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空調水系統

空調水系統概述

由於現代高層建築空間的限制以及用戶調節使用的方便，大量採用空氣——水空調系統方式，室內冷熱負荷由冷凍水和熱水承擔。在空調用製冷系統中，水管系統包括冷凍水系統和冷卻水系統。

制冷機組的能效比：

（kW/kW）

系統能效比：

（KW/KW）

系統季節能效比：

（KWh/KWh）

冷凍水系統

空調冷凍水系統由：水泵、管道、定壓設備、閥門、換熱器、除汙器等主要部件構成。

冷凍水系統的主要形式

冷凍水系統均為 循環水系統；冷凍水系統從管道和設備的布局上分，可分為開式系統和閉式系統。

1.開式和閉式系統

（1）開式系統

系統水量大，運行工況穩定，但易汙染，且水泵壓頭較高。

近年來，由於能源的緊張和空調技術的發展，國內外不少工程中採用蓄冷池蓄冷的空調方式，相應地水系統需採用開式系統。

（2）閉式系統

閉式水系統與外界空氣接觸少，管道腐蝕可能性小，水泵能耗小。閉式系統必須採用殼管式蒸發器，用戶處則應採用表面式換熱設備（表冷器或空調箱），還需增設膨脹水箱，以適應水系統內的水在溫度變化時的體積膨脹。工程設計中，冷凍水系統多採用閉式水系統。

開式與閉式系統的水泵揚程相差較大：

閉式系統中，水泵的揚程為：管道、制冷機組、換熱器、閥門等閉式循環水路中各個部件壓力損失的總和。

開式系統中，水泵除承擔管道等部件的壓力損失外，還要克服將水從開式水箱提升到管路最高點的高度差。

設計時需注意的事項：

對於開式系統，注意水泵吸水真空高度的問題，應防止水泵吸入口汽化，必須保證水泵吸入口的水壓力大於水的汽化壓力。

對於閉式系統，在水泵吸入口設置定壓水箱，保證水系統任何一點的最低運行壓力為5kPa以上，防止系統中任何一點出現負壓，否則有可能將空氣吸入水系統中（抽空）或造成部分軟連接向內收縮等問題。

膨脹水箱的作用與安裝位置

其作用是：（1）抵消系統內溫度變化時水體積的膨脹和收縮；

（2）補充系統內水的損耗；

（3）穩定系統內特別是水泵吸入口的壓力。

安裝位置：儘量接至水泵吸入口，其連通管道上不要裝設任何閥門；膨脹水箱水位應高於系統最高水位1m以上，冬天要注意其防凍。目前，膨脹水箱正逐步用設在泵房內的定壓罐來代替。

開式系統蓄水箱容量的確定原則：

（1）蓄存所有的系統水容量並附加一定的安全係數；

（2）按照系統小時循環水量的5%~10%計算。

在實際設計中應取上述兩者中較大的值。

2.直連繫統與間連繫統

根據用戶水系統與制冷機組的連接方式不同，冷凍水系統可以分為直連繫統和間連繫統。

3.異程系統和同程系統

冷凍水系統可分為異程系統和同程系統。

4.兩管制、三管制和四管制系統

5.一次泵和二次泵系統

一次泵系統組成簡單，控制容易，運行管理方便，一般多採用此種系統。

二次泵系統：一次環路負責冷凍水的製備-------定流量運行；二次環路負責冷凍水的輸配-------變流量運行。

二次泵系統的最大優點是：能夠分區分路供應用戶側所需的冷凍水，適用於大型系統。

6.變水量和定水量系統

典型冷凍水系統分析

1.一次泵定水量系統

2.一次泵變水量系統

3.二次泵變水量系統

冷卻水系統

冷卻水進水溫度一般應不高於32℃，冷卻水主要指冷凝器和壓縮機冷卻用水。

（一）直流式冷卻水系統

最簡單的冷卻水系統是直流式供水系統，即升溫後的冷卻回水直接排除，不循環使用。這種系統只適用於水源水量特別充足的地區，例如靠近江、河、湖泊、海等地方，城市自來水不宜選用。

