冷水机组的设计与选型

水冷冷水机组系统图：

主机设备的选择：

1、根据建筑的空调面积和房间功能进行空调冷负荷计算；

2、统计建筑空调总冷负荷；

3、大部分建筑需要考虑房间的同时使用率，一般建筑的同时使用率为70%～80%左右，特殊情况需根据建筑功能和使用情况确定；

4、制冷机的冷负荷为建筑空调设计总冷负荷与同时使用率的乘积。根据计算的制冷负荷即可选择制冷主机。

台数确定：螺杆机方案中一个系统最多主机设备台数不宜大于3 台；模块机方案中一个系统主机最多台数为16台。

制冷主机台数可根据甲方要求和建筑现场实际情况进行确定。

末端设备的选择：

中央空调走水末端设备主要分为风机盘管和空气处理机组。

风机盘管末端设备选型：

风机盘管有两个主要参数：制冷（热）量和送风量，故风机盘管的选择有如下两种方法：

1、根据房间循环风量选：房间面积、层高（吊顶后）和房间换气次数三者的乘积即为房间的循环风量。利用循环风量对应风机盘管高速风量，即可确定风机盘管型号；

2、根据房间所需的冷负荷选择：通过负荷冷指标法，根据单位面积负荷指标和房间面积，可计算出房间所需的冷负荷值；利用房间冷负荷对应风机盘管的高速风量时的制冷量即可确定风机盘管型号(一般按冷量设计选择风机盘管)。

确定型号以后，还需确定风机盘管的安装方式（暗装或明装），送回风方式（上送上回、侧送上回、侧送侧回等）以及水管连接位置（左或右）等条件。

空气处理机设备选型：

空气处理机组主要用于空调场所进行空气处理及提供新风，一般有回风工况和新风工况两种工作状态。

空气处理机组的选择一般由三个主要参数决定：风量、制冷量（表冷器排管数）和机外余压。

先根据系统需要的循环风量确定空气处理机组的风量，然后根据需要提供的冷量来决定其管排数，再根据风系统的阻力确定机外余压，由这三个参数便可确定空气处理机的型号。

空气处理机组一般有吊顶式和落地式两种。落地式包括立式和卧式两种。另外机组的送回风方式也有很多不同。根据建筑情况和建筑业主要求进行最终的确定。

注意：空调工况的制冷（热）量比新风工况时要小。

空调水系统介绍：

1、开式循环水系统

定义：管路之间有贮水箱（或水池）通大气，自流回水时，管路通大气的系统。

空调系统采用喷水室冷却空气时，宜采用开式系统。

冷却水系统为开式系统。

开式循环的优点：

冷水箱有一定的蓄冷能力，可以减少开启冷冻机的时间，增加能量调节能力，且冷水温度波动可以小一些。

开式循环的缺点：

冷水与大气接触，易腐蚀管路；喷水室如较低，不能直接自流回到冷冻站时，则需增加回水池和回水泵；用户与冷冻站高差较大时，水泵则需克服高差造成的静水压力，耗电量大；采用自流回水时，回水管径大，因而投资高一些。

