1 引言
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，中央空調(diào)在商業(yè)和民用建筑中越來越普及，其能耗在社會總能耗中所占比例也在不斷上升。暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能約占建筑總能耗的65%左右，而在中央空調(diào)系統(tǒng)中，水泵作為為整個(gè)水循環(huán)提供動力的裝置，其耗電量在空調(diào)系統(tǒng)耗電量中又占有相當(dāng)?shù)谋戎?，因此，水泵的合理選擇和匹配，是空調(diào)水系統(tǒng)正常運(yùn)行調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。水泵的選擇主要是依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)所需的流量和揚(yáng)程等來確定的，但在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)水泵設(shè)計(jì)失誤的問題，本文對中央空調(diào)系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)的一些問題進(jìn)行探討。

 
2 合理選擇水泵的揚(yáng)程

　　空調(diào)系統(tǒng)中的水泵總是與特定的管路相連，其工作狀態(tài)點(diǎn)由水泵的性能曲線與管路的特性曲線共同決定（見圖1）。 
 
　　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    在設(shè)計(jì)空調(diào)水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的水力計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)流量計(jì)算出在該流量下管路的阻力，以確保選用水泵的揚(yáng)程合理。在對流量和揚(yáng)程乘以一定的安全裕量后，進(jìn)行水泵的選擇。有些設(shè)計(jì)人員未進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，認(rèn)為揚(yáng)程大一些保險(xiǎn)，或因選不到合適型號的泵而選用揚(yáng)程過大的泵，導(dǎo)致所選擇的水泵不能滿足要求，或者造成運(yùn)行費(fèi)用增加，甚至水泵不能正常工作，對此我們進(jìn)行如下分析：

　　如圖2，曲線I為管路的特性曲線，流量Qa是系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，在此流量下，管路的阻力為Ha，即水泵的揚(yáng)程為Ha，應(yīng)選用性能曲線如圖中曲線1所示的水泵，使工作點(diǎn)落在水泵性能曲線1和管路特性曲線I的交點(diǎn)A上。但若未進(jìn)行水力計(jì)算或?yàn)榍蟊ｋU(xiǎn)而使所選水泵揚(yáng)程過大，實(shí)際選用了額定流量為Qa，揚(yáng)程為Hc的性能曲線為2的水泵的話，若不對管路進(jìn)行調(diào)節(jié)，則水泵的工作點(diǎn)將移至曲線2和I的交點(diǎn)B處，則此時(shí)系統(tǒng)中的水流量將大于設(shè)計(jì)流量Qa，達(dá)到Qb，系統(tǒng)中出現(xiàn)大流量小溫差的工作情況，且由于泵2的揚(yáng)程大于泵1。其所配電機(jī)功率也大，使得能源消耗增多，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。如某工程，設(shè)計(jì)選用離心冷凍機(jī)一臺，水流量為181 m3/h，配用兩臺循環(huán)水泵，一用一備，計(jì)算得設(shè)計(jì)流量下系統(tǒng)最大阻力為24m水柱高度，若采用上海凱泉KQL系列單級立式離心泵的話，可選用KQL150/300-22/4型（水泵參數(shù)見表1），由管路特性曲線和水泵性能曲線可知：水泵的工作點(diǎn)將為流量190m3/h，揚(yáng)程27m，水泵軸功率19KW；但若認(rèn)為揚(yáng)程大些保險(xiǎn)而選用KQL150/400-45/4（水泵參數(shù)見表1），則作圖可知：水泵的工作點(diǎn)為流量250 m3/h，揚(yáng)程46m，水泵軸功率44KW，從水泵軸功率的對比可以看出，兩者耗電量相差甚遠(yuǎn)。

表1水泵性能參數(shù)

 

　　

 

 

 

 

 

 

    對已配置好電動機(jī)的水泵來說，其電動機(jī)額定功率是一定的，軸功率隨著水泵的工作狀態(tài)點(diǎn)的變化而變化，當(dāng)流量大于額定流量時(shí)，就會出現(xiàn)水泵軸功率大于電動機(jī)的額定功率，也就是電動機(jī)過載的情況，當(dāng)然，水泵廠為水泵配置電動機(jī)會適當(dāng)考慮過載的問題，配置的電動機(jī)會大一些，但是，當(dāng)流量增大很多，過載嚴(yán)重的時(shí)候，同樣可能出現(xiàn)損壞電動機(jī)的情況。