（二）循環式冷卻水系統

1、自然通風冷卻循環系統

2、機械通風冷卻循環系統

當冷卻水系統出現上述現象時：

冷卻塔的進水管上安裝了電動閥，而回水管上未裝；

當出水電動閥關閉而進水電動閥開啟時；

冷卻塔水量分配不平衡時；

多臺大小不同的冷卻塔並聯設置且集水盤水位不相同時，容易出現「溢流」問題。

避免措施：當冷卻塔不運行時，同時嚴密關閉冷卻塔進、出水電動閥。

目前，冷卻水系統大多採用循環式冷卻水系統，利用冷卻塔機械循環。冷卻塔中冷卻水的終溫一般可達到比當地的溼球溫度高５℃左右的溫度（約為３２℃）。

冷卻水系統由冷凝器、冷卻塔、水泵等組成，冷卻塔是以冷凝器的冷卻水流量作為依據，選擇低噪音型，安裝位置離居住區遠，離制冷機近，一般安裝在制冷機房屋面上，其出水管比進水管大一號，因出水管是靠重力返回水泵。同型號多臺冷卻塔並聯使用應考慮均壓連接和自動（手動）補水，且每臺互為備用。

3、冷卻水泵揚程的確定

冷卻水系統的水力計算

冷卻水泵所需揚程：

(mH2O)

hf、hd——冷卻水管路系統總的沿程阻力和局部阻力（mH2O）；

hm——冷凝器阻力（mH2O）（一般為5~10mH2O）；

hs——冷卻塔中水的提升高度（從冷卻塔盛水池到噴嘴的高差）（mH2O）；

ho——冷卻塔噴嘴噴霧壓力（mH2O），3-6mH2O。

制冷機房的設計

設計步驟

六個步驟：

1、確定製冷機房的總冷負荷

制冷機房的總冷負荷應包括用戶實際所需的製冷量以及製冷系統本身和供冷系統的冷損失。

2、確定製冷機組類型

根據用戶使用要求、冷負荷及其全年變化、當地能源供應等情況，比較制冷機房一次投資和全年運行費用，確定製冷機組類型，包括製冷方式、製冷劑種類、冷凝器冷卻方式等。其次，冷熱源設備的選用須按技術先進性、經濟性和安全可靠性等原則進行比較後確定。

從提供相同冷量、消耗一次能源的角度來說，電力驅動的制冷機比吸收式制冷機能耗要低。但對當地電力供應緊張，或有現成的熱源，特別是有餘熱、廢熱可利用的場合，應優先選用吸收式制冷機。

從能耗、單機容量和調節等方面考慮，選擇電力驅動冷水機組時，當單機名義工況製冷量大於1758KW時，宜選用離心式冷水機組；當製冷量在1054~1758KW時，宜選用螺杆式或離心式；當製冷量在116~1054KW時，宜選用螺杆式；當製冷量小於116KW時，宜選用渦旋式。

3、確定製冷機組的設計工況

冷凝溫度（tk）

以空氣為冷卻介質：tk= t空氣進口+（10-16）℃

以水為冷卻介質：tk=t出水+（2-4）℃

蒸發溫度（t）

以冷凍水、鹽水為冷媒：t=t冷媒－（2-3）℃

以空氣為冷媒：t=t送風－（6-8）℃

4、確定製冷機組容量和臺數

設計制冷機房時，應考慮建築物全年空調負荷的變化規律和制冷機部分負荷的調節特性，合理選擇機型、單機容量、臺數和全年運行方式，以便提高製冷系統在部分負荷時的運行效率，從而降低年運行費用。

一般選擇2-3臺同型號的制冷機組，臺數不宜過多。除特殊要求外，可不設置備用制冷機組。

5、設計水系統

確定冷凍水和冷卻水系統形式，選擇冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的規格和臺數，進行管路系統設計計算。

