空调冷水系统（设计概述版）

空调冷水系统（设计概述版）
基本概念
1、中央空调的分类
中央空调分为舒适性空调和工艺性空调两类。

舒适性中央空调：以人员为对象，制造使人舒适的室内气候环境。

公共建筑和民用建筑
的空调多为舒适性空调。

工艺性中央空调：主要以生产工艺过程为对象，制造符合于工艺过程（包括物品贮存和
设备运行）所要求的室内气候条件，同时兼顾
人体的卫生要求。

工厂车间、计算机房、程控
交换机房、仓库等空调属于工艺性空调。

工艺
性空调对温度变化范围、湿度、空气洁净度和
气流速度等往往有特殊要求。

按制冷方式的不同，中央空调又分为直接制冷系统和间接制冷系统。

直接制冷系统：只包括制冷剂回路，制冷系统中的蒸发器直接和被冷却介质或空间相接
触进行热交换，直接利用蒸发器去冷却环境空
气或冻结物。

间接制冷系统：至少包括制冷剂和载冷剂两个回路，制冷剂首先冷却载冷剂，再通过载
冷剂去实现冷却目的。

冷水机组就属于间接制
冷系统。

2、中央空调系统的构成
间接式中央空调系统由以下几部分组成：
冷源系统：主要指冷水机组。

能量输送与分配系统：指在建筑物内部传递冷量或热量的空调水及其载体——管路系统（包括供、回水设备），即空调水系统。

空气处理系统：即空调末端装置，包括组合式空调机组、风机盘管机组和新风机组等。

自动控制系统：指空调系统的运行控制装置。

3、中央空调系统的工作原理
间接式制冷中央空调的基本原理：建筑物内的热量通过五个介质循环、四次热交换排放到室外去，从而实现建筑物内部的制冷。

中央空调制冷，就是将空调的冷负荷（热量）从室内转移到室外去，这是一个按照热力学第二定律进行的“热量逆向传递”的过程。

中央空调系统制冷过程中，热量转移与冷量转移是同时进行的，但冷量转移与热量转移的方向正好相反。

空调冷水的制造
间接式中央空调的水系统：
载冷剂——冷冻水（冷媒水），在空调末端设备与冷水机组蒸发器之间传递冷量和热
量的介质。

冷却剂——冷却水，在冷水机组冷凝器与冷却塔之间传递冷量和热量的介质。

1、冷冻水的制造
冷冻水系统的构成冷冻水系统主要由冷冻水泵、分水器、集水器、膨胀水箱、水处理装置及管路构成。

管路的功能是将冷水机组与空调末端装置连接起来，保证冷冻水按照供水管路输送到各个空调末端装置。

冷冻水的制造过程：
在冷冻水泵的驱动下，携带着热量的12℃冷冻水流入冷水机组蒸发器内的换热管，被管外的液态制冷剂蒸发而吸收热量，使其温度降低至7℃，7℃的冷冻水携带着所获得的冷量沿供水管路流至各个空调末端设备，为末端提供冷量。

可见，7℃的低温冷冻水是在冷水机组的蒸发器中制造出来的。

冷冻水的制造设备——蒸发器
在离心式和螺杆式冷水机组中，常用的蒸发器主要是干式蒸发器和满液式蒸发器两种。

干式蒸发器也称为直膨式蒸发器，制冷剂走管程，冷冻水走壳程。

满液式蒸发器：冷冻水走管程，制冷剂走壳程。

评价制冷性能的技术参数
蒸发器制冷性技术参数进行评价：
制冷量：规定工况下蒸发器制冷剂单位时间内移出热量，制冷量正比于制冷剂的流量。

制冷性能系数COP：在一定工况下制冷机的制冷量与所消耗功率之比，即单位消耗功率的制冷量。

它是衡量制冷机动力经济性的指标，COP越大，制冷机的能源利用效率越高。

美国用EER，国内称为能效比或能源利用系数，定义为在规定工况下制冷量（单位用BTU/h表示）与总的输入电功率（单位用W 表示）的比值。

COP或EER是指在规定工况下运行的能源利用系数，实际上制冷机大都是在非标准工况下运行，因此美国还提出SEER。

2、冷却水的制造
冷却水系统的构成冷却水系统主要由冷却水泵、冷却塔及管路等构成。

冷却水的制造过程：
在冷却水泵的驱动下，37℃的冷却水携带着在冷凝器或吸收器中所吸收的热量，沿着管道流至冷却塔，在冷却塔中排出热量后降低到32℃；32℃的冷却水携带着从大气所获得的冷量，又流回冷凝器或吸收器。

