中央空调水系统设计

§5.1空调水系统设计空调水系统包括冷（热）媒水系统和冷却水系统两部分。冷媒水系统是指夏季由冷水机组向风机盘管机组、新风机组或组合式空调机组的表冷器（或喷水室）供给供水7℃、回水12℃的冷媒水；在冬季由换热站向风机盘管机组、新风机组等供给供水60℃、回水50℃的热媒水。冷却水系统是指利用冷却塔向冷水机组的冷凝器供给循环冷却水的系统。5.1.1空调冷媒水系统分类1.按照冷媒水的循环方式分：1）开式循环系统：它的末端管路是与大气相通的，冷媒回水集中进入建筑物的回水箱或蓄冷水池内，再由循环泵将回水打入冷水机组的蒸发器内，经重新冷却后的冷媒供水被输送至整个系统。典型的开式循环系统有：组合式空调机组采用喷水室处理空气的冷媒水系统、具有蓄冷水池的冷媒水系统等。2）闭式循环系统：冷媒水在系统内进行密闭循环，不与大气相接触为了容纳系统中水体积的膨胀，在系统的最高点设膨胀水箱。典型的闭式循环系统有：组合式空调机组采用表冷器处理空气以及风机盘管机组、新风机组的冷媒水系统等。开式系统与闭式系统的比较：（1）开式系统所用的循环泵的扬程高，除了克服环路阻力外，还要提供几何提升高度和末端的资用压头，循环水易受污染，管路和设备易受腐蚀且容易产生水击等，除非高层建筑的地下室设有蓄冷水池，一般用得不多。（2）闭式系统所用的循环泵的扬程比较低，循环水不易受污染而管路的腐蚀程度轻，不用设回水池，而需要设膨胀水箱。2.按照供、回水制式分：1）双管制供水方式：一根供水管，一根回水管，供冷、供热合用同一管路系统。2）三管制供水方式：一根供冷水管，一根供热水管，一根公用回水管。3）四管制供水方式：一根供冷水管，一根冷水回水管，一根供热水管，一根热水回水管。FCUFCUTTFCUT冷热FCUT冷热冷热我国高层建筑特别是高层旅馆建筑大量建设的实践表明，从我国的国情出发，双管制系统能满足绝大部分旅馆的空调要求，只有那些全年性空调要求标准的较高的建筑方可采用四管制系统。为了解决管路布置问题，有的设计院提出一种称为“分区双管系统”。该系统的主要特点是，机房内总管路系统设计成四管制，而建筑物内的所有立管设计成双管制，以便按朝向分别供冷或供热。3.按照供、回水管路的布置方式分：1）同程式系统：供、回水干管中的水流方向相同（顺流），经过每一环路的管路总长度相等。2）异程式系统：供、回水干管中的水流方向相反（逆流），经过每一环路的管路总长度不相等。对于闭式循环系统，一般来说，采用同程式布置，便于达到水力平衡；对于开式循环系统，一般来说，采用异程式布置，不需要采用同程式布置。同程式的几种布置方式：垂直同程：水平同程垂直同程和水平同程异程式的布置方式同程式与异程式的比较：同程式布置——水量分配和调节都比较方便，容易达到水力平衡，但需要设回程管、管路长，初投资稍高，要占用一定的建筑空间。异程式布置——水量分配和调节都比较麻烦，不容易达到水力平衡，需要安装平衡阀，无需回程管，管道长度较短。同程式和异程式的适用条件：（1）支管环路的压力降（阻力）较小，而主干管路的压力降起主导作用者，宜采用同程式。（2）支管环路上末端设备的压力降（阻力）很大，而支环路的压降（阻力）起主导作用者，或者说支路环路阻力占负荷侧干管环路阻力的2/3～4/5时，宜采用异程式。所以：对于由风机盘管机组（或新风机组）组成的供、回水系统，因支管环路的阻力不大且比较接近，而干管环路较长、阻力占的比例较大，故采用同程式布置；对于向若干台组合式空调机组的表冷器供水的系统，因支管环路的阻力较之主干管路的阻力大得多，故采用异程式布置。（3）如果建筑条件允许，可采用垂直同程和水平同程的布置方式，不仅容易达到水力平衡，而且省去大量的调试工作量。（4）为节管材和建筑空间，也可考虑将空调水系统的总立管设计成异程式（其前提条件是，将立管内流速取小，管径放大），这样，有利于节省竖井的空间。而对于各分支环路，根据管道的长度和支环路的阻力大小，设计成同程式或异程式，并根据管道的水力计算结果进行压力平衡。