冷却塔补水量及冷却水温度对空调系统的影响!
2025-07-08 13:31:51
冷却水系统设计的目的是给机组创造一个连续、可靠的运行条件,因此保证冷却水系统的合理配置十分必要。保证每台机组的冷却水流量和进水温度要求,是设计中两个最主要的关注点。 一、冷却塔的设置
①、对环境的要求
冷却塔作为换热设备,设计中必须考虑提供其优良的换热条件。冷却塔依靠室外空气进行冷却,其进风温度参数和风量需求是两个重要的参数。合理的布置是:将冷却塔设置于较为空旷的室外场所或者屋面上。但在一些工程中,由于建筑外立面、环境景观等原因,将冷却塔进行了一些遮挡,对此要进行详细的考虑和计算。以下图为例说明。
a、进风风量保证措施。如上图所示。当遮挡物为实体墙时,为了保证风量,遮挡物与冷却塔边缘的间距应满足S≥h的要求,使得从冷却塔与周围墙之间的空间上部进风的空气流通面积不小于冷却塔本身的进风面积。如果小于,则应在实体墙下部开设进风百叶,进风百叶的净面积不应小于冷却塔本身的进风面积。
b、进风温度保证措施。首先,冷却塔不应设置于有高温气体排放的环境之中。其次,防止冷却塔出风和进风之间的"短路",以确保进风为100%的室外空气。因此,冷却塔出风口的上方一定的高度范围内,不应有影响排风的障碍物。除此之外,在上图中,如果冷却塔周边的围挡物为实体墙,则要求出风口与墙顶端的高差(h2-h4)≥h1;如果(h2一h4)≤h1,则同样应在实体墙下部开设进风百叶,进风百叶的净面积同样不应小于冷却塔本身的进风面积,且应保证h2一h3≥h1;上述两点都无法满足时,则建议在设置墙体进风百叶的同时,在冷却塔顶部设置气流隔离板(类似屋顶),如上图中虚线所示。
②、防止抽空
多台冷却塔通过共用供回水总管与制冷机房相连接时,如果只需要运行部分冷却塔,因停止运行的塔无进水补充(进水管上的电动蝶阀关闭),该塔存水盘中的水位将有所下降,严重时会出现无水"抽空"现象,导致空气进人冷却水系统之中。在冷却塔下方采用大容量的蓄水池可以解决问题,但会带来投资或者运行能耗较高的代价。可以采用以下任一措施:
a、提高安装高度或者加深存水盘。由于冷却塔通过总管并联,如果存水盘的设计水位与总管顶部的高差大于最不利环路冷却塔回水至最有利冷却塔回水支管与总管接口处的设计水流阻力,则可杜绝抽空情况的发生。
b、设置连通管。在每个冷却塔底部设置专门的连通管,将各冷却塔存水盘连通,利用水自然平衡特点解决上述问题。
③、设置位置及相关要求
除了远离高温气体排放的场所外,从水力工况上也应注意冷却塔的设置位置及冷却水泵在系统中的连接方式。
a、原则上,闭式塔可以在系统的任何位置设置。由系统封闭,须考虑冷却水热膨胀的相关措施(与空调冷水系统类似,需要设置补水与膨胀装置)。
b、开式冷却塔首先要求的是冷却塔存水盘的水面高度必须大于冷却水系统内最高点的高度,否则当系统停止运行时,将有大量冷却水通过冷却塔存水盘溢水口溢出,不但导致水的浪费,更会使系统进入空气,而无法再次运行。当冷却塔存水盘与冷却水泵之间的高差较小时,为了防止水泵吸入口出现负压而进入空气的情况发生,应把冷水机组连接在冷却水泵的出水管端。
④、开式冷却水系统的补水量
开式冷却水系统的补水量包括:蒸发损失、漂逸损失、排污损失和泄漏损失。当选用逆流式冷却塔或横流式冷却塔时,空调冷却水的补水量应为:电制冷循环水量的1.2%~1.6%,溴化锂吸收式制冷循环水量的1.4%~1.8%。
补水位置:不设集水箱的系统,应在冷却塔底盘处补水﹔设置集水箱的系统,应在集水箱处补水。
二、冷却水温度选取原理、范围
集中空调系统的冷却水水温宜符合下表的规定。
冷却过程的核心循环机制包括两个关键步骤:
1、 在冷凝器中吸收热量;
2、 在冷却塔中释放热量;
因此,冷却水的运行温度受到这两个环节的严格制约。(冷却水的运行温度包括进、出冷凝器和进、出冷却塔四个特征温度,若不考虑管道温度变化,进冷凝器温度=出冷却塔温度;出冷凝器温度=进冷却塔温度)