可见，32℃的冷却水是在冷却塔中制造出来的。

冷却水的制造设备——冷却塔
冷却塔是一种特殊的热交换器，它利用水和空气的接触，通过热交换与质交换来排放冷却水所吸收的空调系统废热。

冷却塔俗称冷水塔、凉水塔等，其种类繁多。

按通风方式分为自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔。

按水和空气的接触方式分为干式冷却塔、湿式冷却塔、干湿式冷却塔。

按水和空气流动方向的相对关系分为逆流式冷却塔、横流式冷却塔、混流式冷却塔。

其它：如喷流式冷却塔、无风机冷却塔、双曲线冷却塔、无填料喷雾式冷却塔等。

此外，还有密闭式冷却塔。

冷却塔的工作原理：
冷却水在冷却塔中的散热方式：接触散热和蒸发散热。

接触散热冷却水与空气接触时，视冷却塔进水温度Tw1与空气温度Tq1的不同，有三种传热情况：
当Tw1＞Tq1时，冷却水向空气传递热量，冷却水得到却；
当Tw1＝Tq1时，冷却水与空气无热量传递，冷却水温变；
当Tw1＜Tq1时，空气向冷却水传递热量，冷却水温度升高。

因此，当外界环境温度等于或高于冷却水温时，冷却塔的接触散热冷却失效。

这时，其冷却效果将完全取决于冷却水的蒸发散热，冷却效果将明显降低。

蒸发散热：
气象因素对冷却水蒸发散热的影响：
· 空气温度的影响：气温越高，蒸发散热越强烈；
· 空气湿度的影响：空气相对湿度越小，蒸发散热越快；相反，环境湿度大，蒸发散热就差。

空气中水蒸气饱和时，蒸发无法进行，
蒸发散热量等于零。

· 空气压力的影响：空气压力越低，水就越容易蒸发。

提高冷却塔的通风量，可以有效降低冷却水表面的静压力，有利于冷却水的蒸发散热。

· 风速的影响：风速越大，对流传热系数越大。

除密闭式冷却塔以外，各种开敞式冷却塔都要利用自然通风或机械通风。

综上所述，冷却水在冷却塔中的冷却过程是与大气进行热量交换的过程，其冷却效果受大气气象条件的综合影响很大。

冷却水散热的几种状况：
设接触散热量为Qj，蒸发散热量为Qc，总散热量为Q，则：当Tw1＞Tq1时，接触散热和蒸发散热都由冷却水向空气传热，冷却水所散发的总热量为Q = Qj +Qc。

当Tw1= Tq1时，接触散热量Qj = 0，冷却水的散热量仅为蒸发散热量，即总散热量Q = Qc。

当Tw1＜Tq1时，接触散热是空气向冷却水传热，使冷却水温度升高；蒸发散热是冷却水向空气传热，使冷却水温度降低。

则冷却水散热量Q = Qc－Qj，如果
Qj＜Qc，则Q= Qc－Qj＞0，冷却水温降低，散热有效；
Qj＝Qc，则Q= Qc－Qj = 0，冷却水温不变，散热无效；
Qj＞Qc，则Q= Qc－Qj＜0，冷却水温升高，散热失效。

可见，冷却水的散热与室外气象条件关系
很大，具有不确定性。

评价冷却塔冷却性能的技术指标：
衡量冷却塔的冷却性能常用三个指标：
· 冷却塔的进水温度Tw1和出水温度Tw2之差ΔTw，ΔTw被称为冷却温差。

温差ΔTw 越大，则冷却效果越好，所需的冷却水流量越少。

· 出水温度Tw2和空气湿球温度Tv之差ΔTv，ΔTv 称为冷却幅高，简称冷幅。

ΔTv越小，则冷却效果越好。

但ΔTv不可能等于零，一般为3～4℃。

温差ΔTw与冷幅ΔTv之比，称为冷却效率η，简称冷效，η =ΔTw / ΔTv。

注：湿球温度Tv 代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度，也是冷却塔出水温度的极限值。

· 冷却塔的淋水密度。

淋水密度指1m2有效面积上每小时所能冷却的水量。

淋水密度大，则冷却塔的运行效率高；淋水密度小，则运行效率低。

空调冷水的输送
中央空调冷冻水和冷却水的分配、输送与循环，是通过管路系统和液体输送设备来实现的。

管路系统是输送空调水的载体；液体输送设备——水泵为输送空调水提供动力，用以克服水的压力和流动时的阻力。

1、空调水系统的管路
空调水系统管路按其特征有5种形式11种类型：
按循环水是否与空气接触分，分为开式系统和闭式系统；
按循环水流动途径分，分为同程式系统和异程式系统；
按供、回水管数量分，分为二管制、三管制和四管制系统；
按水流量是否变化分，分为定流量系统和变流量系统；
按水泵设置方式来分，分为单式泵系统和复式泵系统。

