对中央空调水系统主要设备选择配置的几点看法
浙江省义乌市建设工务管理有限公司 丁伟宁
[摘要] 结合笔者的工程实践经验，对中央空调水系统中冷水机组、水泵、冷却塔等设备的选择和配置，提出了一些看法。
[关键词] 中央空调 冷水机组 水泵 冷却塔 节能
1 引言
近些年来，在大中型建筑中，中央空调得到了越来越广泛的应用，中央空调相对于房间空调器，有如下优势：（1）中央空调设备比较集中，冷热源集中安装在机房内，便于管理维护，故障率低。而房间空调器直接安装在各房间内，数量多而且分散，维修难度较大，对于一些室外机悬挂在高层建筑外墙上的分体式空调器更是如此。（2）中央空调系统噪声便于控制。中央空调系统除了通过选择低噪声的设备和对设备机房采用隔音降噪处理外，还可通过采取在风道上加装各种消声装置等措施来降低噪声，而房间空调器因压缩机距离空调房间比较近，而难以采取降噪措施。（3）中央空调末端形式美观多样，可与装修设计密切配合，管路和设备均可隐藏在吊顶内。大型中央空调都有专门的设备机房，冷却塔也是大多设置在屋顶，这样既保证建筑的美观，也节约室内的使用空间；而分体式房间空调器的风冷式室外机须零散的悬挂在外墙或装于室外地面上，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，这无形中减少了房间的使用面积。(4) 中央空调系统能效比高，运行费用低于房间空调器。（5）中央空调能设计安装新风系统，保证向房间输送新风，使房间始终保持空气清新、卫生，过渡季还可采用全新风，但房间空调器一般只有通过开门、开窗或采用新风换气机通风换气，冷量损失大，不仅影响房间温度的稳定，而且浪费了能源。
综上所述，在大中型建筑中采用中央空调，比采用房间空调器具有明显的优势。但是，中央空调系统从设计、设备材料选用、安装施工到调试，都有极高的专业性要求，若在任一环节出现质量问题，就会导致空调系统失去其应有的优势，甚至导致系统不能正常运行。本文结合笔者多年来的工作经验，就中央空调水系统设备的选择配置方面应注意的几个问题和大家探讨一下。
2 水系统主要设备的选择和配置
2.1 冷水机组
冷水机组种类较多，根据所用能源有电动式机组和吸收式机组；根据冷却方式，有水冷式、风冷式和地源热泵机组；根据压缩机类型，有离心式机组、螺杆式机组、活塞式机组。各种类型冷水机组有不同的特点和应用范围，具体工程应根据能源配置等具体情况选用合适的冷水机组。
选用冷水机组需注意一个重要的指标：性能系数。冷水机组的性能系数必须满足国家节能标准要求。因空调系统运行能耗是民用建筑能耗的主要组成部分，而冷水机组的运行能耗是中央空调系统能耗的主要组成部分，国家《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005对冷水机组的性能系数大小作了强制性的规定要求。在实际应用中，性能系数大小应按照工程所在地的地方节能标准执行，如浙江省内的公共建筑应按照浙江省《公共建筑节能设计标准》DB33/1036-2007执行，该标准对于甲类建筑中使用的冷水机组、热泵机组的制冷性能系数要求高于国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的要求。
除了性能系数，还有一个比较重要的指标，是综合部分负荷性能系数。由于气候变化及其它多种因素，中央空调系统大部分时间在部分负荷下运行，冷水机组的综合部分负荷性能系数反映的就是机组在部分负荷运行情况下的能耗情况。国家和地方的节能标准，对于冷水机组的综合部分负荷性能系数大小，虽然没有作为强制性条文提出要求，但给出了推荐值，笔者认为在设备采购时，应将此值作为与性能系数同等重要的一个参数加以考虑。同时希望国家节能标准在下次修订时将对综合部分负荷性能系数值的要求作为强制性条文。关于冷水机组综合部分负荷性能系数的计算，《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005给出的计算公式，其中的系数是根据我国4个气候区分别统计平均得出的[1]。笔者认为，各个气候区，各负荷段机组运行时间不一样，应分别有对应的计算公式。笔者赞同浙江省《公共建筑节能设计标准》DB33/1036-2007按夏热冬冷地区空调运行情况给出的适合于浙江省气候条件的计算公式。