　　為了保證流量等于設(shè)計(jì)流量Qa，則應(yīng)改變管路的特性曲線，通過關(guān)小水泵出口的閥門，使管路特性曲線由I變?yōu)镮I，使水泵的工作點(diǎn)落在曲線2和II的交點(diǎn)C處，此時(shí)流量Qc=Qa，揚(yáng)程Hc>Ha，這種做法可以使系統(tǒng)流量滿足要求，且電動機(jī)不發(fā)生過載現(xiàn)象。根據(jù)泵的軸功率N=γQH/η（式中N為泵的軸功率W，γ為輸送液體的容重N/m3, Q為流量m3/S，H為揚(yáng)程m，η為效率），水泵的一部分功率由于閥門的節(jié)流阻力ΔH=Hc-Ha而浪費(fèi)，加大了能量的損失，這是非常不經(jīng)濟(jì)的。同樣以上例來說明，如果選用了KQL150/400-45/4型水泵，為使流量保持設(shè)計(jì)流量181 m3/h，則應(yīng)通過調(diào)節(jié)閥門改變管路特性曲線，使水泵的工作點(diǎn)落在流量181 m3/h，揚(yáng)程51m的點(diǎn)上，此時(shí)水泵軸功率為34W，閥門上消耗的阻力為51-24=27m，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。

　　另外，由于國產(chǎn)閥門調(diào)節(jié)性能較差，很難平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵的揚(yáng)程。有可能出現(xiàn)閥門開大一些，電動機(jī)就過載，而關(guān)小一些流量就不夠的情況。

 
3 冬夏季水泵的選取

　很多空調(diào)設(shè)計(jì)都是冬夏兩用的，即隨著季節(jié)的變化，為盤管供應(yīng)冷水或熱水。冬季熱負(fù)荷一般比夏季冷負(fù)荷小，且空調(diào)水系統(tǒng)供回水溫差夏季一般取5℃，冬季取10℃，根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)流量計(jì)算公式G=0.86Q/ΔT（式中Q為空調(diào)負(fù)荷KW，ΔT為水系統(tǒng)溫差℃，G為水系統(tǒng)循環(huán)流量m3/h），則夏季空調(diào)循環(huán)水流量將是冬季的2-3倍。假設(shè)冬季流量為夏季流量的1/3，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙管制系統(tǒng)，即管路特性曲線冬夏季是一致的，由H=SQ2，得到H1/H2=Q12/ Q22，則冬季水泵流量為夏季的1/3，揚(yáng)程為夏季的1/9。如用同一組定速泵則只能通過關(guān)小閥門的方法使系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖3所示，為保證冬季的流量，則應(yīng)將管路特性曲線由夏季的I調(diào)整為冬季的II，這必然 浪費(fèi)大量的電能。為節(jié)約能源，可考慮設(shè)計(jì)兩組定速泵分別供冬夏季使用，也可采用調(diào)速泵的運(yùn)行方式。如果設(shè)計(jì)中冬季用泵和夏季用泵分別設(shè)置,并聯(lián)運(yùn)行，冬季工況運(yùn)行低揚(yáng)程泵，將獲得顯著的節(jié)能效果。如某大廈冬夏季計(jì)算負(fù)荷分別為840KW和1002KW，循環(huán)水溫度夏季為7/12℃，冬季為60/50℃，循環(huán)水量夏季180 m3/h，冬季80 m3/h，夏季最不利環(huán)路損失為230KPa，根據(jù)公式H1/H2=Q12/ Q22，可得冬季的最大損失為45.4 KPa，現(xiàn)采用兩種設(shè)計(jì)方案：方案一是冬夏季不同負(fù)荷及部分負(fù)荷時(shí)共用循環(huán)水泵，采用三臺KQL100/150-11/2型號泵（水泵參數(shù)見表2），夏季兩用一備，冬季運(yùn)行時(shí)只需一臺泵的流量就能滿足要求，而水泵的揚(yáng)程遠(yuǎn)大于實(shí)際所需的壓頭，只能靠關(guān)小閥門來消耗掉。方案二是冬夏季分設(shè)不同的水泵并聯(lián)，采用閥門切換，此工程冬季用泵可選擇KQL80/90-2.2/2型號泵（水泵參數(shù)見表2）三臺，兩用一備。 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表2兩種方案水泵設(shè)置情況