（1）闭式系统与开式系统
闭式系统：管路中的水不与大气接触，仅在系统最高点设置膨胀水箱。

闭式循环的优点：
· 管路不与大气接触，管道和设备不易腐蚀。

· 水泵所需扬程仅由管路阻力大小决定，不需克服静水压力，水泵扬程和功率较低。

· 系统简单。

闭式循环的缺点：
· 蓄冷能力小，低负荷时，冷水机组也需要经常启动。

· 膨胀水箱的补水，有时需要另设加压水泵。

闭式系统应用场合：
· 当空调系统采用风机盘管、诱导器和水冷式表冷器时；高层建筑的空调冷水系统；热水系统。

开式系统：管路之间有贮水箱或水池通大气，自流回水时，管路通大气。

开式系统的几种常见形式。

开式系统的优点：
· 冷水池有一定的蓄冷能力，可以减少冷冻机开启时间，能量调节能力冷水温度波动较
小。

开式系统的缺点：冷水与大气接触，循环水中含氧量高，易腐蚀管道；水泵的扬程除需要克服管路阻力外，还需具有把水提升到某一高度的压头，水泵扬程和能耗较大；如果采用自流回水，回水的管径较大，会增加投资。

开式系统应用场合：
· 当末端空调系统采用喷水冷却空气时；
· 冷水温度要求波动小或冷水机组的能量调节不能满足空调系统的变化时；
· 当采用开式水池贮水蓄冷以削减高峰负荷时；
· 淋水式冷却塔的冷却水系统。

（2）同程式系统与异程式系统
同程式系统：同程式系统中水流经过每一并联环路的管道路程基本相等，则各个管路的阻力损失接近相等。

同程式系统的形式：
· 竖向干管同程式管路
· 水平支管同程式管路
同程式系统的优点：
当各个末端换热器的水阻力大致相等时，由于各并联环路的管道总长度基本上相等，所以同程式系统的水力稳定性好，各环路间的水量分配均衡，调节方便。