6、布置制冷機房

制冷機房

根據系統工藝流程，設備型式特點、操作維修等綜合因素考慮。

（1）主要通道、操作走道的寬度和壓縮機突出部分與配電盤之間均應≥1.5m。

（2）非主要通道和操作走道寬度≥0.8m。

（3）壓縮機突出部分≥1m。

（4）壓縮機和設備距牆≥1.2m。

（5）臥式殼管式冷凝器及臥式殼管式蒸發器應考慮清洗和更換管子的空間。

（6）壓縮機間或設備間其淨高一般不小於3.5-4.5m，應考慮設備安裝時起吊高度。

（7）採用臥式殼管式蒸發器時，應採用封閉式冷凍水系統。

（8）立式冷凝器設在機房外。

（9）各種儀表及控制器應安裝在便於觀察和調節的位置上。對於船用製冷裝置，還應考慮這些儀表的防振和防潮等問題。

制冷機組與管道的保溫

管道和設備保溫層厚度的確定，要考慮經濟上的合理性。

最小保溫厚度：應使其外表面溫度比最熱月室外空氣的平均露點溫度高2℃左右，以保證保溫層外表面不致有結露現象。

機房大小估算

以下僅供參考：

制冷機房（包括電製冷和直燃吸收式機房）、空調機房的位置在做方案時就需與設備專業一起研究，確定其面積和層高。可參考表1.3.2-1、表1.3.2-2。

空調機房的層高概略值表1.3.2-1

設備層中空調機房所佔用的面積的概略值表1.3.2-2

制冷機房面積約佔公共建築總建築面積的0.5%~1%；

熱交換站面積約佔公共建築總建築面積的0.3%~0.5%；

鍋爐房面積約佔公共建築總建築面積的1%左右；

空調機房面積約佔公共建築總建築面積的的4%~6%；

而在分層面積上：500m2約要空調機房30m2；

（每層建築面積）1000m2約要空調機房35~45m2；

2000m2約要空調機房45~55m2；

3000m2約要空調機房65~75m2。

2）制冷機房、直燃機房、空調機房的設置對建築的要求：

制冷機房：

a． 有地下室時一般設在地下室，無地下室時設在一層，也有設在頂層的，但很少。

b． 在地下室中設在平面的幾何中心為好，這樣可以節省管網的投資和運行的水泵能耗，因為管道短則系統阻力小，故水泵的揚程低，耗能少。

c． 要靠近變配電站和水泵房。

d． 要考慮管網的出路。

e． 要有機器搬進搬出的孔洞。

f． 制冷機房的高度要求（淨高）：

a）電制冷機房：大型h=4.5m；小型h=3.5m。

b）直燃機房：大型h=5m；小型h=4m。

直燃機房：

直燃機房的特殊要求：

因為燃氣有防火防煙要求，按燃氣規範和防火規範的要求，其機房的位置應當符合以下要求：

a． 有直接對外的門窗。

b． 有通風換氣。

c． 在地下室時有洩煙面。

空調機房：

a．空調機房的樓板荷載為700~800kg/m2。

如：a．800m2的多功能廳，2×30000m3/h，機房面積50m2。

b. 辦公樓每1000m2約需50m2機房面積，佔5%。空調機房應當放在每個防火分區內，不能把這個防火分區的機房，放在另一個防火分區內。

c. 空調機房在平面上與主要房間至少應有一室之隔，為的是避免噪聲振動給使用帶來無法解決的先天不足。

d. 空調機房的門應為甲級防火隔聲門。

e. 管道井（風管道井和風道井，還有電纜井）：有一條很重要，就是燃氣管道不允許設在管井裡。一定要設時，要設單獨管井，還得做管井通風。管道井約佔總建築面積的1%~2%。風道井分為防、排煙管井，每個防煙樓梯間附近都得有1~2m2的防、排煙管井。