冷却水系统原理图

2、闭式循环水系统

定义：管路系统不与大气接触，在系统最高点设膨胀水箱并有排气和泄水装置的系统。

冷冻水系统为闭式系统。

当空调系统采用风机盘管和空气处理机组冷却用时，冷水系统宜采用闭式系统。高层建筑宜采用闭式系统。

闭式循环的优点：

a、管道与设备不易腐蚀；

b、不需为高处设备提供的静水压力，循环水泵的压力低，从而水泵的功率相对较小；

c、由于没有贮水箱、不需重力回水、回水不需另设水泵等，因而投资省、系统简单。

闭式循环的缺点：

a、蓄冷能力小，低负荷时，冷冻机也需经常开动；

b、膨胀水箱的补水有时需要另设加压水泵。

闭式循环水系统：

冷冻水系统原理图

3、同程式水系统

定义：经过每一并联环路的管长基本相等，阻力相近；若通过每米管路的阻力损失接近相等，则管网的阻力不需调节即可保持平衡。

同程式系统的优点：系统的水力稳定性好，各设备间的水量分配均衡，调节方便。

同程式系统的缺点：由于采用同程管，管道的长度增加，水阻力增大，使水泵的能耗增加，并且增加了初投资。

4、异程式水系统

定义：经过各并联环路的管长不等，管路的阻力不等；需在各并联管网上增加相应的调节阀来调节水网平衡。

异程式系统的优点：异程式系统简单，耗用管材少，施工难度小。

异程式系统的缺点：各并联环路管路长度不等，阻力不等，流量分配难以平衡。

系统水量与管径计算：

1、冷冻水流量

没有考虑同时使用率的情况下选定的机组，可根据产品样本提供的数值选用或根据如下公式进行计算。如果考虑了同时使用率，建议用如下公式进行计算。公式中的Q为建筑没有考虑同时使用率情况下的总冷负荷。

G=Q/[cρ（th-tj）]

式中G-冷水总水量（m3/s）；

Q-各空调房间设计工况的综合最大负荷（KW）；

c-水的比热容，可取4.2KJ/(kg·℃)；th-回水的平均温度（℃）；

ρ-水的密度，可取1000kg/m3；tj-供水温度（℃）；

2、冷却水流量

主机为压缩式制冷时，G1=（1.25~1.35）G；

主机为吸收式制冷时，G1=（1.75~1.85）G；

3、水系统水管管径的计算

空调水管的水流速主要考虑经济和噪声两个因素。管内的水流速过大，对环路的平衡不利，故总管流速可取得大一些，而分支管路可以小一些。

空调水管管径的确定:初步确定水流速，根据机组水流量，用公式G=0.25υ*πd2计算出管径，计算出管径后应对照国家规范是否可行，直到适合为止；

式中G-通过该管段的水流量（m3/s）；

υ-通过该管段的水流速度（m/s）。

表1 冷冻冷却水管干管允许最大经济流速 m/s

主管路流速设计：

目前管径的尺寸规格有：DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50、DN65、DN80、DN100、DN125、DN150、DN200、DN250、DN300、DN350、DN400、DN450、DN500、DN600。

注意：一般选择水泵时，水泵的进出口管径应比水泵所在管段的管径小一个型号。例如：水泵所在管段的管径为DN125,那么所选水泵的进口管径应为DN100。

管道材料与连接方式：

一般DN≤150用镀锌钢管、DN200～450用无缝钢管、DN≥500用螺旋钢管，建议DN≤450均用无缝钢管，除与阀件、设备连接用管螺纹或法兰外，其它为焊接。

保温：不燃材料（玻璃棉）、难燃材料（橡塑等）。

水泵的选择：

1、水泵的主要形式：

水泵的优缺点：

卧式离心泵运行相对稳定，但占地面积较大；立式离心泵是直接安装到管道上，不占空间，但泵功率一般情况不超过75KW，否则可能对管路冲击比较大。

2、水泵选择原则及注意事项：

a、首先要满足最高运行工况的流量和扬程,并使水泵的工作状态点处于高效率范围。

b、泵的流量和扬程应有10%~20%的富裕量。

c、当流量较大时,宜考虑多台并联运行,并联台数不宜超过三台。

d、多台泵并联运行时,应尽可能选择同型号水泵。

e、选泵时必须考虑系统压力对泵体的作用,注意水泵壳体和填料的承压能力以及轴向推力对密封环和轴封的影响.高层建筑水系统采用闭式循环时,系统的压力大大超过系统克服沿程摩擦和局部阻力损失所需的压力,在选用水泵时应注明所承受的静压值,必要时由制造厂家做特殊处理。

f、一般工程可按总管长的5~7m/100m选取损失扬程,再加上设备的损失扬程，即得到闭式系统水泵总扬程；开式系统总扬程与闭式系统总扬程不同，除系统损失扬程与设备 的损失扬程外，还得加上系统的实际扬程(水泵吸入扬程与输出扬程)。

