中央空调水系统管路设计

第七章空调水系统管路设计

空调工程常采用冷热水作介质，通过水系统将冷、热源产生的冷、热量输送给换热器、空气处理设备等，并最终将这些冷热量供应至用户。空调水系统由三部分组成：

冷热源：主要有冷（热）水机组、热水锅炉和热交换器等。

输配系统：水泵、供回水管道及附件；

末端设备：如换热器（包括表冷器、空气加热器、风机盘管等）以及喷水室等热湿交换设备和装置。

按使用对象不同，空调水系统可分为：热水系统、冷冻水系统、冷却水系统和冷凝水系统。

第一节空调冷热水系统

目前空调冷热水系统的温度范围一般为：

空调冷冻水系统供水温度5～9℃，供回水温差5～10℃；一般供水温度7℃，回水温度12℃，供回水温差5℃。

空调用热水系统供水温度40～65℃，供回水温差4.2～15℃；一般供水温度为60℃，供回水温差为10℃。吸收式冷热水机组的热水供回水温差常为4.2℃。

一、冷热水系统的类型

（一）开式系统和闭式系统

开式水系统在管路之间设有贮水箱（或水池）通大气，回水靠重力自流到回水池，如图7-1所示。开式系统的贮水箱具有一定的蓄能作用，可以减少冷热源设备的开启时间，增加能量调节能力，且水温波动可以小一些。但开式系统水中含氧量高，管路和设备易腐蚀，水泵扬程要加上水的提升高度，水泵耗电量大。

闭式水循环的管路系统不与大气相接触，仅在系统最高点设置膨胀水箱并有排气和泄水装置，如图7-2所示。闭式系统不论是设备运行或停止期间，管内都应充满水，管路和设备不易产生污垢和腐蚀，水泵的扬程只需克服循环阻力，而不用考虑克服提升水的静水压力，设备耗电较小。

（二）定流量和变流量水系统

按系统的循环水量的特性划分，可分为定流量系统和变流量系统。定流量系统中的循环水流量保持定值。当负荷变化时，可通过改变风量或者调节表冷器或风机盘管的旁通水流量进行调节。对于多台冷水机组，且一机一泵的定流量系统，当负荷减少相当于一台冷水机组的冷量时，可以停开一台机组和一台水泵，实行分阶段的定流量运行，这样可节省运输冷量的能耗。变流量系统中供、回水温度保持不变，负荷变化时，可通过改变供水量调节。变流量系统只是指冷源供给用户的水流量随负荷的变化而变化，通过冷水机组的流量是恒定的。这是因为冷水机组中水流量变小会影响机组的性能，而且有结冰的危险存在。

（三）一次泵和二次泵水系统

按水系统中的循环水泵设置情况划分，可分为一次泵水系统和二次泵水系统。一次泵水系统只用一组循环水泵（图7-3所示）。其系统简单、初投资省，但为了保证冷水机组的流量恒定，因此不能充分利用输送管网中的水流量减少（变流量系统）所带来的输送能耗降低的好处。图7-4所示二次泵水系统中把冷冻水系统分成冷冻水制备和冷冻水输送两部分。为了保证通过冷水机组水量恒定，一般采用一泵对一机的配置方式。与冷水机组对应的泵称为初级泵（一次泵），并与供、回水干管的旁通管组成冷冻水制备系统。连接所有负荷点的泵称为次级泵（也称二次泵）。末端装置管路与旁通管构成冷冻水输送系统，输送系统完全根据负荷的需要，通过改变水泵的台数或水泵的转数来调节系统的循环水量。通常，把这种生产冷冻水的环路和输送冷冻水的环路串联起来的冷冻水系统称为

二次泵系统。其优点是可以降低冷冻水的输送能耗。

（四）双管、三管和四管制水系统

双管系统：一根供水管，一根回水管，各组换热设备并联在供、回水管之间。双管式系统各换热设备流量可单独控制，使用灵活，调节方便。

三管制水系统：两根供水管分别供冷水和热水，一根回水管冷、热水共用，各组换热设备并联在供、回水管之间。这种系统型式虽比四管制经济，但共用回水管会造成冷量和热量的混合损失，同时调节控制也较复杂。

四管制系统：采用两根供水管、两根回水管，分别供冷水和热水，各组换热设备并联在供、回水管之间，适应于一些负荷差别比较大，供冷和供热工况交替频繁或同时使用的场合。图7-5为四管制系

