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空调冷却水系统设计问题的探讨
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内容提示：空调制冷的冷却水系统一般是开式系统，相对比较简单，因而，经常不被设计人员所重视。本文就冷却水系统的承压、水泵扬程的确定、多台冷却塔的并联、系统的启停顺序、节能控制等问题谈谈自己的观点，供大家参考。
摘要：空调制冷的冷却水系统一般是开式系统，相对比较简单，因而，经常不被设计人员所重视。本文就冷却水系统的承压、水泵扬程的确定、多台冷却塔的并联、系统的启停顺序、节能控制等问题谈谈自己的观点，供大家参考。
关键词：冷却水 承压 扬程 冷却塔并联 变频控制
一、冷却塔的位置要考虑系统设备承压要求：
冷却水系统形式主要有两种：水泵前置式和水泵后置式，如图1、2。确定时要考虑水系统的承压能力。水系统的承压能力最大的地方是水泵出口，如图中的A点，系统承压有以下三种情况：系统停止运行时，水泵出口压力为系统静水压力h＝Z；系统瞬时启动，但动压尚未形成时，水泵出口压力为系统静水压力和水泵全压之和h＝Z HP；正常运行时，水泵出口压力为该点静水压力与水泵静压之和h＝Z HP-v2/2g。冷水机组冷凝器耐压，目前国产机组一般为981KPa。水泵壳体的耐压取决于轴封的形式，水泵吸入侧压力在981KPa以上时，要使用机械密封。（参考《建筑中文网》）
冷却塔如果设在高层建筑主楼屋面，产生的压力高于机组的承压能力时，冷却水泵宜设在冷水机组的冷凝器出口，以降低冷凝器工作压力。有人会提出疑问：水泵入口负压过大，会产生气蚀。事实上，
冷却塔与冷水机组之间的高差，远大于管路阻力和冷凝器阻力，并且水泵还有一个容许吸上真空高度。
笔者的同学曾经设计一个工程，机房在地下，裙房屋顶为人员活动空间，业主要求在120米高的屋面安装冷却塔，系统最大承压要超过1.2MPa与水泵全压之和。这就造成产生的静压太高，冷凝器不能承受，同时对水泵轴封和软接头提出了更高要求。
解决方法一：选用能承受高静压的设备和管道配件，这将大大增加工程造价。
解决方法二：如图3，设两个冷却水箱、两套冷却水泵。一个高温冷却水箱、一个低温冷却水箱，一套冷却水泵从低温水箱抽水进入冷凝器后进入高温水箱，另一套冷却水泵从高温水箱抽水送入冷却塔，然后回流到低温水箱。但要注意：冷却塔处要采取一定的措施，避免停泵时水全部流入低温水箱。水箱要满足冷却塔到机房的充注水量，水箱的水位也不好控制；这样水泵的扬程太高（图中h高度的扬程浪费了），这不是一个经济的做法。
解决方法三：加板式热交换器隔绝高压，但冷却塔选用要有余量，如图4。
笔者认为，对于某些建设方的不合理的要求，设计人员不要迁就。此类工程最好把冷却塔放在放在裙楼上 。
二、冷却水泵扬程的确定冷却水系统水泵扬程计算应该是系统阻力（管道、管件、冷凝器阻力之和），冷却塔集水盘水位至冷却塔布水器的高差，冷却塔布水器所需压力组成，并附加5%-10%裕量。设计人员常犯的错误，是一见到开式系统就计算系统的高差。冷却塔虽然是开式系统，但是因为冷却塔自带集水盘，相当于水箱放在屋顶，这部分水静压和供水管上升所需静压相抵消，所以只需计入冷却塔底盘和布水管的高差就可以 。
某工程空调冷却水系统:2台水泵 2台冷却塔并联，水泵设计流量400t/h, 扬程40m。调试时遇到如下问题: 单台水泵运行时,若泵出口阀门开度>30%,水泵振动较剧烈,泵前、后压力表跳动,配电柜电流表跳动; 若泵出口阀门开度<25%,水泵基本可以稳定运行,电流表显示为90A。经计算，当电流为90A时，水泵流量假定为400t/h,效率按70%计，则扬程约17m，设计者大概把冷却塔和水泵的高差计入了扬程，所以水泵扬程大了一倍。幸好阀门开得小，否则水泵可能会烧电机。
再看另一种情况：在实际工程中，由于诸多原因，建筑屋面不允许放置冷却塔，而冷凝器又设于高处，形成如图5所示的系统。
这种系统当水泵停止运行时，管道内冷却水回到塔中而形成真空，产生虹吸而倒流，冷却塔集水盘处会溢水满地。设计时一般采取一定的措施，如在冷却水管的顶端安装一个真空破坏阀，如图6。或在顶部设通气管，如图7。《暖通空调》2003年第4期《冷却塔处于系统下部时的水力分析》一文提出：当系统高度太高时，在冷却塔进水处设电动阀，以防止系统停止运行时水流空，笔者认为不如图6、7方便、简单。