在冷凝器中,制冷剂蒸气和冷却水分别流经冷凝器换热管两侧,进行热交换。为确保冷凝器中冷凝热的顺利传递,冷却水的温度必须低于制冷剂蒸气的冷凝温度(进冷凝器温度上限)。否则,冷凝热将无法有效地传递给冷却水。基于这一原理,我国规定冷凝器的冷却水一般进水温度设定为32°C(额定工况)。
在冷却塔系统中,经冷凝器加热的冷却水与大气直接接触,通过接触和蒸发两种散热方式排放空调废热。通常情况下,冷却塔的进水温度与冷凝器出水温度一致。为了确保冷却水在冷却塔内有效散热,其从冷凝器排出时的温度应设置得稍高于室外空气温度(进冷却塔温度温度下限)。我国规范推荐将冷凝器冷却水出水温度设为37°C(额定工况),这一设定目的是确保在多数环境下冷却塔进水温度高于环境气温,从而提高整个散热效率。
即:
冷却水温度的最小值=进冷凝器温度≤制冷剂蒸气的冷凝温度
冷却水温度的最大值=出冷凝器温度≥室外空气温度
鉴于进冷凝器温度=出冷却塔温度,出冷凝器温度=进冷却塔温度,因此,只需要判断冷凝器温度区间大小,即可确定冷却水温度范围。
冷凝器出水温度为什么不能过低?
1、 在制冷循环中,冷凝器出水温度过低会导致冷凝压力下降,进而缩小与蒸发器间的压差。若压差减小,在蒸发器工况不变时,可能引发制冷剂流量不足,触发机组低压报警,影响系统正常运行。
2、 许多冷水机组采用封闭式电机设计,并利用冷凝器的一部分制冷剂対电机进行内部冷却。当制冷剂流经电机定子绕组吸收热量后回流至蒸发器时,其流动依赖于冷凝器和蒸发器之间的压差。郭鹏学暖通如果冷凝器出水温度偏低导致冷凝压力大幅降低,则制冷剂的冷却效能将减弱,增加电机过热风险,并可能导致电机保护机制启动。
3、 现今大多数冷水机组压缩机使用滑动轴承,需要连续润滑油润滑。长期处于冷凝器出水温度偏低的状态下,可能会阻碍润滑油的有效循环和分布,从而触发机组缺油报警,严重威胁设备的安全稳定运行。
在实际工作中,冷凝器的冷却水一般进水温度为32℃(额定工况),但存在最低温度限制,该温度因厂家而异,如特灵在16℃以上,约克在12.8℃,开利在15℃。
冷凝器出水温度为什么不能过高?
1、 冷凝器出水温度对于整机效能具有直接关联性。当冷凝器的出水温度下降时,系统整体运行效率得以提升;相反,若出水温度过高,则会显著降低设备的整体能效表现。
2、 在高温状态下,冷凝器出水温度上升不仅意味着冷凝饱和压力增加,进而对离心式压缩机产生影响,增大其运行压比,有可能触发喘振保护机制。同时,随着冷凝压力不断升高,在用户负载较大的情况下,可能会加剧机组的工作负荷,导致功率消耗和电流过大,从而引发安全问题。
3、 高温工作环境下的冷凝器容易出现结垢现象,尤其是铜管材质的换热器,随着出水温度的提高,结垢速度加快,这将不利于热交换性能的有效发挥,进一步降低系统的冷却效率。
4、 鉴于冷凝器内部压力与出水温度成正比关系,出水温度过高即意味着冷凝器内压力逼近或超出设计上限。为了确保机组安全运作,冷水机组配备了高压保护装置,当出水温度过高引起冷凝器压力超过预设的安全阈值时,系统将会自动触发报警并停机,以防止潜在的风险和害。
三、冷却水系统的水温控制
如上文,集中空调系统的冷却水水温宜符合下表的规定。
实际冷却水最高的进水温度,主要取决于冷却塔的性能。在全年运行过程中,按照设计工况点选择的冷却塔,随着室外气温(主要是湿球温度)的降低,出塔水温会下降。冷水机组的冷却水水温过低时,会造成电动压缩式制冷系统压缩比下降、运行不稳定、润滑系统不良运行,并出现停机保护;吸收式冷(温)水机组则出现结晶事故,也会引起停机保护,因此有必要采取一定的措施避免上述问题出现。通常有两种方法:旁通控制法和风机控制法。
①、旁通控制法。
如下图所示,通过设定的冷却塔出水温度,控制供回水管之间的旁通阀,可实现上述要求。此方法与冷水系统的压差旁通控制法有类似之处,但水力工况不完全相同。