统风机盘管的连接方式。这种系统型式初投资较高，

但运行很经济，对室温的调节具有较好的效果，往往在舒适性要求很高的建筑物内采用。

（五）同程式和异程式水系统

根据系统中各循环环路流程长度是否相同，有同程和异程式系统之分。异程式系统中各循环环路长度不同，其环路阻力不易平衡，阻力小的近端环路流量会加大，远端环路的阻力大，其流量相应会减小，从而造成在供热水（或冷水）时近端用户比远端用户所得到的热量（或冷量）多，形成水平失调。同程式系统则可避免或减轻水平失调。空调冷、热水系统，尽可能采用同程式系统，包括立管同程和干管同程，都有利于克服系统失调。在大型建筑物中，为了保持水力工况的稳定性和减少初次调整的工作量，水系统应设计成同程式，但当管路阻力和盘管阻力之比在1∶3左右时可用异程式水系统。

二、冷热水系统的管路水力计算

空调冷冻水系统的水管设计与采暖管路有许多相同之处，例如，管路要设立坡度以排除系统中积存的空气；水系统应设膨胀水箱等等。

水在管内流动时产生的阻力为沿程阻力与局部阻力之和。

22

ρυ

ζ

+

=

?l

R

p

m

（7-1）式中p

?——水在管内流动时所产生的阻力（Pa）；

m

R——单位沿程阻力（比摩阻）（Pa/m），宜控制在100～300Pa/m；具体可查附录E-1，制表时水温为10℃，当量绝对粗糙度K：闭式系统K=0.2mm，开式系统K=0.5mm。

也可查图7-6，图7-6是根据莫迪公式按K=0.3mm,水温20℃条件制作的。

ζ——局部阻力系数。一些阀门、管配件的局部阻力系数，可参见表7-1；一些设备的阻力，可参见表7-2。

l——管道长度（m）；

υ——水流速（m/s），可参见表7-3。

冷热水管道的阻力损失、计算方法、步骤同机械循环采暖系统的水力计算。各并联环路压力损失差值，不应大于15%。

表7-3 推荐流速

管径(mm ) 15

20

25

32

40

50

65

80

闭式系统 开式系统 0.4～O.5 0.3～O.4 O.5～0.6 0.4～0.5 0.6～0.7 O.5～O.6 O.7～0.9 O.6～O.8 O.8～1.0 0.7～0.9 0.9～1.2 0.8～1.0 1.1～1.4 O ．9～1.2 1.2～1.6 1.1～1.4 管径(mm ) 100

125

150

200

250

300

350

400

闭式系统 开式系统

1.3～1.8 1.2～1.6 1.5～

2.0 1.4～1.8 1.6～2.2 1.5～2.0

1.8～

2.5 1.6～2.3

1.8～

2.6 1.7～2.4

1.9～

2.9 1.7～2.4

1.6～

2.5 1.6～2.1

1.8～

2.6 1.8～2.3

第二节 空调冷却水系统

当制冷设备冷凝器和压缩机的冷却方式采用水冷方式时，需要设置冷却水系统。 一、冷却水系统的分类

冷却水系统按供水方式可分为两类：

1．直流供水系统 冷却水经冷凝器等用水设备后，直接排入河道或下水道。直流供水系统一般适用于水源水量充足的地方，如江、河、湖泊等地面水源或附近有丰富的地下水源。在当前全国水资源紧张的状况下，应尽可能综合利用，达到节水目的。

2．循环冷却水系统 冷却水循环使用，只需要补充少量补给水。冷却水系统按通风方式可分为：（1）自然通风冷却系统，适用于当地气候条件适宜的小型冷冻机组；（2）机械通风冷却系统，适用

表7-2 设备阻力

设备名称 阻力(kPa)

备注 离心式制冷机

蒸发器 冷凝器 30～80 50～80

按不同产品而定 按不同产品而定

吸收式制冷机

蒸发器 冷凝器 40～100 50～140

按不同产品而定 按不同产品而定 冷却塔 20～80 不同喷雾压力 冷热水盘管 20～50 水流速在0.8～1.5m/s 左

右 热交换器 20～50 1～3 风机盘管机组 10～20 风机盘管容量愈大,阻力愈大,最大30Pa 左右

自动控制阀

30～50

表7-1 局部阻力系数

名称 形式

ζ 球形(截止)阀 全开DN40以下 DN50以上 15.0 7.0 角阀 全开DN40以下 DN50以上 8.5 3.9 闸阀 全开DN40以下 DN50以上

0.27 0.18 止回阀 2.0 90°弯头 短的 长的

0.26 0.20 三通

3.0 1.8 1.5 0.68 突然扩大 突然缩小 d/D=1/2 d/D=1/2 0.55 0.36

于气温高、湿度大，自然通风冷却方式不能达到冷却效果时用。

由于冷却水流量、温度、压力等参数直接影响到制冷机的运行工况，因此，在空调工程中大量采用的是机械通风冷却水循环系统。 二、冷却水系统形式

除蒸发式冷却塔外，冷却水系统通常为开式系统（图7-7）。当有多台冷水机组时，冷却塔的台数和运行方式一般要求与冷水机组一一对应。冷却塔设置在室外地面或屋面上，对于高层建筑，通常可置于裙房的屋面上。

