某水源多联机空调公共水环系统设计研究

王镇宝

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361006)

0 引言

随着科学技术的迅速发展，国家对绿色建筑不停地提高建造标准，暖通空调领域中新的节能措施和环保要求等绿色建筑方案大量涌现，针对同一个设计项目，往往有几种、甚至十几种不同的暖通空调设计方案可选择。在评价空调设计方案时，常常认为越复杂的方案越好。但暖通空调系统本身随着环境的变化而变化，暖通空调设备及阀件越多、控制系统就越复杂，初投资成本就越高，系统运行的可靠性、可操作性和可维护性就越不利。因此在满足使用功能的前提下，系统越简单对系统运行越有利。最好的设计方案应能贴近项目的实际要求。

1 工程概况

某23层办公楼由于外立面采用封闭式的玻璃幕墙，无法在外立面留出空调百叶，且裙房屋面及主楼屋面可放空调设备的场地又少。业主在办公业态的定位上做了详细考虑，并对其办公楼进行初期的规划：1、2层按商业考虑，3～10层考虑对外出租(4层设一个公共的大会议室)，除4层大会议室外，所有出租楼层及商业部分初期均不考虑设备安装；11～23层为自用办公楼层，自用办公楼层有个别部门需加班；且要求空调系统能源计费方式简便。

通过对建筑功能的分析及业主的要求，不难看出：空调系统要满足不同功能区制冷、采暖要求，使用时间差异，系统应能够根据负荷的波动自动调节，以满足室内的舒适性要求；不同使用功能对空调系统的独立控制要求较高，且需要独立计费。

2 空调系统分析

综上所述，笔者与多位技术负责人进行探讨：由于建筑外立面采用封闭式的玻璃幕墙形式，该办公楼用传统水-水空调系统与多联机空调系统进行对比。根据使用时间的不确定因数，无法评估加班时所需的空调负荷，选择传统水-水空调系统难以独立计费及部分空调负荷对节能不利等因素，因此多联机空调系统比较适合本大楼的设计；又因没有多余的场地放置大量多联机空调外机，因此只能优先采用水源多联机空调系统加风冷多联机空调系统：1、2层商业及4层大会议室采用风冷多联机空调系统，空调外机设于裙房屋面；其余办公楼层采用水源多联机空调系统，又将3～10层对外出租楼层与4～23层自用办公楼层分为两个系统，便于物业管理。

3 设计选型(常规做法，只简要说明系统概况)

水源多联机空调系统及集中送排风系统按功能划分为高低区两套系统，低区为3～10层，高区为11～23层。每套系统由水源多联机空调主机+夏季闭式冷却塔+板换+低噪型风冷螺杆式热泵机组+公共水环路组成。低噪型风冷螺杆式热泵机组提供新风冷热源及冬季采暖热源，空调冷冻水供/回水温度:7/12℃，采暖供/回水温度:40/45℃。

水源多联机空调系统冷却系统(由于水冷系统造价比风冷系统高20～40%，且主机换热器对水质要求较高，为了更好地保护水源多联机空调主机的换热器)因此冷却水系统只有以下两种选择：①开式冷却塔+板换+循环泵——初投资低，但占地面积较大，系统维护复杂；②闭式冷却塔+循环泵——初投资略高，系统集成度高，维护简便，且能有效避免外来杂质对主机换热侧的堵塞，腐蚀管道和设备，造成能耗增加，换热效率下降。结合该项目的实际情况：空调设备安装空间有限，因此采用闭式冷却塔+循环泵。

办公楼同时设置新排风系统：为了节约能源，办公新风、排风采用转轮热回收组合空调箱集中送、排风；高区转轮热回收组合空调箱设于屋面空调机房内，低区转轮热回收组合空调箱设于地下一层空调机房内。

4 公共水环路介绍

主机选型及新排风系统均为较常规的做法，笔者不再详细论述，本文重点介绍公共水环路的设计思路及其控制系统[1]如图1 所示。

图1 空调水系统原理图

(1) 由于高区与低区的冷热水系统大同小异，因此本文仅介绍高区水系统。每套冷热水系统选用4台闭式冷却塔，2台空调季循环泵，2台采暖季循环泵，1台加班循环泵；循环泵均为变频水泵，季节转换通过电动阀开关切换，具体切换操作如图1中的“制冷、采暖操作表”。

①空调季冷却循环水路的控制规则：当某台室内机开启时，首先开启冷却塔的风机→接着开启水源多联机空调系统电动阀→再开启冷却水系统相应的电动阀→接着开启冷却水泵→最后开启水源多联机空调系统。停机顺序相反。

加班时的部分负荷的控制规则：当某台室内机开启时，首先开启水源多联机空调系统电动阀→再开启冷却水系统相应的电动阀→接着开启加班小流量冷却水泵→再开启水源多联机空调系统(此工况属于冷却水自平衡模式)；当冷却水系统无法把水源多联机空调系统所散发出来的热量带走，就需开启冷却模式。停机顺序相反。

工作原理：水源多联机空调系统的主机及室内机使用数量稳定时，其系统的运行通过监控冷却循环水的温度来调控。冷却循环水系统根据冷却塔不同的回水温度可细分5种模式：其一：自平衡模式(冷却系统循环水不流经冷却塔)；其二：冷却系统循环水流经冷却塔，经冷却塔散热片自然对流，风扇不开启；其三：冷却系统循水流经冷却塔，经冷却塔散热片自然对流，且冷却塔风扇延迟开启；其四：冷却系统循环水流经冷却塔，冷却塔风扇开启强制与冷却塔散热片对流，喷淋泵延迟开启；其五：冷却系统循环水流经冷却塔，冷却塔风扇开启强制与冷却塔散热片对流，喷淋泵开启降温。