②、风机控制法。
由设定的冷却塔出水温度直接控制风机的转速,能起到既保证需求又节省风机能耗的目的,是值得采用的较好方法,且对于单台冷却塔和多台冷却塔并联的系统都是适宜的。对于后者,还可以采取控制风机运行台数的方法-适用于组合式冷却塔(一台塔配有多个风机)。
在每台冷却塔的进水管上设置电动蝶阀,其目的是让冷却塔的运行与冷水机组的运行进行联锁——冷水机组运行时,对应的冷却塔进水管上电动蝶阀开启,同时风机运行进行冷却,保证每台冷却塔的冷却效果。这是一种比较常见的、较为可靠的运行方式。由于建筑部分冷负荷的出现都是与室外气候相关的,在只需要运行一台冷水机组时,由于冷却效率的提高,风机可降低运行速度。
在动态工况下,由于系统内部分末端的控制阀关闭时,导致系统内的压力 升高,使得其他盘管的水量增加,而根据盘管的散热特性,这种流量的增加并 不能带来与之相配的散热量的增加,而使得这些盘管所配用的调节阀动作幅度 小于将盘管水温降限制与设计值所需的动作幅度;此时导致系统处于低温差大 流量工况,而水泵功耗远大于实际所需。
同样对风机盘管的小型末端采用开关控制也会导致在部分负荷时流量大于 实际所需。对于盘管而言,即使通过流量为额定流量的 200%时,盘管的热输出 也仅增加 10%。从而使水在通过盘管时不能充分换热,导致系统出现小温差和 过流现象。在 50%系统负荷时,由于散热盘管的热性,盘管实际仅需 18%的流量,而如果采用开关控制,则阀门会开启 50%左右的平均时间,在 50%的开启时 间内通过 100%的流量(或更多),相对平均的流量为 50%,远大于实际所需的18%。。
后果:此类水力平衡问题的静态部分,往往是由较为保守的水泵选型以及 管道水力计算造成,盲目放大管径以及对于水泵扬程附加了过多的安全系数。 该问题可以通过对系统水力平衡状态进行解决,从而改善水泵工况点,降低水 泵功耗。盲目更换水泵、或者为水泵加装变频装置,造成高额投资及运行费 用。
这种情况在上世纪 80~90 年代,空调开始大规模进入民用建筑,设计院的 经验尚不丰富,加之人们传统的观念,选型往往偏大,而动态的过流问题,会 造成水泵的功耗大于实际所需。
3.3室内温度波动、稳定时间长
原因:动态。
描述: 由于暖通换热系统及控制系统的特性要求,需要控制阀门的控制信 号与盘管热输出之间为线性关系。系统内平衡阀与控制阀选择不当, 会导致阀 门控制信号与热输出之间的关系成为上抛型。在阀门小开度时,造成室内温度 波动;而在阀门大开度时造成室内温度的稳定时间过长。
后果: 温度波动及温度的稳定时间过长,会导致室内舒适度下降,同时导 致控制阀门的执行机构的“过劳”。
3.4冷机小温差综合症
原因:动态及其他
描述:当系统出现大流量小温差运行时,传统的自动控制系统会根据流量
决定冷机启停台数,而开启的冷机均工作于部分负荷下,而冷机效率在接近满 载时最高,部分负荷时效率会大幅下降。
而出现大流量小温差有很多原因,除去采用一次泵定流量系统、负荷侧变 流量冷机侧定流量系统、二次泵系统这三种系统本身的原因外,另一个更重要 的原因是未根据变流量系统选择正确的平衡阀和调节阀。而这类问题往往会被 忽视,或归因于冷机本身,而无法得到正确解决。部分负荷时,传统空调系统 的内温差远低于设计值。并且随着负荷的降低,情况进一步恶化。这种典型的 暖通空调系统,全年大部分时间是处于 10%~50%的部分负荷运行中的。
后果:冷机在小温差工况下的效率降低,导致耗能大幅增加,严重时,离 心机等对负荷调节比较敏感冷机,会导致冷机的喘振和损坏。同时由于系统小 温差大流量运行,系统的输送效率比较低,水泵功耗高,由于冷机和水泵能耗 在空调系统中占有很高的比重,因此对这两者的优化运行是提高整个系统效率 的关键。