目前一些大型工程，为了节约空调冷冻水泵的运行能耗，采用大温差设计，冷冻水供回水温差由传统的5℃改为6~8℃，这给设备选型带来难题：节能标准中给出的性能系数和综合部分负荷性能系数，是以标准的5℃供回水温差而定的，在供回水温差加大的情况下，如何确定所选用的设备是否满足节能要求呢？根据笔者经验，可用这样的方法：在设备招标、采购时，可要求投标单位提供计算书，该计算书对所提供的设备，既要计算其在大温差设计工况下的性能，又要计算其在标准工况下的性能，再按标准工况下的性能判断其是否符合节能标准要求。
对于冷水机组的台数选择应尽量避免选用单台机组，而选用两台或两台以上的冷水机组，这样就可在负荷变化的情况下，根据实际情况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。
大型冷水机组的控制柜，一般与机组分离配置，就近安装。在工程实践中经常碰到这样的问题：控制柜与机组之间的电源线，冷水机组供应商认为应由建筑设计单位设计，而建筑设计单位认为应由供应商确定，互相扯皮。结果，有的工程由冷水机组供应商确定，而我们发现由冷水机组供应商确定的电缆线规格往往偏小。所以建设单位在与建筑设计院签订设计合同或与冷水机组供应商在签订设备供货合同时应明确这些细节问题。
2.2 水泵
空调系统运行能耗中，水系统的输送能耗占有较大比例，据笔者对义乌国际商贸城等一些工程的统计结果，水泵的运行能耗约占空调系统总能耗的25~30%，因此，国家和地方的公共建筑节能设计标准对水系统的输送能效比作出了规定，以限制水泵的运行能耗，详见参考文献[1]。为此，选择水泵，不仅仅要考虑流量和扬程，还要考虑水泵的运行效率，使水系统的输送能效比符合国家节能设计标准要求。一般设计文件会明确提出对水泵效率的要求，如果不明确，建设单位可要求设计单位明确。
笔者根据多年的实践，认为对水泵采用变频控制是节约水泵运行能耗、延长水泵寿命的一种有效方法。当空调负荷减少时，冷水机组的制冷量相应自动减少，此时，若水泵仍在定速工况下运行，就出现“大流量小温差”运行的情况，能耗较大；若手动调节水泵出口的阀门，减少流量，则水泵扬程增大，部分能量消耗在阀门上，水泵运行状态偏离最佳效率点，没有达到应有的节能效果。而变频控制时，水泵流量会自动降低，运行功耗相应下降，而且下降幅度大于流量的下降幅度，水泵仍在高效区运行，且水泵的振动和噪声降低，有利于延长水泵的运行寿命。在选择变频水泵时，宜要求供应商配套提供变频控制柜。此外，根据冷水机组允许的最小水流量设定频率调节下限，并注意冷水机组允许的水流变化速度。
中央空调系统一般有多台水泵和多台冷水机组。水泵和冷水机组最好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和多台冷冻水泵独立并联设置的方式。这种方式优点是比较简洁、方便，但这种方式在一部分冷水机组处于停开的状态时，如果未把停开部分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，进而影响机组效能的发挥，降低冷水机组的COP值，也会使冷冻水泵和冷却水泵的运行工况偏离额定工况点。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时，又需要及时打开增开部分机组管路上的阀门，这种方式操作比较麻烦也容易出现误操作，对于运行管理也不利。解决这个问题最简单的办法是在冷水机组管路中增设电动蝶阀，把电动蝶阀、冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵设为连锁运行控制，减少人为错误的机率。