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

冬夏共用泵組 冬夏分設(shè)泵組
夏季 KQL100/150-11/2(兩臺工作)
流量93.5m3/h，揚(yáng)程28m，電機(jī)功率11KW KQL100/150-11/2
（兩臺工作）
冬季 KQL100/150-11/2
（一臺工作） KQL80/90-2.2/2（兩臺工作）
流量44.7m3/h，揚(yáng)程10m，電機(jī)功率2.2KW

 

　　設(shè)空調(diào)系統(tǒng)全年冬季運(yùn)行時(shí)間為600小時(shí)，若采用方案一，則整個(gè)冬季水泵運(yùn)行耗電為11×600=6600KW•h，方案二為2.2×2×600=2640 KW•h，兩者相差3960 KW•h，設(shè)電價(jià)為0.90元/ KW•h，則一年的運(yùn)行費(fèi)用將節(jié)省3564元?？梢姡具x用小流量，低揚(yáng)程的循環(huán)水泵可降低耗電量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，但冬夏季采用兩組循環(huán)泵或采用調(diào)速泵會增加初投資，因此，實(shí)際空調(diào)水系統(tǒng)泵組方案的選擇要根據(jù)實(shí)際條件通過綜合經(jīng)濟(jì)比較確定，一般回收年限以2-3年為宜。除分設(shè)泵組及采用調(diào)速泵的方案外，文獻(xiàn)4還提出可通過計(jì)算，將水泵內(nèi)的葉輪經(jīng)車床進(jìn)行精確切割。從而改變水泵的性能特性，因此，還可根據(jù)冬夏季的工況不同而采用直徑不等的兩套葉輪運(yùn)行以解決冬夏季對水泵要求不同的問題。

　　一般工程項(xiàng)目中配置的冷水機(jī)組都在2至4臺之間，對于規(guī)模很大的工程項(xiàng)目，甚至需要5臺以上的冷水機(jī)組并聯(lián)工作。制冷站內(nèi)的主機(jī)與水泵的匹配一般來說是一機(jī)對一泵，以保證冷水機(jī)組的水流量及正常運(yùn)行，因此，目前我國空調(diào)水系統(tǒng)大多為有2臺或2臺以上水泵并聯(lián)的定流量系統(tǒng)或一次泵變流量系統(tǒng)。空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，都是按最大負(fù)荷情況來進(jìn)行設(shè)備選擇以保證最不利情況時(shí)的需要。在實(shí)際運(yùn)行中，空調(diào)負(fù)荷變化很大，不僅隨季節(jié)變化，而且一天24小時(shí)都在變，絕大多數(shù)時(shí)間空調(diào)設(shè)備是在低于額定值情況下運(yùn)行，設(shè)計(jì)的高峰負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間很短，也就是說，空調(diào)水系統(tǒng)經(jīng)常只有部分水泵工作，或只有單臺水泵工作，這將引起水泵的軸功率也發(fā)生較大的變化，甚至?xí)斐伤秒妱訖C(jī)過載，如圖4所示。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

    圖4為三臺相同型號的水泵并聯(lián)工作的情況，曲線1為單臺泵工作時(shí)的性能曲線，曲線2為兩臺泵并聯(lián)工作時(shí)的性能曲線，曲線3為三臺泵并聯(lián)工作時(shí)的性能曲線。管路的特性曲線如圖I示，在設(shè)計(jì)流量下，水泵的工作點(diǎn)為曲線3和I的交點(diǎn)A，此時(shí)系統(tǒng)流量為設(shè)計(jì)流量為3Q0，揚(yáng)程為H0，每臺水泵都在額定流量Q0，額定揚(yáng)程H0下工作。假如停掉一臺泵而不對管路進(jìn)行調(diào)整的話，這時(shí)水泵的工作點(diǎn)沿曲線I下降至與曲線2的交點(diǎn)B處，由圖可知，此時(shí)系統(tǒng)的流量將大于兩臺泵的額定流量2Q0，出現(xiàn)過載；如果再停一臺水泵，只剩一臺水泵運(yùn)行的話，工作點(diǎn)再下降至C點(diǎn)，過載情況將更加嚴(yán)重。因此，水泵的運(yùn)行人員應(yīng)在停掉一臺機(jī)后，將水泵出口閥關(guān)小一些，即增大管路的阻抗，使管路特性曲線由I變?yōu)镮I，在單臺泵運(yùn)行時(shí)，將閥門再關(guān)小一些，使管路特性曲線更陡，變?yōu)镮II，讓水泵工作在額定流量下。相對于國產(chǎn)水泵而言，進(jìn)口水泵配置的電動機(jī)普遍小一些，一旦流量大于額定流量，極易損壞電動機(jī)，因此，對于水泵運(yùn)行人員來說，了解水泵并聯(lián)特性并正確操作是非常重要的。

