制冷冷却水系统与冷凝水管路应该如何设计？

    在现代建筑的暖通空调系统中,冷却水系统和冷凝水管路是两个不可或缺的子系统。前者为制冷机组提供冷却水,带走冷凝热;后者将空调末端产生的冷凝水排至室外。本文我们就一起来探讨冷却水系统与冷凝水管路的设计要点,以期为相关工程提供参考。

 

一、冷却水系统设计要点      

         

(一)系统形式的选择    
冷却水系统的形式主要有两种:开式和闭式[1]。开式系统直接将冷却塔水作为冷凝器冷却水,虽然结构简单,投资省,但水质易受污染,管路阻力大,运行费用高。闭式系统则采用中间换热器将冷却塔回路与冷凝器回路分隔开,水质洁净,管路compact,但投资大,布置较复杂。工程设计时应视建筑类型、用水需求、投资预算等因素对比选择。
一般来说,大型公建多采用开式,高档商住宜用闭式。  

 

(二)冷却水参数的确定    
冷却水系统的设计参数主要包括:水温、流速、水头、水质等[2]。  

1.水温  
冷却水的供回水温度与冷凝器的传热效率和能耗密切相关。供水温度过高会导致冷凝温度升高,COP下降;而过低则会使塔内气水温差减小,蒸发量下降,浓缩倍数升高。
多数情况下,可取冷却水供回水温度为32/37℃[3]。  

2.流速  
冷却水在管路中的流速关系到管径选择、泵功率、噪声控制等。流速过低会增大截面,造成初投资浪费;过高又会带来水锤、腐蚀、振动等问题。
一般建议,主干管流   速宜为1.22.5m/s,支管为0.81.2m/s[4]。  

3.水头  
冷却水泵的扬程需满足系统总阻力和塔顶净压头的要求。总阻力包括管路、阀门、仪表、设备进出口以及塔内填料的局部阻力之和。净压头则应大于10mH2O,以防止塔内负压[5]。  

4.水质  
冷却水应满足GB/T 29044-2012的水质标准,总硬度<450mg/L,pH值为6.5~8.5,氯离子<250mg/L,悬浮物<100mg/L[6]。同时需要定期加药,控制水的结垢倾向、腐蚀倾向和微生物滋生。

(三)系统部件的选型    

1.冷却塔  
根据建筑负荷、气候参数、水质状况等,确定冷却塔的设计工况,选择合适的型号规格。除传统的露天式和密闭式外,超低噪声、节水型填料也逐渐兴起。需重点校核塔的冷却容量、额定功率、进风面积、占地尺寸、噪音级别等参数[7]。  

2.冷却水泵  
选择泵时需校核流量、扬程、汽蚀余量、效率和材质等。宜选用变频调速的离心泵,以适应负荷变化。泵的流量和扬程应在额定工况下满足系统需求,汽蚀余量应大于安全值,而效率应在高效区。泵壳、叶轮材质应耐腐蚀,以延长使用寿命[8]。  

3.换热器  
闭式系统需设中间换热器,其传热系数应大于主机冷凝器,以减小冷凝温度。应选用高效、洁净、低阻的板式换热器,板片宜采用钛或不锈钢材质,并设杂质过滤网[9]。  

4.管材管件  
管道材质应根据冷却水的水质、温度、压力等选定。常用材料有镀锌钢管、不锈钢管、PP-R管等。其中镀锌钢管价格低廉,但耐腐蚀性差,易结垢;不锈钢管强度高,寿命长,但价格昂贵;PP-R管质轻、耐腐,但线膨胀系数大[10]。
管径的确定需综合考虑水量、流速、压损等因素,宜按经济流速法选定。即在满足上述建议流速的前提下,比较不同管径的年投资成本与运行费用之和,选取总费用最小的管径[11]。  

5.阀门仪表  
在主要设备和管路分支上需设置适当的截止阀、止回阀、放空阀等,以便检修和控制。电动二通阀可根据冷凝压力调节冷却水流量。电磁流量计可监测瞬时水量变化。压力表、温度计等仪表应选用耐震型,并加装保护套[12]。