制冷機房設計（舉例）

制冷機房是整個中央空調系統的冷(熱)源中心,同時又是整個中央空調系統的控制調節中心。中央機房一般由冷水機組、冷水泵、冷卻水泵、補水裝置、集水缸、分水缸和控制屏、換熱器等裝置組成。

1 制冷機房的位置選擇

制冷機房通常靠近空調機房，氟利昂製冷設備可以設置在空調機房內，規模小的制冷機房一般附設在其他建築內，規模較大的制冷機房(特別是氨制冷機房)宜單獨修建。制冷機房應設置在靠近空氣調節負荷中心，一般應充分利用建築物的地下室。對於超高層建築，也可設在設備層或屋頂上。由於條件所限不宜設在地下室時，也可以設在裙房或與主建築分開獨立設置。

本建築建有專門的制冷機房，故機組布置在專用機房內。

2　製冷方式確定

(1)電力等一次能源充足時應選擇電力驅動蒸汽壓縮式制冷機組（能耗低於吸收式制冷機組）；當地電力供應緊張或有熱源可以利用，應優先選擇吸收式制冷機組（特別是有餘熱廢熱場合）。

(2)從能耗、單機容量和調節等方面考慮，對於相對較大負荷（如2000kW左右）的情況，宜採用溴化鋰吸收式冷水機組；選擇空調用蒸汽壓縮式冷水機組時，單機名義工況製冷量大於1758kW時宜選用離心式；製冷量在1054~1758kW時宜選用螺杆式或離心式；製冷量在700~1054kW時宜選用螺杆式；製冷量在116~700kW時宜選用螺杆式或往復式；製冷量小於116kW活塞式或渦旋式。

本工程建築地有充足的電力供應並且沒有特別的餘熱廢熱利用場合所以不考慮採用蒸汽吸收式制冷機組，製冷量為510kW，故選用螺杆式制冷機組。

3 冷水機組的選擇

冷水機組是整個空調系統的心臟，為整個系統提供冷水且關係到整個空調系統的日常運行情況。因此空調系統冷水機組的選擇是一個很重要的過程。

一般在選擇制冷機時應考慮以下幾方面的因素。

機組性能、規格適合使用要求。如供冷溫度、單機製冷量、設備承壓能力等。

能源及能耗供應方便和經濟。如電源、熱泵或油、氣源供應的可能性，電、熱、冷綜合利用的可能性、經濟性。

對周圍環境危害的影響要小。如噪聲、振動的影響範圍；所用製冷劑的毒性、安全性對周圍環境的危害程度；ODP值和GWP值要小。

運行可靠、操作圍護方便，以及一次性投資和經常運行費用的綜合分析比較，對企業的經濟效益高，社會效益好。

所以，選擇何種制冷機，應根據項目的具體情況及條件進行綜合分析比較。

3.1 冷水機組的裝機容量

本設計中的冷水系統是間接式系統，系統冷負荷總計505.585kW，對其冷負荷附加至1.2。冷水機組的負荷為

Q=1.2×505.585=606.7kW

3.2 冷水機組的臺數

制冷機組一般以選用2~4臺為宜，中小型規模宜選用2臺，較大型可選用3臺，特大型可選用4臺。機組之間要考慮其互為備用和輪換使用的可能性。同一站房內可採用不同類型、不同容量的機組搭配的組合式方案，以節約能耗。並聯運行的機組中至少應選擇一臺自動化程度較高，調節性能較好，能保證部分負荷下能高效運行的機組。

綜合考慮本設計選用兩臺冷水機組，每臺製冷量不小於304kW。

3.3 冷水機組的類型

冷水機組的冷卻方式有風冷冷卻和水冷冷卻兩種方式。風冷冷水機組宜用於幹球溫度較低或晝夜溫差較大，缺乏水源地區的中小型空調製冷系統。故本設計採用水冷冷水機組。

螺杆式冷水機組還具有結構簡單、緊湊、重量輕、易損件少，可靠性高，維修周期長；在低蒸發溫度或高壓縮比工況下仍可單機壓縮；採用滑閥裝置，製冷量可在10~100%範圍內進行無極調節，並可在無負荷條件下啟動；對溼行程不敏感，當時蒸汽或少量液體進入機內，沒有液擊的危險；排氣溫度低，主要由油溫控制，對基礎要求通常不需要採用隔振措施等。

