第七章 空调水系统设计

——摩擦系数；管道内径，m；
Rm ——比摩阻，单位长度沿程阻力损失，Pa/m；


l ——管道长度，m； v ——流体在管道内的流速，m/s；
——流体的密度，kg/m3。
2）局部阻力损失计算的基本公式
v2 Pj 2
（7-5）
式中 Pj ——局部阻力损失，Pa； ——局部阻力系数。
定流量系统
变流量系统
图7-5定流量与变流量系统
变流量系统是指系统中供、回水温度保持不变，当空调负荷变化时，通过改变供 水量来适应。优点:变水量系统的水泵的能耗随负荷减少而降低，在配管设计时可 考虑同时使用系数，管径可相应减小，降低水泵和管道系统的初投资；缺点:需要 采用供、回水压差进行流量控制，自控系统较复杂。
Hp H y H j H e H f
（7-6）
式中Hy，Hj ——管路系统总的沿程阻力和局部阻力， mH2O。 He——冷水机组蒸发器的阻力，mH2O。 Hf——未端设备（风机盘管、柜式空调机或新风机等 用冷设备的阻力） 图7-12闭式单级泵系统水泵扬程 计算示意图
2）双级泵系统 如图7-13所示，一次泵的扬程应取一次管路、管件、自控调节阀、过滤器、 冷水机组的蒸发器等的阻力和 .
3、同程式与异程式系统
如图7-4所示，水流通过各末端 设备时的路程都相同（或基本相 等）的相同称为同程式系统。 优点:同程式系统各末端环路的 水流阻力较为接近，有利于水力 平衡，因此系统的水力稳定性好， 流量分配均匀。 缺点:管路布置较为复杂，管路长， 初投资相对较大。 异程式系统中，水流经每个末端设备的路 程是不相同的。 优点:管路配置简单，管路长度短，初投资低。 缺点:各环路的管路总长度不相等，故各环路的阻力不平衡，从而导致了流量分配 不均匀的可能性。 图7-4 同程式与异程式系统
在高层建筑中，为了减少设备及附件的承压，冷、热源设备通常有以下 几种布置方式： (1)布置在塔楼外裙房的顶层，冷却塔则设于裙房的屋顶上，如图7-8 所示。
(2)布置在塔楼中间的技术设备层(或防火层)内，如图7-9所示。当竖向 各分区采用同一冷、热源设备时，在中间技术设备层布置水-水热交 换器，使静水压力分段承受。
二、冷冻水系统设计
1、水系统的承压、竖向分区及设备布置 （1）系统的承压 水系统的最高压力点，一般位于水泵出口处的“A”点， 如图7-7所示。通常，系统运行有三种状态： 系统停止运行时：系统的最高压力等于系统的静水压力， 即 PA gh （7-1） 系统开始运行的瞬间：水泵刚启动的瞬间，由于动压 尚未形成，出口压力等于该点静水压力与水泵全压之 和，即 PA gh P （7-2） 系统正常运行时：出口压力等于该点静水压力与水泵 静压之和，即
图7-11 典型空调水系统 1-冷水机组阻力；2-管路阻力；3-空 调末端装置阻力；4-调节阀阻力
（2）流速与管径选择 在空调水系统设计中，管道和附件的阻力主要取决于管道中的水流速（除自 动控制的电动阀外，其他附件通常采用与管道同口径连接）。合理控制设计 水流速主要是为了符合两个原则： 1）控制系统的水流阻力——控制水泵的扬程和安装容量； 2）投资的合理性——管径过大，会导致占用空间较多，管道用材及相应的 保温材料投资增加。
H p1 H y1 H j1 H e
（7-7） （7-8）
H p2 H y2 H j2 H f
式中符号与式(7-6)相同，下标1表示一次侧（机组侧），2表示二次侧 （负荷侧）。 开式系统：一次泵的扬程除应取一次管 路、部件、自控调节阀、过滤器、冷水 机组的蒸发器等的阻力之和外，还应加 上系统的静水压力（从蓄水池或蓄冷水 池最低水位至蒸发器之间的高差）。
一般来说，空调冷水管道的比摩阻宜控制在100~300Pa/m，同时，还必须考 虑到管道内允许的最大流速超过3m/s时，会明显加快对管道和附件的冲刷腐 蚀的情况。
3）水力计算的基本公式
1）沿程阻力损失计算的基本公式
P m
v2
d l 2
lRm
（7-4）
式中
Pm ——沿程阻力损失，Pa；
图7-13闭式单级泵系统水泵扬程计 算示意图
四、其它辅助设备的选择
1、膨胀水箱
空调冷热水循环系统的补水、定压与膨胀，一般可通过膨胀水箱来完成。 膨胀水箱有定压、容纳膨胀水量的作用，在自然循环热水采暖系统中还能 起到排气的作用，因而是空调水系统中的主要部件之一。
膨胀管：将系统中因膨胀而增加的水量导 入水箱；在水却时，将水箱中的水导入系 统； 溢流管:用于排出水箱内超过规定水位的多 余的水； 信号管:用于监测水箱内的水位； 补水管:用于补充系统水量，自动保持膨胀 水箱的恒定水位； 循环管:在水箱和膨胀管可能发生冻结时， 用来使水缓慢流动，防止水冻结； 排污管:用于排污； 通气管：使水箱和大气保持相通，防止产 生真空。