3、水泵扬程的确定

水系统中水流经管子、管件表面时会有一定的摩擦力损失，此摩擦损失即是水泵损失扬程，损失扬程主要跟流速、管径、水管里面的粗糙度、水管的长度、管件、管路 配件等有关。

1)冷冻水泵扬程H（mH2O）估算公式： Hmax=ΔP1+ΔP2+0.05L（1+K）

式中ΔP1-最不利环路中冷水机组蒸发器水压降；

ΔP2-最不利环路中各台空调末端装置的水压损失最大一台压力降；

L-最不利环路的总水管长度；

0.05-在水系统的最不利环路中,大致取每100m管长的沿程阻力损失为5mH2O；

K-为最不利环路中局部阻力当量长度总和与直管总长的比值。当最不利环路较长时K取0.2~0.3；最不利环路较断时K取0.4~0.6。

2）冷却水泵扬程H（mH2O）估算公式： Hmax=ΔP1+Z+5+0.05L

式中ΔP1-最不利环路中冷水机组冷凝器水压降；一般为5~7mH2O；

Z-冷却塔开式段高度；一般为2~3mH2O

L-冷却水系统来回水管长度；

5-管路中管件局部损失可取5mH2O；

0.05-在水系统中，沿程阻力大致取每100m管长损失为5mH2O；

4、水泵并联运行情况

由上表可见：水泵并联运行时，流量有所衰减；当并联台数超过3台时，衰减尤为厉害。故强烈建议：1.选用多台水泵时，要考虑流量的衰减，留有余量。2.空调系统中水泵并联不宜超过3台，即进行制冷主机选择时也不宜超过三台。

一般，冷冻水泵和冷却水水泵的台数应和制冷主机一一对应，并考虑一台备用。补水泵一般按照一用一备的原则选取。

冷却水塔的选择：

1、冷却塔台数与制冷主机的数量一一对应，可以不考虑备用；

2、冷却塔的水流量 = 冷却水系统水量×（1.25~1.35）；

3、为了使冷却系统安全可靠的运行，实际设计时应注意以下几点：

（1）冷却塔上的自动补水管应稍大一点，一般按补水能力大于2倍的正常补水量设计；

（2）在冷却水循环泵的吸入口段再设一个补水管，这样可缩短补水时间，有利于系统中空气的排出；

（3）冷却塔选用蓄水型冷却塔或订货时要求适当加大冷却塔的集水槽的贮水能力；

（4）应设置循环泵的旁通止回阀，以避免停泵时出现从冷却塔内大量溢水问题，并在突然停电时，防止系统发生水击现象；

（5）设计时要注意各冷却塔之间管道阻力平衡问题；接管时，注意各塔至总干管上的水力平衡；供水支管上应加电动阀，以便在停某台冷却塔时用来关闭；

（6）并联冷却塔集水槽之间设置平衡管。管径一般取与进水干管相同的管径，以防冷却塔集水槽内水位高低不同。避免出现有的冷却塔溢水，还有的冷却塔在补水的现象。

辅助电加热的选型：

电辅加热器的选择：一般按照主机制热量的1/3-1/4选择。

电子水处理仪和过滤器的选择：

1、产品主要形式：

2、电子水处理仪和过滤器的选择

电子水处理仪，又名电子除垢防垢仪，对物理性、生物性、化学性的垢类均有明显的预防和清除效果。

空调水系统中使用到的电子水处理仪和水过滤器一般都按照设备所在管段的管径进行选择。

冷却水系统属开式系统，必须使用电子水处理仪；

冷冻水系统属闭式系统，要求不是那么严格，可以在冷冻水系统管路中或膨胀水箱进水管路中安装电子水处理仪。

膨胀水箱的选择：

膨胀水箱在空调水系统中所起的作用是膨胀、定压及补水，因此膨胀管上不应设有任何阀门。

膨胀水箱的有效容积：VC=0.0006×（t2-t1）×（2~3）QO （L）

式中0.0006-为水的体积膨胀系数（L/℃）；

t2-水的最高工作温度；

t1-水的最低工作温度；

2~3-系统水容量大约为2~3L/KW；

QO-系统设计总耗冷量（KW）。

膨胀水箱的安装高度一般比水系统最高点高出1.5m以上。

膨胀水管一般连接在水泵吸入侧，如在北方比较寒冷的地区，膨胀水箱应设计有循环管，以防水箱内水冻结。

附属配件的选型：

1、配件的作用

空调系统冷热水管道上的配件起减震、启闭、调节、控制流向和压力等作用。常用闸阀、截止阀起启闭、调节作用，用止回阀控制流向，用安全阀控制安全压力，用减压阀减压，用平衡阀调整各环路阻力平衡。阀门又可分为手动阀、电动阀、气动阀等。