參考開利螺杆式冷水機組的樣本，本設計選則的機組型號為30HXY110，其性能參數如下：

表1 30HXY110機組技術參數

4　冷卻塔的選擇

冷卻塔是一種製冷系統中廣泛應用的熱力設備，其作用是通過熱、質交換將高溫冷卻水的熱量散入大氣，從而降低冷卻水的溫度。一臺機組對應一臺冷卻塔，選用時應根據其熱工性能和周圍環境對噪聲、漂水等方面的要求總和分析比較。常用的冷卻塔有玻璃鋼和鋼筋混凝土兩種。玻璃鋼冷卻塔具有冷效高，佔地面積小，輕巧，節能等優點，目前應用廣泛。

中小型製冷劑的冷卻水量一般在65~500m3/h之間，在冷卻塔系列中屬於中等水量，而逆流式冷卻塔熱交換率高於橫流式，故多選用逆流式冷卻塔。

因此本設計採用逆流式玻璃鋼冷卻塔，將冷卻塔放置在屋頂。

冷卻水量應考慮1.1~1.2的安全係數。

冷卻水量：G=1.1×68=74.8 m3/h

根據選用的冷水機組得出冷卻塔冷卻水量不小於74.8m3/h。據此參照連雲港格林公司的電子樣本，本設計選用型號為CDBNL3-80逆流式玻璃鋼冷卻塔。其技術參數如下：

表2 CDBNL3-80逆流式玻璃鋼冷卻塔技術參數

5　水泵的選擇

5.1　冷凍水泵的選擇

泵的選擇應依據泵的流量和揚程進行選擇，對於一次冷水泵的流量應為所對應的冷水機組的冷水量，並附加5%~10%的富裕量。泵的臺數應按冷水機組的個數一一對應。閉式循環一次泵的揚程為管路、管件阻力、冷水機組的蒸發器和末端設備的表冷器阻力之和，並應附加5%~10%的富裕量。

本設計中有兩臺冷水機組，故選用三臺冷凍水水泵，兩用一備。單臺冷水機組的冷水量為57 m3/h考慮附加5%，則每臺泵的流量為

Q=1.05×57=59.85 m3/h

本設計中最不利環路的損失為65.6kPa，冷水機組蒸發器的損失為50kPa，機房的損失為40 kPa，考慮附加10%，則水泵的揚程為

H=1.1×(65.6+50+40) =155.6 kPa

即泵的揚程為15.56m水柱，參照xx泵業有限公司的電子樣本，本設計選用的泵的型號為BYG80-125，兩臺使用，一臺備用，其技術參數如下：

表3 BYG80-125型水泵技術參數

5.2　冷卻水泵的選擇

冷卻水泵的臺數宜按冷水機組一一對應，流量應按冷水機組技術資料確定，並附加5%~10%的富裕量。冷卻水泵的揚程由冷卻水系統阻力(管道、管件、冷凝器阻力之和)，冷卻塔積水盤水位(設置冷卻水箱時為水箱最低水位)至冷卻塔布水器的高差，冷卻塔布水器所需壓力組成，並附加5%~10%的富裕量。

本設計選用三臺冷卻水泵，兩用一備。單機冷水機組的冷卻水流量為68 m3/h，考慮10%的附加，則每臺泵的流量為

Q=1.1×68=74.8 m3/h

冷卻水系統的阻力為40 kPa，冷凝器阻力為42 kPa，冷卻塔進水壓力為31.5 kPa，冷卻塔積水盤至布水器的高差為3.5m，考慮泵揚程附加10%，則冷卻泵的揚程為

