全面学习中央空调水系统机房设计（含案例）-简洁易懂

空调水系统

空调水系统概述
由于现代高层建筑空间的限制以及用户调节使用的方便，大量采用空气——水空调系统方式，室内冷热负荷由冷冻水和热水承担。在空调用制冷系统中，水管系统包括冷冻水系统和冷却水系统。暖通南社在之前课件中已多次提及相关内容，本次只做简单的重复。

制冷机组的能效比：

（kW/kW）
系统能效比：

（KW/KW）
系统季节能效比：

（KWh/KWh）
冷冻水系统
空调冷冻水系统由：水泵、管道、定压设备、阀门、换热器、除污器等主要部件构成。
冷冻水系统的主要形式
冷冻水系统均为 循环水系统；冷冻水系统从管道和设备的布局上分，可分为开式系统和闭式系统。
1.开式和闭式系统



（1）开式系统
系统水量大，运行工况稳定，但易污染，且水泵压头较高。
近年来，由于能源的紧张和空调技术的发展，国内外不少工程中采用蓄冷池蓄冷的空调方式，相应地水系统需采用开式系统。

（2）闭式系统
闭式水系统与外界空气接触少，管道腐蚀可能性小，水泵能耗小。闭式系统必须采用壳管式蒸发器，用户处则应采用表面式换热设备（表冷器或空调箱），还需增设膨胀水箱，以适应水系统内的水在温度变化时的体积膨胀。工程设计中，冷冻水系统多采用闭式水系统。

开式与闭式系统的水泵扬程相差较大：
闭式系统中，水泵的扬程为：管道、制冷机组、换热器、阀门等闭式循环水路中各个部件压力损失的总和。
开式系统中，水泵除承担管道等部件的压力损失外，还要克服将水从开式水箱提升到管路最高点的高度差。
设计时需注意的事项：
对于开式系统，注意水泵吸水真空高度的问题，应防止水泵吸入口汽化，必须保证水泵吸入口的水压力大于水的汽化压力。
对于闭式系统，在水泵吸入口设置定压水箱，保证水系统任何一点的最低运行压力为5kPa以上，防止系统中任何一点出现负压，否则有可能将空气吸入水系统中（抽空）或造成部分软连接向内收缩等问题。

膨胀水箱的作用与安装位置
其作用是：（1）抵消系统内温度变化时水体积的膨胀和收缩；
（2）补充系统内水的损耗；
（3）稳定系统内特别是水泵吸入口的压力。
安装位置： 尽量接至水泵吸入口，其连通管道上不要装设任何阀门；膨胀水箱水位应高于系统最高水位1m以上，冬天要注意其防冻。目前，膨胀水箱正逐步用设在泵房内的定压罐来代替。
开式系统蓄水箱容量的确定原则：
（1）蓄存所有的系统水容量并附加一定的安全系数；
（2）按照系统小时循环水量的5%~10%计算。
在实际设计中应取上述两者中较大的值。

2. 直连系统与间连系统
根据用户水系统与制冷机组的连接方式不同，冷冻水系统可以分为直连系统和间连系统。

3. 异程系统和同程系统
冷冻水系统可分为异程系统和同程系统。

4. 两管制、三管制和四管制系统

5. 一次泵和二次泵系统


一次泵系统组成简单，控制容易，运行管理方便，一般多采用此种系统。
二次泵系统：一次环路负责冷冻水的制备-------定流量运行；二次环路负责冷冻水的输配-------变流量运行。
二次泵系统的最大优点是：能够分区分路供应用户侧所需的冷冻水，适用于大型系统。
6.变水量和定水量系统

典型冷冻水系统分析
1. 一次泵定水量系统

2.一次泵变水量系统

3.二次泵变水量系统

冷却水系统
冷却水进水温度一般应不高于32℃，冷却水主要指冷凝器和压缩机冷却用水。
（一）直流式冷却水系统
最简单的冷却水系统是直流式供水系统，即升温后的冷却回水直接排除，不循环使用。这种系统只适用于水源水量特别充足的地区，例如靠近江、河、湖泊、海等地方，城市自来水不宜选用。
（二）循环式冷却水系统
1、自然通风冷却循环系统