阀门搬运时不允许抛掷，吊装时钢丝绳应拴在阀体或法兰盘上，不能拴于手轮或阀杆上以免损坏。所有的阀门都应开关灵活，表面无损伤，阀杆不弯曲。管道采用螺纹连接时用螺纹阀门，焊接时用法兰阀门。另一方面可根据管径大小来选：小直径阀门（如DN100以下）多用螺纹阀门；大直径阀门多用法兰阀门。阀门应安装在便于操作、维修和检查处。为拆卸方便，螺纹阀门需配装活接头、长丝或法兰盘。法兰阀门必须配法兰盘。在水平管上，阀杆应垂直向上或斜向便于开闭的方向，但不许向下。在垂直管上，阀杆应垂直墙面。在安装阀门时，要注意阀体上的介质流动方向箭头，不得装反。

2、阀门的选型设计

3、常用阀门配件

空调水系统设计中应注意的问题：

（1）放气排污。在水系统的顶点要设排气阀或排气管，防止形成气塞；在主立管的最下端(根部)要有排除污物的支管并带阀门；在所有的低点应设泄水管并加装阀门。

（2）热胀、冷缩。对于和度超过40m的直管段，必须装伸缩器。在重要设备与重要的控制阀前应装水过滤器。

（3）对于并联工作的冷却塔，一定要安装平衡管。

（4）注意管网的布局，尽量使系统先天平衡。实在从计算上、设计上都平衡不了的，适当采用平衡阀。

（5）要注意计算管道推力。选好固定点，做好固定支架。特别是大管道水温高时更得注意。

（6）所有的控制阀门均应装在末端设备冷冻水的回水管上。

（7）注意坡度、坡向、保温防冻。

冷凝水系统设计：

1、冷凝水管的设计

冷凝水系统的设计通常采用集中、就近的排放原则，具体管道计算可以根据末端设备的冷负荷Q(kW)按下列数据近似选定冷凝水管的公称直径：

管径与负荷的关系

冷凝水管的公称直径DN（mm），应根据通过冷凝水的流量计算确定。

一般情况下，每1kW冷负荷每1h约产生0.4kg左右冷凝水；在潜热负荷较高的场合，每1kW冷负荷每1h约产生0.8kg冷凝水。

2、冷凝水系统设计注意事项

风机盘管机组、整体式空调器、组合式空调机组等运行过程中产生的冷凝水，必须及时予以排走。排放冷凝水管道的设计，应注意以下事项：

a、沿水流方向，水平管道应保持不小于千分之一的坡度；且不允许有积水部位。

b、当冷凝水盘位于机组负压区段时，凝水盘的出水口处必须设置水封，水封的高度应比凝水盘处的负压（相当于水柱温度）大50％左右。水封的出口，应与大气相通。

c、为了防止冷凝水管道表面产生结露，必须进行防结露验算。

（1）采用聚氯乙烯塑料管时，一般可以不必进行防结露的保温和隔汽处理。

（2）采用镀锌钢管时，一般应进行结露验算，通常应设置保温层。

d、冷凝水立管的顶部，应设计通向大气的透气管。

e、设计和布置冷凝水管路时，必须认真考虑定期冲洗的可能性，并应设计安排必要的设施。

空气调节系统设计：

1、空气调节系统的定义与任务

定义：由空气处理设备、风机、风道和送、回风口等设备和部件组成的系统，该系统把冷热源产生的冷热量通过末端设备以风的形式送的各空调使用场所。

任务：对送入室内或室内空气进行加热、加湿、冷却、减湿等处理，然后输送到各个房间，保持室内空气的温度、湿度与洁净度等稳定在一定的舒适范围内，以满足生产和生活的需要。