大型的中央空调冷水系统，随着空调区域冷负荷的改变，投入使用的机组和水泵台数也将随着增减，同时空调冷水系统的管网流量也发生改变，在低负荷运行情况下，尤其是水泵只需要单台运行时，空调冷水系统阻力很小，这导致冷水泵超流量运行，引起电机效率的降低，以及水泵运行电耗的增加，并极容易发生电机过载烧毁的事故。对此，建议解决的方法：一种是冷冻水泵采用变频控制技术；另外一种是在每台水泵的出口装设一个限流止回阀，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流的作用。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。这种方式相对于第一种方式节能效果差，优点是降低系统投资，系统运行管理更加方便。
2.3 空调末端设备
目前常用的空调末端设备是风机盘管和空气处理机。对于风机盘管，由于结构简单，不少人认为其技术含量不高，各厂家产品性能差不多，哪家价格便宜就选哪家产品。其实不然。风机盘管在质量、性能上还是有差别的，应根据设计要求对各厂家样本进行比较。选用时除了风量、制冷量、制热量等指标外，还要明确噪声、机外余压、凝结水盘长度、材质等方面的要求，安装于宾馆客房和家庭卧室的风机盘管，噪声应较低。风机盘管及送回风口位置，往往与装修设计有矛盾，暖通设计和安装应与装修设计与施工密切配合，不得随意改变风口位置与尺寸，并要求装修施工在阀门过滤器安装位置的附近留有检修口，检修口尺寸宜为400*400。
对于空气处理机组，选择时除了风量、制冷量、制热量、机外余压指标外，还应明确送风口、回风口和新风口的接口位置、大小，以及机组的安装尺寸、盘管表面的风速等参数。常见的问题是空调机房面积太小，机组安装后难以操作和检修，为此，在设计阶段，就要求设计单位给机房留出足够的面积。
大风量空气处理机组一般为组合式空气处理机组，各功能段在现场组装。功能段之间的密封性很重要。笔者见到某剧院组合式空调机功能段之间的密封性太差，导致送风量不足。
空气处理机的风机宜采用三速控制或变频控制，以便能在低负荷时达到既节能又保持房间舒适性的要求。
2.4 系统定压及补水装置
设置系统定压装置的目的是使系统能在稳压状态下运行，保证水系统不倒空、不汽化。一般中央空调系统的定压装置点均设在冷冻水泵入口的回水干管或集水器上，这样可以使水泵产生的压头在系统中得到合适的分布。目前空调系统定压补水方式主要有开式膨胀水箱定压补水、补水泵定压补水、气体定压罐结合补水泵定压补水等。
笔者认为，在条件允许的情况下，应优先采用开式膨胀水箱补水的方式，这种方式压力稳定且节能，是最经济简单的方式，所以在现实工程中大量使用。对于膨胀水箱定压补水系统，我们在很多工程中都发现这样一个现象：施工单位在膨胀管上安装一只阀门，而这在设计规范中是明确禁止的，设计图纸上也不会有，一般是施工单位自作主张安装的，一旦此阀被关闭，不仅使系统起不到补水定压的作用，还会给系统留下极大的安全隐患：当系统压力升高时，道道或设备将因超压而损坏，同时室内设施可能因冷冻水的泄漏而损坏。所以，在技术交底或日常检查与验收中，应要求施工单位不得在膨胀管上安装任何阀门。