H=1.1×(40+42+35.1+35)=152.1kPa

即15.21m水柱，參照XX泵業有限公司的電子樣本，本設計選用的冷卻水泵的型號為BYG80-125(Ⅰ)A，其技術參數如下：

表 4 BYG80-125(Ⅰ)A型水泵技術參數

6　補水定壓裝置的選擇

系統的小時洩漏量為系統水容量的1%，系統補水量取系統水容量的2%，全空氣冷凍水系統的系統水容量為0.40~0.55l/m2，空氣-水系統的系統水容量為0.7~1.3。

全空氣系統取0.5，則水容量為

L=0.5×1485=742.5 L

空氣-水系統取1，則水容量為

L=1×8715=8715 L

系統補水量為

Q=9457.5×2%=189.15 l/h 即0.19 m3/h

補水點宜設在循環水泵的吸入段，補水泵流量取補水量的2.5~5倍，補水泵的揚程應比系統靜止時的補水點壓力高30~50KPa。取補水量的4倍則補水泵的流量為

Q=4×0.19=0.76 m3/h

揚程為

H=22.5+4=26.5 m

對於閉式膨脹水箱，總容積為

式中，Vt——調節水量，取補水泵3min的水量

β——係數一般取0.65~0.85，

取β=0.7，則V=0.76/20/(1-0.7)=0.127 m3

參照XX設備有限公司的樣本，選取落地式膨脹水箱的型號為GSP0.8×1-40×2×3，其相關參數如下：

表5　GSP0.8×1-40×2×3型落地式膨脹水箱參數

7 水處理設備的選擇

7.1 軟水器和軟化水箱

空調補水應經軟化處理，並宜設軟化水箱，儲存補水泵0.5~1.0h的水量。

根據補水量，參照XX設備公司的樣本，本設計選用的是SN-0.5A-BLL-T型全自動軟水器，軟水流量為0.5m3/h。

軟化水箱儲存1.0h補水泵的水量則其容積為Q=0.76m3選用容積為1m3的水箱。

7.2 　水處理儀

根據冷凍水的流量和冷卻水的流量，參照南京XX暖通空調設備公司的樣本，均選用型號為YTD-150F的全自動電子處理儀。

8　熱交換設備選擇

8.1　換熱器選擇

考慮到冬季供暖，採用換熱器對用戶進行供熱。在空調工況條件下，採用熱媒為水溫60/50℃。供暖熱指標按q=60W/m2計算，熱負荷為612kw。

流量計算：Q=Gc（t1-t2）

式中，G——通過換熱器被加熱水的流量，kg/s；

c——水的質量比熱，4.2kJ/kg·℃；

t1、t2——流出和流進換熱器的被加熱水溫度，℃。

按照公式(7-2)，G=612×3.6/4.2/10=52.46m3/h，熱源為電廠餘熱提供的0.6mpa的過熱蒸汽。選擇xx生產的TS18板式換熱器兩臺，每臺最大流量為27m3/h。

8.2熱水泵選擇

熱水泵選擇原則同冷凍水泵的選擇，流量Q=1.05×27=28.35m3/h，揚程為16m水柱。選用的泵的型號為BYG65-125，兩臺使用，一臺備用，其技術參數如下

表6　 BYG65-125型水泵技術參數

9　除汙器和水過濾器

在水系統中的孔板、水泵、換熱器的入口管道上，均應安設過濾器，以防止雜質進入，汙染或堵塞這些設備。本設計只對冷凍水泵、冷卻水泵安設過濾器，採用常用的Y型過濾器，該中過濾器具有外形尺寸小，安裝清洗方便的特點，過濾器的尺寸與相應的水泵入口的管徑相匹配。

也可採用國家標準的除汙器，減壓穩定閥前也應裝設Y型過濾器，除汙器和水過濾器的型號都是按連接管管徑選定，連接管的管徑應於幹管的管徑相同。

轉自暖通南社，版權屬於原作者，供學習交流。