2、风管系统设计

通过风管可将各个送风口和回风口连接起来，提供一个空气流动的渠道，风管的设计布置应在气流组织及风口位置确定下来以后进行。

布置风管要考虑以下因素：

1)尽量缩短管线，减少分支管线，避免复杂的局部构件，以节省材料和减小系统阻力。

2)要便于施工和检修，恰当处理与空调水、消防水管道系统及其他管道系统在布置上可能遇到的矛盾。

下图的a和b为相同房间、相同送风口的两种风管布置形式。对比可知，a比b的管线要长，分支管线和局部构件也较多，因此，b优于a。

3、气流组织设计

空调房间内合理的气流组织主要取决于送风口的形式和位置。目前，常见的气流组织形式有：

1)侧送风：侧送风如下图所示，侧板送风或风机盘管侧送是目前常用的气流组织形式。风道位于房间上部，沿墙敷设，在风道的一侧或两侧开送风口。可以上送风，上回风，也可以上送风，下回风。

它的特点是风口应贴顶布置，形成贴附式射流，回风区进行热交换。回风口设在送风口的同侧，风速为2～5m/s。冬季送热风时，调节百叶窗使气流向斜下方射出。

2)散流器送风：散流器送风可以进行平送和侧送。它也是在空气回流区进行热交换。射流和回流流程较短，通常沿顶栅形成贴附式射流时效果较好。它适用于设置吊顶的房间。

3)条缝送风：通过条缝形送风口进行送风，其射程较短。温差和速度变化较快，适用于散热量较大只求降温的房间，例如纺织厂、高级公共民用建筑等都有采用条缝送风。

4)喷口送风：经热、湿处理的空气由房间一侧的几个喷口高速喷出，渡过一定的距离后返回。工作区处于回流过程中，这种送风方式风速高，射程远，速度、温度衰减缓慢，温度分布均匀。适用于大型体育馆、礼堂、剧院及高大厂房等公共建筑中。

5)孔板送风：利用顶栅上面的空间作为静压箱。在压力的作用下，空气通过金属板上的小孔进入室内。回风口设在房间下部。孔板送时，射流的扩散及室内空气混合速度较快，因此工作区内空气温度和流速都比较稳定，适用于对区域温差和工作区风速要求严格，室温允许波动较小的场合。

4、常用风口形式

5、风管设计注意事项

风管材料一般采用薄钢板涂漆或镀锌薄钢板，复合材料风管，利用建筑空间或地沟的也可采用钢筋混凝土或砖砌风道，其表面应抹光，要求高的还要刷漆；地沟风道要作防水处理；放在有腐蚀气体的房间的风管可采用塑料或玻璃钢。

风管的形状一般为圆形和矩形。圆形风管强度大耗钢量小，但占有效空间大，其弯管与三通需较长距离且不易加工制作；矩形风管由于其占有效空间较小、易于布置、明装较美观等特点，故空调风管多采用矩形风管。矩形风管的高宽比宜在1：4以内；高速风管宜采用圆形螺旋风管。

风管的壁厚可按下表选择

钢板风管的壁厚（mm）

当每段矩形风管大边边长大于1m且风管较长时，应采取加固措施。

6、风管设计风速

低速风管内的风速（m/s）

高速风管的最大风速

新风系统设计：

（一）新风量的确定

1、卫生要求

2、补充局部排风量

3、保持空调房间的“正压”要求

一般情况下，室内正压在5～10Pa即可满足要求，过大没有必要，且降低了系统运行的经济性。

4、为确保卫生与安全，空调(或通风)系统的新风量在总送风量中所占百分比应根据各房间所需的最大值来确定，且不得低于送风总量的10%。

（二）新风入口位置：

应设在室外较洁净的地点，进风口处室外空气有害物的含量不应大于室内作业地点最高容许浓度的30%；

布置时要使排风口和进风口尽量远离。进风口应低于排出有害物的排风口；

为了避免吸入室外地面灰尘，进风口的底部距室外地坪不宜低于2m；布置在绿化地带时，也不宜低于1m；

为使夏季吸入的室外空气温度低一些，进风口宜设在建筑物的背阴处，宜设在北墙上，避免设在屋顶和西墙上。

（三）新风口的其他要求：

进风口应设百叶窗以防雨水进入，百叶窗应采用固定百叶窗，在多雨的地区，采用防水百叶窗；

为防止鸟类进入，百叶窗内宜设金属网；

过渡季使用大量新风的集中式系统，宜设两个新风口，其中一个为最小新风口，其面积按最小新风量计算；另一个为风量可变的新风口，其面积按系统最大新风量减去最小新风量计算（其风速可以取得大一些）。

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