 

二、冷凝水管路设计要点      

         

(一)冷凝水的危害    
空调系统长期运行会产生大量冷凝水,如不及时排出,会导致以下危害[13]:  

1.泛水  
积水会从设备底部外溢,造成天花、地面污损,财产损失。  

2.滋生病菌  
冷凝水为病菌、霉菌滋生提供了温床,污染室内空气。  

3.腐蚀电器  
漏水会腐蚀电器元件,导致短路,威胁人身安全。  

4.影响传热  
接水盘中积水会阻碍空气流动,降低盘管的换热效率。  

因此,合理的冷凝水排放设计至关重要。  

(二)冷凝水管路的设计布置    
冷凝水管路的设计应遵循"就近、快排、防倒灌"的原则。主要有以下几点考虑[14]:  

1.横干管坡度  
横走管道应沿排水流向设置坡度,便于冷凝水及时排出。坡度宜取1%~2%,不应小于0.5%[15]。  

2.立管位置  
立管应设在主机房或卫生间等隐蔽处,与其他管井合用,减少吊顶开孔。宜靠近排水设备,缩短排水距离。每个立管应设检查口, 便于清理。  

3.管道布置  
横管应高于设备排水口,减少冷凝水在机组内的积存时间。管道应避开梁柱等障碍物,以利安装。宜沿墙走顶棚排出,尽量不穿越楼层或防火分区[16]。  

4.存水弯设置  
在立管底部和室外排放口处应设存水弯,以防止臭气和虫鼠从管道中进入室内。存水弯的水封高度不应小于50mm[17]。  

5.伸顶通气  
在冷凝立管顶端应设伸顶通气管,与屋面大气相通,以平衡管内外压力。通气管径不应小于排水立管径,高出屋面500mm以上[18]。  

(三)冷凝水管径的选择    
冷凝水管道管径应根据排水流量合理选定,过大会造成安装困难和材料浪费,过小又会影响排水速度和自净能力。选择管径时可参考以下几点[19]:  

冷凝水管管径选择

1.排水量估算  
需核算同时工作的空调机组数量,查阅设备的冷凝水排放参数,一般为23 L/(h·kW)。再考虑负荷变化和不平衡系数,一般取1.11.5[20]。  

2.管径计算  
根据排水量和管材,可用manning公式估算管径,即:  

Q=1/n × A × R^(2/3) × i^0.5  

式中,Q为设计流量(m3/s),n为manning系数,与管材粗糙度有关,A为过水断面面积(m2),R为水力半径(m),i为管道比降。
取适宜的流速(如0.8~1.2m/s),代入公式反算管径[21]。  

3.局部阻力校核  
需校核弯头、三通、存水弯等局部阻力对管径的影响。可用当量管长法将局部阻力折算为附加管长,用以修正管径[22]。  

4.排水噪声控制  
冷凝水排放时落水易产生噪声,应采取减震、隔音等措施。塑料管材质轻而韧,噪音小于金属管。立管可在楼层交界处加设柔性接头,以削弱振动传递[23]。  

5.结霜冻堵的防护  
空调机组长期低负荷运行时,冷凝水温度较低,输送过程中可能结霜冻堵。应采取保温、伴热、定期排空等措施,确保管道畅通[24]。  

(四)其他注意事项    

1.接口标准  
机组排水口径应与冷凝水管径匹配,并预留足够的连接空间。  

2.水质处理  
冷凝水中常含有灰尘、油污等杂质,特别是厨房油烟易堵塞管道,需定期清洗,并装设隔油装置[25]。  

3.环保要求  
对于水资源短缺地区,可收集冷凝水用于景观浇灌、道路冲洗等,以节约水资源[26]。  

4.运行维护  
建议定期对冷凝水管道进行检查,疏通堵塞,修补破损,并做好记录,以延长系统使用寿命[27]。  

综上所述,冷却水系统与冷凝水管路是空调工程中的重要组成部分,设计时需统筹兼顾,合理选型,优化布置,才能确保系统高效、经济、环保、安全运行。     

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