下面我们分析一下图7，首先，假设ab段阻力为hab，bc段阻力为hbc，水泵扬程为H，冷却塔所需出流水压为hlq。
第一种情况：h2=hbc hlq，水泵扬程仅需克服ab段阻力和ab之间的高差，即H=hab h1 h2,此时通气管的高度h3高度可为0，这是理想情况。
第二种情况：h2<hbc hlq,水泵扬程不仅需克服ab段阻力和ab之间的高差还要有余量来克服bc段部分阻力，扬程H=hab h1 h2 (hbc hlq -h2) = h1 hab hbc hlq 。很显然，当通气管的高度h3> hbc hlq-h2时，水才不会从通气管内流出来。
第三种情况： h2>hbc hlq,水泵扬程仅需克服ab段阻力和ab之间的高差扬程H=hab h1 h2，h3=0。但是，冷却塔出水中混入大量空气，水泵扬程部分被浪费了，增加了电能消耗，这不是一个经济的做法。综上所说，第一种情况是少见的，第二种情况是普遍的，第三种情况应尽量避免的。为了使系统正常经济的运行，系统高度不宜太高，设计时应进行详细计算，当出现第三种情况时，可以通过增加bc段阻力来避免。
三、多台冷却塔的并联问题规范要求选主机时要尽量做到大小搭配，以便适应负荷的变化，但这时冷凝器、水泵、冷却塔连接起来就很麻烦了。
在工程上，多台冷却塔并联运行时，配管方式一般有5种方式，见图8-12.
图9管线布置最复杂，占用空间大，但流量分配合理，运行可靠性高。图8、10、11管线布置简单，但是，经常出现溢流和补水现象，主要原因是：
1、一般在塔的进水管上安装了电动阀，而出水管上未装，不运行的塔进水阀关闭，但出水管连通。当单台运行时，用的那台冷却塔水盘中水位上升，引起溢流，而其他不运行的塔的水盘则不停的补水。
2、各塔水量分配不平衡，主要是管路布置问题，有的塔进水管道阻力小，出水管道阻力大；进水多出水少，造成溢流。有的塔则相反,不停的补水。
3、几台大小不同的冷却塔连在一起时，塔中水位不一样高，水盘低的塔必然溢流。
基于上述问题，设计时要注意平衡问题，包括水位平衡和水量平衡，通常对于合流进水方式，采取以下几种措施：
1、对于图8，每台冷却塔的进出水管上设电动阀，并与水泵和冷却塔风机连锁控制。
2、对于图8，10，11，各冷却塔(包括大小不同的塔)水位控制在同一高度，高差不应大于30mm。在各塔之间安装平衡管，并加大出水管的共用管段的管径。
3、对于图8，11，为平衡各冷水机组水量，可在各台冷水机组出水口设平衡阀。
图12管线布置简单，系统流量也易平衡，笔者常采用此方式。
四、冷却水系统的启停顺序《制冷空调自动控制》（张子慧、黄翔、张景春编）提出冷却水系统的启停顺序：风机-电动蝶阀-水泵。而某些产品样本中明确提出“冷却塔启动时一定要先开水泵后开风机，不允许在没有淋水的情况下使风机运转”。笔者认为：在过渡季的冷却水循环中，有的时间可以不用开风机。假如采用先开风机后开泵的顺序启动方式，就无法实现水泵运行而风机停止的工况。正确的冷却塔的启停顺序一般应该为：开冷却水泵-开冷却塔对应的电动蝶阀-确认淋水正常和水盘的回水正常无空气-视冷却水温的需要决定冷却塔的风机运行；停时程序相反。
五、选用冷却塔应有富余量笔者调查了许多工程，发现冷却塔与冷水机组的冷却水额定流量相等一一对应情况下，在特别炎热时，冷水机组出力降低甚至无法运行，或者，运行1台机组需开2台冷却塔。这说明国产冷却塔在标准工况、额定流量下，一般难以达到5℃温差并长期运行，所以在选冷却塔时建议按冷却水量的1.2倍来选择冷却塔。溴化锂冷水机组由于其制冷循环特点，要求更大的冷却水温差，这时，就不能选用标准型冷却塔，而要选用中温型，并根据生产厂家提供的全性能曲线图表来校核。
六、冷却水系统的变频与控制1、冷却水系统变频控制的必要性
大型中央空调系统，通常按最大负荷来设计，但是，系统大部分时间是在部分负荷下工作。空调冷却水系统一般是定流量系统，部分负荷下动力输送能耗不变，使制冷系统综合能效比大大下降。常规控制方式是对冷却塔出水温度进行调节。冷却水温度的调节，一般可采用冷却塔出水温度控制风机的启闭，或者在冷却塔进水管上安装两通电动调节阀，旁通部分水量，保证供制冷机的冷却水混合温度，同时又控制风机的启闭。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200607/8630.htm
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