实例分析:在某电子厂房项目中,空调水系统运行初期,会发生整个机房 乃至附近房间噪声明显加大,甚至机组和楼板发生共振,震动随着墙体和管道 传到主车间,当整个系统有负荷变化的时候,这种情况就会好转。为了解决这 一现象,对机房内的管道增加了许多固定支架,但是效果甚微,然后就集中项 目部丰富经验的工程师,一起查找原因,最后经过对整个系统的排查,认定了 是低负荷运转而使冷机发生喘振现象。
因为离心式制冷机组,在压缩机吸气口压力或流量突然降低,低过最低允 许工况时,压缩机内的气体由于流量发生变化会出现严重的旋转脱离,形成突 变失速,这是叶轮不能有效提高气体的压力,导致压缩机出口压力降低,系统 管网的压力没有突然降下来,使得气体从压缩机倒流,系统管网压力低至压缩 机出口压力时,气体向系统管网流动,如此反复,就出现了喘振现象。
为了解决这个问题,为每台冷机均设置了动态平衡阀,对系统水力分配情 况进行调节,当系统负载处于部分运行时,冷冻水流量减小的情况下,动态平 衡阀则根据所负担的支管路压力变化情况自行调剂其开启度,循环泵工作频率 亦随之变化,避免了大流量小温差运行工况,冷机质量效率提高,减少了冷机 的工作时段,同时减少了水泵的功耗,并降低了系统的运行成本。
4水力平衡方案的要点
系统的水力平衡方案或部件需要解决以下问题:
解决静态水力平衡问题,防止因静态水力问题导致冷热不均及水泵过流问
题;适应末端变负荷运行的要求,为末端提供从低负荷到全负荷全过程稳定的 水力工况;适应末端变负荷运行的要求,系统部分负荷运行时,导致系统压力 波动时,能将此压力波动吸收、屏蔽,避免影响末端调节阀两端压力波动;同 时防止欠流风险,最大程度发挥变流量系统的节能潜力;适应末端变负荷运行 的要求,提高末端调节阀的控制精度;适应系统变流量运行的要求,为冷机及 水泵提供高效运行的基础条件,消除系统小温差大流量运行现象。
5 空调水力平衡应该注意的问题:
5.1空调水系统应优先采用一次泵变流量系统
由于空调的水力平衡影响到整个系统的方方面面,同时也受到各方面的影 响,空调水系统应采用变流量系统,应优先采用一次泵变流量系统,以最大限 度提高系统在部分负荷时的效率;泵的变频控制应采用最不利环路定压控制, 以发挥系统节能潜力。系统水泵选择以及运行中优化设定时,应以计算和实测 相结合,避免保守的水泵选型造成系统功耗增加。
5.2安装静态或动态平衡阀
结合工程实际情况,定流量系统用静态平衡阀,就是说在终端用户使用压 力和流量变化不大的情况下最好使用静态平衡阀,既达解决问题又起到了节约 的目的。
变流量系统用动态压差平衡阀,即在终端用户使用压力和流量变化较大的 情况下使用动态平衡阀,在一定的压力范围内限制末端设备的最大流量或自动 恒定流量,在大型、复杂、空调负荷不恒定的工程中,简化了系统调试过程, 缩短了调试时间,特别是在异程水系统中,可以很容易的实现水力工况平衡, 满足设计环境温度的要求,并且在空调系统的运行中,末端设备不受其他末端 启停的影响。在大型集中空调系统中,在空调设备(空气处理机及风机盘管) 末端装置设置平衡阀,通过三通或两通电动阀保证设备所需流量,平衡阀就实 现了水力工况调节。在冷热源、冷却塔、水泵等处设计管线受限时,用平衡阀 来避免负荷偏载,保证设备正常运行,精确的控制室内的温度。
5.3动态平衡阀不应多级设置
在空调设置中,手动调节阀是多级设置的,而按照这一做法多级设置动态 平衡阀是不对的,如果下级的一个或多个设备关闭电动阀,而上级平衡阀仍保 持流量不变,则会造成下级未关闭的设备流量增加,不但加大了水流噪声,而 且也增加了不必要的投资。
结论
定流量系统与变流量系统是多种多样的,在这里只简单地分析几种典型的 形式。需要注意的是,在实际的工程设计中,应根据工程投资和系统的精度要 求合理地选用水力平衡设备,既要满足工程设计和技术规范要求,同时满足最 小投资和最低运行成本的方案。
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