机的选择，应充分考虑厂内的能源配置情况，有富裕蒸汽的地方，应优先选用蒸汽型溴化锂机组； 
    2、对于钢铁厂内各空调用户比较分散，利用膨胀水箱的定压补水方式比较困难，可采用气压罐结合补水泵的定压补水装置； 
    3、厂房内的空调主管线应尽量采用同程式布置。各空调用户的设计应先按经济比摩阻确定一个距离空调主管线最远可能压力损失最大用户的压力损失，以此压力损失为依据来确定其他环路的管径； 
    4、对于区域供冷供热管道的可采用无补偿直埋保温管道，但应注意“锚固段，以及弯头，三通等应力比较集中处的应力计算。 
参考文献： 
    1. 城镇直埋管道工程技术规程（CJJ/T81-98）；中华人民共和国行业标准 
    2、城市热力网设计规范（CJJ34-2002）；中华人民共和国行业标准 
    3、空气调节设计手册，电子工业部第十设计研究院主编，中国建筑工业出版社； 
    4、供暖通风设计手册，陆耀庆主编，中国建筑工业出版社