2、循环水泵的流量、扬程的确定 选择循环水泵时，宜对计算流量和计算扬程附加5%～10%的裕量. （1）循环水泵的流量 一次循环泵的流量，应为所对应的冷水机组的冷水流量。二次循环泵的 流量，应为按该区冷负荷综合最大值计算出的流量。计算水泵流量应附 加5％～10％的裕量。 （2）水泵的扬程 1）单级泵系统 如图7-12所示，单级泵开式系统可按式计算：
局部阻力系数由实验方法确定，在设计手册或参考资料中给出了各种阀门 和管道配件的局部阻力系数，可根据需要查取。
三、循环水泵的选择
1、循环水泵的选用原则
（1）两管制空气调节水系统，宜分别设置冷水和热水循环泵。当冷水循环 泵兼作冬季的热水循环泵使用时，冬、夏季水泵运行的台数及单台水泵的流 量、扬程应与系统工况相吻合。 （2）一次泵系统的冷水泵以及二次泵系统中一次冷水泵的台数和流量，应 与冷水机组的台数及蒸发器的额定流量相对应。 （3） 二次泵系统的二次冷水泵台数应按系统的分区和每个分区的流量调节 方式确定，每个分区不宜少于1台。 （4） 空气调节热水泵台数应根据供热系统规模和运行调节方式确定，不宜 少于2台；严寒及寒冷地区，当热水泵不超过3台时，其中一台宜设置为备用 泵。 （5）冷水机组和水泵可通过管道一对一连接，也可以通过共用集管连接。 （6）多台一次冷水泵之间通过共用集管连接时，每台冷水机组入口或出口 管道上宜设电动阀，电动阀宜与对应运行的冷水机组和冷水泵联锁。
单级泵系统
双级泵系统
图7-6一次泵系统与二次泵系统
在冷、热源侧和负荷侧分别配置循环泵的称为双级泵系统。优点:二次泵系统能 适应各区压力损失悬殊的情况，水泵扬程有把握可能降低；能根据负荷侧的需 求调节流量，节省一部分水泵能耗；由于流过蒸发器的流量不变，能防止蒸发 器发生结冻事故，确保冷水机组出水温度恒定。缺点:该系统自控复杂，初投资 高。
图7-1 开式系统和闭式系统
2、两管制、三管制、四管制及分区两管制水系统
如图7-2所示，两管制 系统只有一供一回两根 水管，供冷和供热采用 同一管网系统，随季节 的变化而进行转换。
三管制系统分别设置供 冷管路、供热管路、换 热设备管路三根水管； 其冷水与热水的回水管 共用。
四管制系统的冷水和热 水完全单独设置供水管 和回水管，可以满足高 质量空调环境的要求。
图7-14开式膨胀水箱
膨胀水箱的安装高度: 保持水箱中的最低水位高于水系 统的最高点1m以上。 如图7-15所示，膨胀水箱的膨胀管应 连接在循环水泵的吸入口前（该接点 即为水系统的定压点）。在自然循环 系统中，膨胀管应连接在供水总立管 的顶端。
图7-15 膨胀水箱与机械循环系统的连接方式
在设计时，应根据膨胀水箱的有效容积，选择确定开式膨胀水箱的规格、型号 及配管的直径。开式膨胀水箱的有效容积可按下式计算：
闭式循环
同程式系统 异程式系统 两管制水系统
空调冷 （热） 水系统 定流量系统 单级泵系统 双级泵系统 变流量系统
四管制水系统 分区两管制水系统
1、开式系统和闭式系统
如图7-1所示，开式系统的 管路系统与大气相通，而 闭式系统的管路系统与大 气不相通或仅在膨胀水箱 处局部与大气有接触。 空调水系统宜采用闭式循 环。当必须采用开式系统 时，应设置蓄水箱；蓄水 箱的蓄水量，宜按系统循 环水量的5%～10%确定。
V Vt Vp
（7-9）
式中 Vt ——水箱的调节容量，m3，一般不应小于3min平时运行时的补水泵流 量，且保持水箱调节水位高差不小于200min；
Vp
——系统最大膨胀水量，m3
(3)布置在塔楼顶层，如图7-10所示。
图7-9 冷、热源设备布置在中间设备层
图7-10
冷、热源设备布置在塔楼顶层
2、水系统的水温 一般舒适性空调水系统的冷、热水温度可按下列推荐值采用： 冷冻水供水温度：5~9℃，一般取7℃； 冷冻水供回水温差：5~10℃，一般取5℃； 热水供水温度：40~65℃，一般取60℃； 热水供回水温差：4.2~15℃，一般取10℃，宜加大至15℃。 3、水系统的水力计算 （1）空调水系统阻力的组成 图7-11为最常用的闭式空调冷冻水系统， 其主要阻力组成如图所示。图中1为冷水机 组阻力，由机组制造厂提供，一般为 60~100kPa。3为空调末端设备阻力，末端 设备的类型有风机盘管机组、组合式空调 器等，其阻力的额定工况值可查阅产品样 本。4为各种调节阀阻力，可以由设计者根 据工程的实际要求来确定。2为管路阻力， 包括管路沿程阻力和局部阻力，空调水系 统水力计算的主要工作就是计算该部分的 阻力。
5、单级泵系统与双级泵系统
如图7-6所示，在冷、热源 侧和负荷侧合用一组循环泵 的称为单级泵系统。优点: 单级泵系统系统简单，初投 资低；运行安全可靠，不存 在蒸发器冻结的危险。缺点: 该系统不能适应各区压力损 失悬殊的情况；在绝大部分 运行时间内，系统处于大流 量、小温差的状态，不利于 节约水泵的能耗。
图7-3 分区两管制系统
如图7-3所示，分区两管制系统分别设置冷、热源并同时进行供冷与供热运 行，但输送管路为两管制，冷、热分别输送。该系统同时对不同区域（如内 区和外区）进行供冷和供热；