同程式系统的缺点：同程式系统管道的长
度增加，水阻力增大，使水泵的能耗增加，初投资相对较大。

异程式系统
异程式系统中水流经过每一并联环路的管道路程均不相等，因而阻力也不相等。

异程式系统的形式：
· 竖向干管异程式管路
· 水平支管异程式管路
异程式系统的优点：管路配置简单，耗用管材少，施工难度小，投资省。

异程式系统的缺点：各并联环路的管道总长度不相等，各环路间阻力不平衡，从而导致流量分配不匀。

（3）两管制、三管制、四管制
两管制系统：管路系统只有一根供水管和一根回水管。

夏季循环冷水，冬季循环热水，用阀门进行切换。

两管制系统简单，施工方便，初投资小，但不能用于同时需要供冷又供热的场所。

三管制系统：管路系统有供冷管路、供热管路和回水管路三根水管，其冷水与热水共用一根回水管。

三管制系统能同时满足供冷和供热的要求，管路较四管制简单，但比两管制复杂，投资也比较高，且存在冷、热水回水的混合损失。

四管制系统：冷水与热水均单独设置自己
的供水管和回水管，构成两套完全独立的供、回水管路，分别供冷和供热。

四管制系统能够同时供冷和供热，可以满足高质量空调环境的要求。

但四管制管路系统十分复杂，初投资很高，且占用建筑空间也较多。

（4）定流量系统与变流量系统
定流量系统：水流量恒定不变，通过改变供、回水温差（变温差）来适应末端负荷的变化。

当末端负荷减少时，水系统供、回水温差减小，使系统输送给负荷的能量减少，以满足负荷减少的要求，但水系统的输送能耗并未减少，因此水的运送效率低。

定流量系统的原理
定流量系统的各个空调末端装置采用电动三通阀调节。

当室温未达到设定值时，三通阀的直通管开启、旁通管关闭，供水全部流经末端装置；当室温达到或超过设定值时，直通管关闭、旁通管开启，供水全部经旁通管流入回水管。

因此，负荷侧水流量是不变的。

定流量系统的优点：系统简单，操作简便，
不需要较复杂的自控设备；用户端采用三通阀调节水量，各用户之间互不干扰，系统运行较稳定。

定流量系统的缺点：系统水流量按最大负荷确定，绝大多数时间供水量都大于所需要的水量，输送能耗始终处于设计的最大值，水泵的无效能耗很大。

变流量系统
又称变水量（VWV）系统。

它是保持供回水温差不变（定温差），通过改变水流量来适应空调末端负荷的变化，其水流量跟随负荷的变化而改变。

当末端负荷减少时，系统水流量随之减小，使系统输送给负荷的能量减少，以适应负荷减少的要求。

因水流量减少可降低水的输送能耗，因而节能显著。

变流量系统的原理
变流量系统的各个空调末端装置采用电动二通阀调节。

当室温未达到设定值时，二通阀全开或开度增大，流经末端装置的供水增大；当室温达到或超过设定值时，二通阀关闭或开度减小，流经末端装置的供水量减少。

因此，负荷侧水流量是变化的。

变流量系统的优缺点：
优点：水泵的能耗随负荷的减少而降低（节能）；配管设计时，可考虑同时使用系数，管径相应较小，水泵和管道的初投资降低。

缺点：变流量系统的控制设备要求较高，也较复杂。

（5）单式水泵系统与复式水泵系统
单式水泵系统：单式水泵系统又称一次泵系统，即冷源侧与负荷侧共用一组循环水泵。

负荷侧减少的部分水流量从旁通管返回回水总管，流回冷水机组，因而冷水机组蒸发器的水流量始终保持恒定不变（即定流量）。

一次泵系统的优缺点
优点：系统比较简单，控制元件少，运行管理方便。

缺点：水流量调节受冷水机组最小流量的
限制；不能适应供水半径及供水分区扬程相差悬殊的情况。

因此只能用于中小型空调系统。

复式水泵系统
复式水泵系统又称二次泵系统，即冷源侧与负荷侧分别配置循环水泵。

设在冷源侧的水泵，常称为一次泵；设在负荷侧的水泵，常称为二次泵。

二次泵系统的构成
二次泵系统由两个环路组成：
一次回路：回水总管→一次泵→冷水机组→供水总管。

一次回路负责冷冻水的制备。

二次回路：供水总管→二次泵→末端设备→回水总管。

二次回路负责冷冻水的输配。

二次泵系统的优、缺点：
优点：能适应各个分区负荷变化规律不一样或各个分区回路扬程相差悬殊或各个分区供水作用半径相差较大的情况；可实现二次泵
变流量，节省输送能耗。

缺点：系统较复杂，控制设备要求较高，机房占地面积较大，初投资较大。

一次泵与二次泵混合式系统：在冷冻水的输配环路中，管路较短、压力损失小的环路由一次泵直接供水，而压力损失大的环路则由二次泵供水，这样就构成了一次泵和二次泵混合式系统。

混合式系统如图示。

2、空调冷冻水系统的承压与垂直分区
（1）空调冷冻水系统的承压
随着建筑物高度的增加，空调冷冻水系统的静水压力和水泵出水压头也随之增加，而系统中的设备（冷水机组、热交换器）、管件、阀门等的承压能力是有一定限度的。

冷冻水系统的最高压力
系统停止运行时的最高压力在A点，其静
压力由高度h决定。

系统开始运行时的最高压力在水泵的出口处B点，水泵的出口压力等于静水压力与水泵全压之和。

系统正常运行时的最高压力，系统正常运行时，A点和B点均可能承受最大压力。

冷冻水系统的承压
设备承压：包括冷水机组、水泵、板式热交换器等的承压，压力等级1.0～2.5 MPa；
管道承压：主要指管道、管件、阀门等的承压，普通螺纹连接的镀锌钢管和末端风机盘管的承压只有1.0 MPa。