（5）当系统的阻力先天就不平衡时，可通过安装水力平衡阀予以解决。4.按照运行调节方法分：1）定流量系统：系统中循环水量保持不变，当空调负荷变化时，通过改变供、回水的温差来适应。2）变流量系统：系统中供回水温差保持不变，当空调负荷变化时，通过改变供水量来适应。所谓定流量和变流量均指负荷侧环路而言。冷源侧应保持定流量，其理由是：（1）保证冷水机组蒸发器的传热效率；（2）避免蒸发器因缺水而冻裂；（3）保持冷水机组工作稳定。（1）定流量系统负荷侧调节方法：定流量系统对风机盘管机组、新风机组等负荷侧末端设备的能量调节方法，是在该设备上安装电动三通调节阀，并受室温控制器的控制。在夏季，当房间的负荷等于设计值时，电动三通调节阀的直通阀座打开，旁通阀座关闭，冷媒水全部流经末端设备。当房间负荷减少时，室温控制器使直通阀座关闭，旁通阀座开启，冷媒水旁流过末端设备，直接进入回水管网。（2）变流量系统负荷侧调节方法：变流量系统对风机盘管机组、新风机组等负荷侧末端设备的能量调节方法，是在该设备上安装电动二通调节阀，并受室温控制器的控制。当房间负荷等于设计值时，电动二通调节阀开启，冷媒水流经末端设备。当房间负荷低于设计值时室温控制器使电动二通调节阀关闭，停止向末端设备供水。目前，很多宾馆客房实行“插钥匙牌”给电的制度，客人外出，带走“钥匙牌”，客房断电，此时，风机盘管机组停止工作电动二通调节阀也随之关闭。变流量系统，整个负荷侧水系统的流量是变化的，这就意味着可以停开或启动某一台循环泵，以适应水流量变化的情况，达到节能的目的。为了保证冷源侧始终是定流量，必须在分水器和集水器之间设置压差控制器。5.按照系统中循环泵的配置方式分：1）单式泵（一级泵）系统：是指冷源侧与负荷侧合用一组循环泵的系统，它又可分为单式泵定流量系统和单式泵变流量系统。2)复式泵（两级泵）系统：是指冷源侧和负荷侧分别配置循环泵的系统，也就是说，冷源侧循环泵和负荷侧循环泵是相互分开的。单式泵系统：整个水系统由以下两个环路组成：一是冷源侧环路，它是指从集水器经过冷水机组至分水器这一环路，按定流量运行；一是负荷侧环路，它是指从分水器经过空调末端设备至集水器的这一环路按变流量运行单式泵变流量系统的控制原理：当空调房间负荷下降时，负荷侧各用户的二通调节阀相继关闭，供、回水总管之间的压差超过了设定值，此时，压差控制器动作，让旁通管路上的二通调节阀打开，使部分冷媒水不经末端设备而从旁通管直接返回冷水机组，从而确保冷水机组的水量不变。只有当供、回水总管之间的压差到达规定的上限值，也就是说，通过旁通管路的水量相当于一台循环泵的流量时，可停止一台循环泵和一台冷水机组的工作。旁通管的管径按一台冷水机组的水流量确定，通常为一台冷水机组流量的110%单式泵变流量系统的设计和应用：1）在冷源侧，单式泵的配置与冷水机组相对应，采取“一泵对一机”的方式。2）单式泵的扬程是按克服负荷侧最不利环路上的各种阻力与冷源侧环路上的各种阻力之和来确定的。不能适应各供水分区压力降相差较悬殊的情况。对于负荷侧压力降较小的环路来说，循环泵的压力对该环路有较多的富余，此时只好利用分水器上通向该环路的阀门节流掉，形成无效的能量消耗。3）当空调冷媒水系统的规模和总压力损失均不太大、各分区供水环路彼此间的压力损失相差不太悬殊时，冷媒水循环泵宜采用单式泵。复式泵系统：由冷水机组、供回水总管、一次泵和旁通管组成一次环路，也称冷源侧环路；由二次泵、空调末端设备、供回水管路与旁通管组成二次环路，也称负荷侧环路。复式泵变流量系统的控制原理：1）一次环路按定流量运行，采用“一泵对一机“的方式，一次泵的扬程为冷水机组的蒸发器阻力与一次环路个部件阻力之和再乘以1.1～1.2的安全系数。2）二次环路按变流量运行，二次泵的台数，不必与一次泵相对应，主要满足供水分区的需要。二次泵的台数必须大于或等于设计所划分的二次供水环路数。二次泵的扬程为空调末端设备的阻力与二次环路各部件阻力之后，再乘以1.1～1.2的安全系数。