摘要：在建筑空调采暖工程的实施过程中，由于膨胀罐的选取不合理，造成系统压力上升过大、阀门、设备、法兰等接口渗水乃至损坏问题。本文主要对采暖工程水温上升后膨胀造成的问题用工程实例做简单介绍，并通过计算及后续解决方案提供了建议和参考。
关键词：膨胀罐；热水膨胀；体积；压力
引言：在某工程空调采暖调试阶段，系统冲洗完毕，灌满水后进行首次升温，水温上升后，发现系统压力急剧上升，水泵出口压力已超过工作压力（1.4Mpa），接近设备、阀门公称压力（1.6Mpa）。经过临时放水后，有所缓解。在第二天升温过程中亦出现此迹象（系统设有自动定压补水装置），并重复进行放水。由于此状况反复出现，并对系统的稳定性有严重伤害。通过排查与计算，发现由于系统内供回水受热膨胀，而膨胀罐有效容积不够导致出现了压力上升等情况发生。
一、工程概况及事件回顾
工程主要为两座22层的5A甲级智能办公楼及一座2层的商业楼，两栋办公楼建筑高度95.7m，商业楼建筑高度为11.05m，并设置两层地下室，地下一层主要为商业用房和车库，地下二层为停车库和设备用房。总建筑面积125939.8㎡，项目地上总面积82,564㎡。A、B办公楼设有中央空调系统，冷热源采用离心式冷水机组和热水锅炉。冷冻机房和热水锅炉机房均设置在地下一层（层高6m）。冷源为三台975冷吨离心式冷水机组，热源为三台1.6兆瓦常压燃气热水锅炉。办公楼标准层空调基本采用4管制风机盘管机组加新风系统。
其采暖系统中，二次侧循环水泵选用流量152m3/h，扬程32m三用一备形式，定压补水装置设置在地下室热水锅炉房内，补水设置启停泵压力分别为0.95Mpa和1.05Mpa，其隔膜式膨胀罐有效容积为1000L。采暖系统二次侧管道和设备内的总水量约为70000L，设计给出工作压力为1.4Mpa。并按业主及设计要求所有设备、阀门及法兰的公称压力选用均为1.6Mpa。热水锅炉房内板交二次侧进出水温为45 ℃及60 ℃。
在项目空调采暖调试阶段，系统冲洗完毕灌满水后，楼层内风机盘管与新风机全部开启并且二次侧供回水均已正常循环，水泵也已调节至正常工作状态，此时水泵出水口压力为1.3Mpa左右。第一次开始升温，当水泵出口温度从5℃升至45℃时，水泵出口压力已升至1.45Mpa。明显高出工作压力，一次侧马上停止升温，检查系统内真空脱气机与各个自动放气阀，发现均处于正常工作状态。只能采取二次侧集水器手动排水，将系统压力下降后继续升温。过程中又手动排水数次，才勉强达到系统稳定状态。水泵出口压力为1.35Mpa，板交二次侧进出水温度分别为42℃和60℃。当天下午4点锅炉停止加热，5点后先后停止水泵及风机盘管和新风机的运行。第二天升温时，虽然没有像第一次压力剧增的情况，但压力还是有明显升高现象，不得已，继续采取手动排水的措施，来保持系统稳定。第三天亦是如此后停止调试。
在此过程中，如不进行手动放水，则压力不断上升，对系统安全会产生影响，造成设备、阀门的损伤，部分法兰接口处产生渗漏甚至爆裂的可能。如继续进行手动放水，一方面能源浪费严重，人力消耗也不是将来运营所能接受的。经过对事件分析后，系统内温度上升，产生气体导致压力升高是一方面，但通过对最高处放气阀检查，发现系统内并无大量空气存在。而通过对系统内水的膨胀体积计算发现，可能是膨胀罐有效容积不够导致的压力上升。
二、系统内水温变化造成水体积变化的计算
采暖供回水系统中,管道和设备内的总水量为V ,系统水温由t1升高到t2时,体积由V变为( V +ΔV )，水的密度由ρ1 变为ρ2 ,则根据质量守恒原理,可以写出下式：
Vρ1 = ( V+ΔV)ρ2 (1)
式中V——系统内的水容量,L ;
ρ1 ——水在温度t1时的密度,kg/ L
ρ2 ——水在温度t2 时的密度,kg/ L
ΔV ——水温由t1 升高到t2 时,系统中水的膨胀量,L 。
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由式(1)变化，膨胀量ΔV ,可以得到：