此做法目的是：加班时的部分负荷尽可能不开启大流量水泵及冷却塔风机及闭式塔自带的循环水泵，以达到节能运行的目的。

②采暖季循环水路的控制规则：当某台室内机开启时，首先开启低噪型风冷螺杆式热泵机组→接着开启水源多联机空调系统电动阀→再开启采暖水系统相应的电动阀→接着开启采暖水泵→最后开启水源多联机空调系统。停机顺序相反。

加班时的部分负荷参考空调季的控制方法。

③本系统还在14层增设高区与低区的连通管，目的基于以下考虑：

其一，当过渡季节时，由于整栋办公楼所需的系统负荷可不用开启两套冷却水循环系统，可通过14层的连通管上的阀门切换，把整栋楼的系统合为一个大系统，只开启一套冷却水泵及闭式冷却塔，以达到节能运行的目的。由于系统水流量减少一半，根据公式H1/H2=(Q1/Q2)2[2]因此公共水环路系统的水压降减少至原系统的1/4，仍可满足系统的要求。

其二，当某系统水泵或冷却塔出现故障，也可通过14层的连通管上的阀门切换，把整栋楼的系统合为一个大系统，至少有50%的能源备用，避免由于某系统故障导致该系统完全无法使用处境。

(2)水源多联机空调系统单个主机换热器水流量为定流量(约6.0m3/h·10匹)，不管在夏季制冷或冬季制热开启时，通过单个主机换热器水流量恒定，单个主机换热器末端水管上设置电动二通阀及流量开关(注意：电动二通阀及流量开关需与冷却水泵或采暖水泵电气连锁)，当多台水源多联机空调主机连接水环系统，可通过电动二通阀的开关实现整个水环系统的变流量控制；为了更好地保护水源多联机空调主机的换热器并在进水管处需再增设一级Y型水过滤器；每台主机末端均设冲洗阀，具体做法如图2所示。为了避免主机房内积水，溢到空调房间内，因此必须于主机房内设地漏。每台主机仍需考虑75-100W的散热量，因此设在封闭的机房需考虑散热措施。

图2 水冷“智能变频一拖多”空调主机接管示意图

节能控制原理为：当水源多联机空调系统的室内机随着空调房间的负荷变化时，先通过该系统的制冷剂流量来调节，再通过该主机换热器进出水温度的改变来实现末端能量调整。当室内机不供冷供热时，连锁关闭电动开关阀，完全关掉主机侧供水管，防止室外机侧水空流。

(3)冬季采暖时，低噪型风冷螺杆式热泵机组生产出来的热水经板换热后与夏季冷却水管道共用,又因该项目所在的区域冬季采暖负荷远远小于夏季空调负荷，冬季公共水环路采暖水流量也远远小于夏季公共水环路冷却水水流量，且须保证每台主机的最小流量(每个厂家对此均有不同的要求，具体参数应与相关厂家咨询沟通后再选型)。

按照设备标准工况设计，采暖供/回水温度为45℃/40℃，通过板换与夏季冷却水系统共用。

(4)节能控制措施

①空调冷热水由供回水压差控制的电动调节阀的旁通管路，以调节末端设备的供水量，从而使系统制冷和水力工况稳定。

②多联机空调系统采用智能化与节能系统进行控制，通过智能化控制器系统可对所有空调室内机的电量消耗情况进行专业的管理，即使一个分区采用一个以上的空调系统，也能精确计算出该分区所消耗的电量，并自动生成报表，便于能量计费。

③新风机出水管上装设电动二通阀(比例式)，出风管道上装有温度传感器,通过温控器调节供水量，改变送风温度，从而维持设定的送风温度。

④设置多联机空调系统内机的房间均装有室内温度控制器控制房间温度,手动三档开关控制风机转速和启停。

⑤冷水机组等机电一体化设备由中央空调智能化与节能系统进行控制，利用负荷随动技术控制冷冻水系统；利用人工神经网络算法控制冷却水系统；实现本空调系统的节能运行。

⑥冷却水系统：将水源多联机空调系统、冷却水泵以及冷却塔风机三者的总能耗之和作为一个整体，通过人工神经网络算法模型进行计算,在满足空调末端冷量需求的前提下，找到水源多联机空调系统、冷却水泵以及冷却塔风机三者的总能耗之和的最低值，并以此调节冷却水泵和冷却塔风机的转速或运行台数，动态调节冷却水的流量,从而保证整个空调系统始终处于整体能耗最低值。

5 结论

虽然水源多联机空调系统具备传统风冷多联机空调系统所不具备的优势，其主机小巧，占用的空间小，且可多台叠放；并可随意安装在次要的房间内。但水源多联机空调系统必须要有满足该系统制冷负荷或制热负荷所需的水流量，否则该机组的制冷量或制热量性能将随之下降，在水流量过小时，主机启动自我保护机制。合理的供回水温度，合适的水质和供水稳定性是影响该系统高效运行效果的重要要素，此可通过技术上处理。

由此可见，水源多联机空调系统在国家提倡低碳环保、构建节约型绿色建筑下具有一定应用空间及广阔的发展前景。