复式泵变流量系统的应用：复式泵变流量系统的特点是，系统较复杂、自控要求高、初投资大，可以实现水泵的变流量运行，能节省输送能耗并能适应供水分区的不同压力降等。因此，当系统规模和总压力损失均大、各分区之间压力损失的差额较为悬殊时，冷媒水的循环泵宜采用复式泵。根据我国的工程实践，除了“系统较大，负荷侧环路多，且压差相差悬殊，各环路的负荷变化较大”等条件外，还要考虑“资金、机房和管理都有条件者”才可以采用复式泵系统。5.2.2高层建筑空调水系统设计中若干问题1.空调水系统的分区(1)分区的原则：空调水系统是否要分区，主要由空调末端设备和制冷设备的允许承压来考虑。一般来说，当建筑总高度H≤100m时，冷媒水系统不宜竖向分区，可以“一泵到顶”。目前，我国空调设备生产厂家生产的空调机组和风机盘管机组的承压能力为1.0MPa，特殊要求可以达到1.6MPa；对于压缩式冷水机组，一般承压能力为1.0MPa，加强型可达1.7MPa，特别加强型可达2.0MPa对于溴化锂吸收式冷温水机组，一般承压能力为0.8MPa，特殊要求也可以提高其承压能力。至于输水用的普通焊接钢管一般承压能力为2.0MPa，阀门等配件一般也在1.6MPa以下。根据以上分析，当建筑中高度H小于70m时，设备工作压力1.0MPa就可满足要求；当建筑总高度为70～110m时，设备工作压力1.6MPa可满足要求。所以凡高度在110m以下的建筑，完全可以“一泵到顶”，不必分区。当建筑总高度在110m以上时，空调冷媒水系统竖向必须分区。1）将冷水机组设在塔楼以外的群房顶层设两个系统分别向塔楼和群房供水，另一台向低区供水。冷却塔设在群房的屋顶上。(２)空调水系统竖向分区的可能方案2）将冷水机组设在中部设备层，一台向高区供水，另一台向低区供水。高区的冷水机组一般设在循环泵的吸入段，而低区的冷水机组一般设在循环泵的压出段。3）冷水机组设在塔楼的顶层，冷水机组处于循环泵的压出段,向下供水。4）将冷水机组设在地下设备层，而在中部设备层布置水—水板式换热器，使高区和低区的静压分段来承受，上下自成系统。利用供水7℃、回水12℃的一次冷媒水，通过板式换热器交换成供水8.5℃、回水13.5℃的二次冷媒水，供应高区的末端设备使用。需注意，在冷负荷相同的条件下，高区的风机盘管机组的型号要比低区的约加大一号。5）当建筑总高度在100～120m时，对高区的若干层可采用自带冷（热）源的空调器，而将冷水机组设在地下设备层。2.空调水系统冬季、夏季循环泵要不要分开设置的问题从节省循环泵运行能耗出发，只要机房面积足够、布置得下，应尽量将冬、夏季的循环泵分开设置。理由是：（1）夏季供、回水温差为5℃，而冬季供、回水温差为10℃，冬季的温差是夏季的2倍；（2）冬季热负荷往往小于夏季冷负荷，冬季热水流量比夏季少得多；（3）冬季通常采用换热器来制备热媒水，而热媒水通过换热器时的阻力要比冷媒水通过冷水机组蒸发器时的阻力要小得多，因此冬季循环泵的扬程要比夏季小。综上所述，将冬、夏的循环泵分开设置有利于节能。3.空调水系统的定压问题在闭式循环的水系统中，需要给系统定压，其目的是保证系统管道及设备内充满水，以避免空气被吸入系统中。为此，必须保证管道中任何一点的压力都要高于大气压力。目前，空调水系统的定压方式有两种，一是高位开式膨胀水箱方式；二是气压罐方式（俗称落地式膨胀水箱）。在工程中，应优先采用高位开式膨胀水箱，因为它运行时无需消耗电能，工作稳定可靠。只有当建筑物无法设置高位开式膨胀水箱时，采用气压罐方式。4.膨胀水箱的设置和配管中的几个问题在闭式循环的空调水系统中，膨胀水箱的作用①容纳水受热膨胀后多余的体积；②解决系统的定压问题；③向系统补水。（1）膨胀水箱的容积和选型对于普通的高层民用建筑，如果以系统的设计冷负荷Qo为基础，则系统的单位水容量大约为2～3升/kW。当采用双管制系统时，若取水的最低工作温度为7℃，最高工作温度为65℃，则膨胀水箱的有效膨胀容积，可采用简化的估算方法按下