由于膨胀水箱必须设在系统的最高点，在有的工程中布置膨胀水箱有困难，只能采用其它定压补水装置。利用补水泵连续补水定压的系统，其定压装置是由补水箱、补水泵和调节器组成，在系统正常运行时，通过压力调节器作用，使补水泵连续补水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，但这种定压补水的方式，一般需连续运行，耗电大。当前利用气体定压罐结合补水泵定压补水装置被大量使用，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，当系统准备运行时，开启补水泵，水被送到管网的同时也被送至气压罐的水室，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）,水泵开启，系统进行补水。装置中的压力传感器和电磁阀均是安全保护装置，当系统超压时，可通过压力传感器和电磁阀将多余的水排出系统。如浙江义乌国际商贸城三期市场补水定压系统就是采用这种方式。需要注意的是压力传感器动作压力的设定值必须合理。
2.5 冷却塔
冷却塔作为中央空调系统的附属设备之一，其选择往往得不到重视。但冷却塔如果选择不当，就会造成系统不匹配，轻则造成运行能耗增加，重则造成空调主机工作不正常，出现故障停机等问题。
目前常用的冷却塔有逆流圆塔式或横流方塔式。圆塔式冷却塔的不足之处是因旋转布水器需要水流来推动，当冷却水流量减少时，其旋转布水器因冷却水流量不足而不能保证正常的旋转速度，甚至停转。这样必将会造成冷却水不能均匀分布喷洒散热，影响与空气的接触面和接触时间，严重减弱降温冷却效果并增加能耗。横流式冷却塔布水器是固定的，其水流分布基本是均匀的，而且流速也会更缓慢一些，这样冷却水得到的冷却后温度可以降得更低，并使整个系统获得更好的制冷效率降低运行能耗。
冷却塔容量应根据冷水机组需要的冷却水量和当地的气象参数以及冷却塔的热力特性曲线来选型，容量选型时必须考虑一定的裕量。理论和实际都说明，在合理范围内，冷却水温每降低1度，制冷效率平均提高3%，冷却塔合理偏大设置选型，冷却水温基本可以降低2～4度。
冷却塔的飘水损失，是衡量冷却塔性能的一个重要参数，因选用飘水率低的冷却塔，以减少冷却水的损耗。
容量较大的冷却塔宜采用多台风机，每台风机应能独立控制，以便根据需要控制风机的运行数量达到节能效果。
冷却塔有自带集水盘与不带集水盘类型的。一般中小型项目都采用自带集水盘类型的，免得建造集水池。但集水盘容量必须合适，笔者见到个别工程集水盘深度不够，运行中空气很容易进入冷却水系统，使空调系统不能正常运行。
多台冷却塔安装并联使用时，若没有共用集水池或集水盘，则各塔的集水盘之间应安装连接管，连接管的管径宜比回水总管管径大一个规格。
2.6 检测与控制仪表
根据国家节能设计标准要求，中央空调系统应进行监测与控制，总装机容量较大、数量较多的大型工程的冷热源机房，宜采用机组群控的方式。
监测与控制系统，特别是群控系统，一般由专业公司设计、安装与调试。建设单位应及早确定专业公司，以便在水系统管道预制、安装阶段为各类监测与控制的传感器、仪表安装留好接口。一些工程由于专业公司确定得较迟、进场较晚，等管道安装后甚至保温后再去开仪表安装口，对管道的防腐性能造成一定影响，还浪费保温等材料和人工。
在选用监测仪表时，应明确仪表的精度和准确度。仪表的量程范围应合适。
3 结语
中央空调水系统设备的选择和配置，不是一件简单的工作，要考虑的技术性因素较多。目前中央空调设备质量参差不齐，设计施工单位经验与服务质量也相差较大，而多数建设项目都采用招投标的方式确定设计单位、施工单位和设备材料供应商，在招标文件规定的评标办法中，往往将商务报价的比重定得较高，导致质量差而报价低的单位中标，这对中央空调系统的建设质量是不利的。建设单位应重视设备的选择和配置。
参考文献：
1、 浙江省建设厅、浙江省质量技术监督局联合发布，公共建筑节能设计标准，DB33/1036-2007，北京：中国计划出版社，2007。
2、电子工业部第十设计研究院主编，空气调节设计手册，北京：中国建筑工业出版社。
3、陆耀庆主编，供暖通风设计手册，北京：中国建筑工业出版社。
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