（2）冷冻水系统的垂直分区
在高层或超高层建筑物中，冷冻水系统的静水压力很大。

当设备的承压能力不足时，为保证空调水系统运行的安全，解决的办法就是
将冷冻水系统进行垂直水力分区（低区和高区），并相互隔离。

垂直分区后，静水压力变为分段承受，每个水区的水压大大降低。

换热器分区放置：只有最下面一个分区的换热器在制冷站机房内，其它分区的换热器均放置在自己分区的底部。

优点：管道井较小，制冷站机房占用面积也小，每个分区的压力小（不超过1.0 MPa），系统安全。

缺点：冷水机组的承压较高，设备分散，不易管理。

高区的换热器集中放置于设备层的专用机房
这种分区方式能使热交换的次数最少，从而减少换热的温度损失，保证换热器二次侧回水温度在合理的范围内。

高区的换热器集中放置于设备层的专用机房
这种分区方式能使热交换的次数最少，从而减少换热的温度损失，保证换热器二次侧回水温度在合理的范围内。

采用板式换热器进行隔离分区的不足之处：· 板式换热器价格昂贵，造成一次性投资增大；
· 换热器一次侧与二次侧“转水”后有1℃～2℃的温升，增加了换热损失；
· 换热器二次侧冷冻水温度升高后，必然使高层的空调末端出力下降，要维持同样的冷量供应，必需加大空调末端设备的容量，否则将延长空调达到其制冷效果的运行时间；
· 对于400m以上的建筑，会在高区出现第2级换热。

第2级换热器的二次侧回水温度
将达到14℃左右，非常接近空气的露点温度，不利于空气除湿。

设置多个独立的水系统将建筑物竖向分为2～3个独立的空调水系统，各自设置冷水机组、循环水泵等设备，从而实现水力隔离。

由于每个水区的高度降低，使每个水区承受的静水压力也降低。

机房并置于建筑物中部的设备层内，但由于布置冷却塔要求空间开敞和一定的安装面积，故这种方法工程实施中有一定的困难。

机房分别置于建筑物的底层和顶层
底层系统冷却塔可布置于裙房屋顶上，顶
层系统的冷却塔可布置于楼顶上，故工程实施较容易。

但机房分散，管理不便。

独立水系统的竖向分区方式，缺点是各系统间相互独立，冷水机组、水泵等设备均不能互为备用，增大了投资；且在低负荷时，各系统设备均在低负荷下运行，效率降低，能耗增大。

3、空调水系统管路的常用形式
（1）空调冷冻水系统管路
冷冻水泵的安装位置：冷冻水泵与冷水机组蒸发器的连接有两种方式。

压入式：蒸发器承压较大，但蒸发器中水流量稳定，安全性好；
抽出式：蒸发器承压较低，但蒸发器水流量不稳定，安全性差。

冷冻水系统常见的管路配置
一次泵与冷水机组一一对应配置
优点：
· 可以采用不同流量的冷水机组并联工作；
· 水泵与冷水机组（蒸发器）之间的流量容易匹配。

当负荷变化时，可以启动相应流量的冷水机组运行，从而避免大机组带小负荷所造成的能耗浪费。

一次泵及冷水机组均并联配置
优点：若并联的水泵都相同，则并联泵组中的任一台水泵都可以作为备用泵。

缺点：
· 当冷水机组或水泵的大小不相同时，水泵与冷水机组（蒸发器）之间的流量匹配较困难。

· 当增开机组或减开机组时，会对正在运行的冷水机组产生不良影响。

（2）空调冷却水系统管路
冷却水泵的安装位置：空调冷却水系统大多数是开式系统，其冷却塔的扬程水位及大气压力是唯一可提供给冷却水泵吸入端的正压。

因此，冷却水泵必须安装在冷水机组冷凝器的进水端，以减小系统的输送能耗。

水泵的安装位置也应尽可能低。

冷却水系统最常见的管路配置：
水泵、冷水机组、冷却塔一一对应配置
优点：各台冷水机组的冷却水系统各自独立，流量匹配；各个冷却塔之间也无需设置“均压管”。

缺点：耗用的管材较多，初投资较大。

水泵、冷水机组、冷却塔均各自并联的冷却水管路。

优点：
·各种设备均不用另外配备备用设备；使用的管材少，投资小。

缺点：
当冷水机组（冷凝器）大小不相同时，设备之间的冷却水流量匹配较困难。

具有出水干管与回水干管的冷却水管路
各冷却塔的集水盘之间安有一根“均压管”，使这些冷却塔在同一个水位运行，防止
各冷却塔集水盘内水位高低不一，避免出现有
的冷却塔溢水而有的冷却塔在补水的现象。

冷却塔集水盘的水位，应维持一定，水位太高会导致冷水机组的冷却水过流量，水位太
低则会产生旋涡而造成空气进入冷却水。

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