三、冷却塔类型

冷却塔是冷却水系统的重要设备，冷却塔的性能对整个空调系统的正常运行都有一定的影响。常用的冷却塔一般用玻璃钢制作。常用以下两种类型(图7-8)：

1．逆流式冷却塔在风机的作用下，空气从塔下部进入，顶部排出。空气与水在冷却塔内竖直方向逆向而行，热交换效率高。冷却塔的布水设备对气流有阻力，布水系统维修不便，冷却水的进水压力要求0.1MPa 。

部排出，水从上至下穿过填料层，空气与水的流向垂直，热交换效率不如逆流式。横流塔气流阻力较小，布水设备维修方便，冷却水阻力≤0.05MPa 。 四、冷却塔的选择和设置

冷却塔的选择要根据当地的气象条件、冷却水进出口温差及处理的循环水量按冷却塔选用曲线或冷却塔选用水量表来选用。一定要注意不可直接按冷却塔给出的冷却水量选用。 其循环水量为

6.3)

(w1w20

?-=t t C kQ W （7-2）

式中 W ——循环水量（t/h ）；

k ——系数，与制冷机的型式有关； 0Q ——制冷机的制冷量（kW ）； C ——水的比热容[kJ/(kg ·℃)]；

0kQ ——冷凝器的热负荷（kW ）；

w1t 、w2t ——冷却水进、出口水温（℃）。

对于多台冷却塔并联运行，各台冷却塔之间应设平衡管。水泵与冷却塔一一对应，每台冷却塔供回水管之间设旁通管以便相互备用。 五、冷却水系统水力计算

冷却水系统的水力计算方法同冷热水系统的管路计算。 单位沿程阻力（比摩阻）m R 可由附录E-2查得。

附录E-2的制表条件是按照冷却水温度35℃，水的密度994.1kg/m 3，运动粘滞系数0.727×10-6m 2/s ，管壁绝对粗糙度0.5mm 条件下制作的。

第三节 空调冷凝水系统

空调水系统夏季供应冷冻水的水温较低，当换热器外表面温度低于与之接触的空气露点温度时，其表面会因结露而产生凝结水。这些凝结水汇集在设备的集水盘中，通过冷凝水管路排走。 空调冷凝水系统一般为开式重力非满管流。为避免管道腐蚀，冷凝水管道可采用聚氯乙稀塑料管或镀锌钢管，不宜采用焊接钢管。当采用镀锌钢管时，为防止冷凝水管道表面结露，通常需设置保温层。

为保证冷凝水能顺利排走，冷凝水管道设计应注意下列事项：

1．保证足够的管道坡度。冷凝水盘的泄水支管沿凝结水流向坡度不宜小于0.01，冷凝水水平干管不宜过长，其坡度不应小于0.003，且不允许有积水部位。

2．当冷凝水集水盘位于机组内的负压区时，为避免冷凝水倒吸，集水盘的出水口处必须设置水封，水封的高度应比集水盘处的负压（水柱高）大50％左右。水封的出口与大气相通(见图7-7)。图中1p 为表冷器处最大的负压值（折合成水柱高度mm ）；1.2为安全系数。

3．冷凝水立管顶部应设计通大气的透气管。水平干管始端应置扫除口。

4．冷凝水排入污水系统时，应有空气隔断措施，冷凝水管不得与室内密闭雨水系统直接连接。 5．冷凝水管管径应按冷凝水流量和冷凝水管最小坡度确定。一般情况下，每1kW 冷负荷最大冷凝水量可按0.4～0.8kg 估算。冷凝水管管径可按表7-5选用。

表7-5 冷凝水管径估算表

习 题

7-1 空调冷热水系统的形式和组成？

7-2 什么是定流量和变流量水系统？各自有什么特点？ 7-3 什么是双管、三管、四管制水系统？设计中如何选用？ 7-4 冷却塔的类型？冷却塔在选择和布置时应注意哪些问题？

7-5 空调冷热水系统、冷却水系统、冷凝水系统在管路设计计算时有何不同？

7-6 如图7-9所示的空调冷冻水系统，已知每台空调机组的冷负荷为24.4kW ，表冷器阻力为5m 水柱，各管段长度为21-l ＝10m ；32-l ＝5m ；43-l ＝10m ；54-l ＝5m ；65-l ＝10m ；52-l ＝10m 。求各管段管径及水泵扬程。

图7-9