ΔV= Vρ1/ρ2-V (2)
采暖供回水总水量约为70000L，供水按一半计入V=35000L，4℃时水的密度ρ1=1kg/L，60 ℃时水的密度ρ2=0.98324 kg/L，带入式(2)中，可得ΔV1=596.60L
回水也按一半计入V=35000L，4℃时水的密度ρ1=1kg/L，45℃时水的密度ρ2=0.99016 kg/L，带入式(2)中，可得ΔV2=347.82L
系统中水的总膨胀量ΔV=ΔV1+ΔV2=944.42L。定压补水装置中膨胀罐的有效容积为1000L，而升温前罐中水量明显不止1000-944.42=55.58L，由此可见膨胀罐有效容积不够，从而造成系统内压力上升。
三、系统内水温变化造成压力变化的计算
因管道基本为密闭，按照液体状态方程可得公式
p=p(ρT)=p（m/VT） (1)
式中p——水泵出口压力，Mpa
ρ ——水的密度,kg/ L
m ——系统内中的管道和设备内水的总质量，kg
V ——系统内中的管道和设备内水的总体积，L 。
T——热力学温度，K
由于式(1)中p（m/VT）关系式具体计算过于复杂，参照理想气体方程 pV=nRT 可得压强p与温度T基本成正比例关系。而水的总体积与质量基本不变（因原膨胀罐预留可膨胀水量不够，故暂按原体积不变计算），可以写出以下式：
p/p0=1+Δt/T即 p=（1+Δt/T）*p0 (2)
式中p——升温后水泵出口压力，Mpa
p0 ——升温前水泵出口压力，Mpa
Δt ——，水温由t1 升高到t2 时,系统中水的温差，K
T——热力学温度，K。
升温前水泵出口压力p0=（95.7+6+32）/100=1.337Mpa，系统中温差按Δt=（45+60）/2-4=48.5K，T=287.15K，可得p=1.56Mpa。已超设计给出1.4Mpa的工作压力，并且非常接近所有设备、阀门及法兰等公称压力，造成一定的安全隐患。
四、解决方案和总结
事件发生的原因明了后，马上与设计进行协商后，按设计意见在原有1000L隔膜式膨胀罐基础上，在地下一层热水锅炉房内再增设1个1000L隔膜式膨胀罐接入系统中。带入至体积变化计算式(2)，并且按最大温差计算，采暖供回水总水量约为71000L，，4℃时水的密度ρ1=1kg/L，60 ℃时水的密度ρ2=0.98324 kg/L，可得ΔV=71000*1/0.98324-71000=1210.24L。可以满足水的膨胀量。
解决膨胀问题后，系统内压力上升问题也可以得到解决。在后期调试中，除首次升温过程中因温差较大，水泵出口处压力有局部上升现象，但经少量放水后达到正常工作状态。而后期在升温过程中因温差相对较小，系统稳定后的水泵出水口处温度和压力能固定在60℃和1.35Mpa左右，再通过对各楼层内风机盘管及新风机阀门的微调，基本满足设计空调采暖要求。
本工程中采用的定压补水装置其优缺点比较明显。优点是：系统相对更密闭，能更好的防止系统内氧化腐蚀，亦能有效阻止水击现象；布置灵活，不受屋面最高点布置的限制；实现设备集中控制管理，维修使用较方便，适合大面积高层建筑物的需要。缺点是：补水泵启动频繁,泵的寿命低；系统压力波动大，不能有效防止非正常情况系统超压的问题；不能断电能源浪费较大，运行费用高。
而定压补水装置中膨胀罐对空调水系统尤其高层工作压力较高的空调水系统压力影响尤为重要，膨胀罐可以使系统中的水受热后有膨胀的余地，避免系统损坏，并且可以有效补充系统中因蒸发和泄漏而损失的水量并保证水泵有足够的吸入压力。选对合适的膨胀罐可以起到平衡水量及压力的作用，避免补水泵频繁启动。
论文作者:沈峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/8
标签：系统论文; 压力论文; 水泵论文; 水温论文; 水量论文; 密度论文; 回水论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;