　　在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意并聯(lián)工作水泵的性能曲線，平坦型特性曲線的水泵，其揚(yáng)程發(fā)生很小的變化就會引起很大的流量變化，從而引起水泵軸功率很大的變化。如圖5所示，泵1和泵2的額定流量和額定揚(yáng)程都相同，但泵2的性能曲線較泵1平坦，曲線11和22分別表示兩臺泵1和兩臺泵2并聯(lián)工作時(shí)的情況。在2臺泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵的工作點(diǎn)的揚(yáng)程與流量相同，但在一臺泵工作時(shí)，泵1的流量變化為ΔQ1，泵2的流量變化為ΔQ2，從圖中容易看出，ΔQ1<ΔQ2，即泵2過載的情況更加嚴(yán)重。因此在選擇并聯(lián)水泵時(shí)，除要注意設(shè)計(jì)工況時(shí)的性能參數(shù)外，還應(yīng)重視水泵的性能，盡量選擇性能曲線陡的水泵并聯(lián)工作。

5 正確選擇水泵的安裝位置

　　空調(diào)水系統(tǒng)中，水泵的安裝方式通常有壓出式和吸入式兩種。見圖6和圖7，吸入式水系統(tǒng)是高層建筑常用的空調(diào)水系統(tǒng)方式，其特點(diǎn)是能減小制冷機(jī)蒸發(fā)器及冷凝器承受的壓力，因而被廣泛采用。但吸入式系統(tǒng)并不適用于所有情況，如某工程建筑高度為20m，冷熱水機(jī)組布置在一樓，冷卻塔及膨脹水箱布置在屋頂，采用圖6所示的吸入式系統(tǒng)，因冷凍水、冷卻水系統(tǒng)靜壓僅20m，而冷凝器、蒸發(fā)器的阻力損失為14~18m，加上管道系統(tǒng)的阻力，導(dǎo)致循環(huán)水泵吸入口處出現(xiàn)負(fù)壓，從而產(chǎn)生氣蝕和水擊現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。將吸入式系統(tǒng)改為壓出式系統(tǒng)后，水系統(tǒng)恢復(fù)正常。

　　普通的制冷機(jī)的蒸發(fā)器和冷凝器工作壓力一般為1MPa，筆者認(rèn)為，靜壓小于50米的空調(diào)水系統(tǒng)采用壓出式系統(tǒng)方式較合理，不會造成蒸發(fā)器和冷凝器承壓過大，也不會產(chǎn)生氣蝕，當(dāng)空調(diào)水系統(tǒng)靜壓大于50米時(shí)，則采用吸入式水系統(tǒng)以降低系統(tǒng)工作壓力。
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 結(jié)論

6.1 在設(shè)計(jì)空調(diào)水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的水力計(jì)算，確保選用水泵的揚(yáng)程合理。對水泵揚(yáng)程的選取不能認(rèn)為越大越保險(xiǎn)，而要重視運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，避免隨意加大揚(yáng)程。

6.2要重視中央空調(diào)循環(huán)水流量變化的特點(diǎn)，在夏季與冬季水量變化很大時(shí)，采用分設(shè)循環(huán)水泵方案，或用調(diào)速水泵，或采用直徑不等的兩套葉輪，以節(jié)約能源，保證系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行。

6.3 在循環(huán)水泵采用并聯(lián)運(yùn)行方式時(shí)，選擇水泵一定要按管路特性與水泵并聯(lián)特性曲線進(jìn)行選型計(jì)算。選型時(shí)，除應(yīng)注意水泵在設(shè)計(jì)工況時(shí)的性能參數(shù)外，還應(yīng)關(guān)注水泵的特性曲線，盡量選擇特性曲線陡的水泵并聯(lián)工作。運(yùn)行人員應(yīng)注意工況轉(zhuǎn)換時(shí)對閥門的調(diào)節(jié)。

6.4 在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)的靜壓值，合理選用壓出式或吸入式系統(tǒng)。