2、机械通风冷却循环系统

	优点：流量分配合理，各个单元之间相互影响小，运行可靠性高。
缺点：配管管线布置最为复杂，管路数目多，占用空间大，各设备不能相互备用。
	优点：供回水都采用集中干管形式，管路数目少，占用空间小，设备之间可以相互备用，可通过冷却风机的台数或转速控制降低制冷机组部分负荷时的冷却塔风机能耗，故应用最广。
在干管式系统和混合式系统中，由于冷却塔可以相互备用，如果水系统设计和控制不当，则容易出现“溢流”、“旁通”和“抽空”现象。

当冷却水系统出现上述现象时：
冷却塔的进水管上安装了电动阀，而回水管上未装；
当出水电动阀关闭而进水电动阀开启时；
冷却塔水量分配不平衡时；
多台大小不同的冷却塔并联设置且集水盘水位不相同时，容易出现“溢流”问题。
避免措施：当冷却塔不运行时，同时严密关闭冷却塔进、出水电动阀。
目前，冷却水系统大多采用循环式冷却水系统，利用冷却塔机械循环。冷却塔中冷却水的终温一般可达到比当地的湿球温度高５℃左右的温度（约为３２℃）。
冷却水系统由冷凝器、冷却塔、水泵等组成，冷却塔是以冷凝器的冷却水流量作为依据，选择低噪音型，安装位置离居住区远，离制冷机近，一般安装在制冷机房屋面上，其出水管比进水管大一号，因出水管是靠重力返回水泵。同型号多台冷却塔并联使用应考虑均压连接和自动（手动）补水，且每台互为备用。
3、冷却水泵扬程的确定
冷却水系统的水力计算
冷却水泵所需扬程：

(mH2O)
hf、hd——冷却水管路系统总的沿程阻力和局部阻力（mH2O）；
hm——冷凝器阻力（mH2O）（一般为5~10mH2O）；
hs——冷却塔中水的提升高度（从冷却塔盛水池到喷嘴的高差）（mH2O）；
ho——冷却塔喷嘴喷雾压力（mH2O），3-6mH2O。

制冷机房的设计

设计步骤
六个步骤：
1、确定制冷机房的总冷负荷
制冷机房的总冷负荷应包括用户实际所需的制冷量以及制冷系统本身和供冷系统的冷损失。
2、确定制冷机组类型
根据用户使用要求、冷负荷及其全年变化、当地能源供应等情况，比较制冷机房一次投资和全年运行费用，确定制冷机组类型，包括制冷方式、制冷剂种类、冷凝器冷却方式等。其次，冷热源设备的选用须按技术先进性、经济性和安全可靠性等原则进行比较后确定。
从提供相同冷量、消耗一次能源的角度来说，电力驱动的制冷机比吸收式制冷机能耗要低。但对当地电力供应紧张，或有现成的热源，特别是有余热、废热可利用的场合，应优先选用吸收式制冷机。
从能耗、单机容量和调节等方面考虑，选择电力驱动冷水机组时，当单机名义工况制冷量大于1758KW时，宜选用离心式冷水机组；当制冷量在1054~1758KW时，宜选用螺杆式或离心式；当制冷量在116~1054KW时，宜选用螺杆式；当制冷量小于116KW时，宜选用涡旋式。

3、确定制冷机组的设计工况
冷凝温度（tk ）
以空气为冷却介质：tk = t空气进口+（10-16）℃
以水为冷却介质：tk =t出水+（2-4）℃
蒸发温度（t0 ）
以冷冻水、盐水为冷媒：t0 =t冷媒－（2-3）℃
以空气为冷媒：t0 =t送风－（6-8）℃
4、确定制冷机组容量和台数
设计制冷机房时，应考虑建筑物全年空调负荷的变化规律和制冷机部分负荷的调节特性，合理选择机型、单机容量、台数和全年运行方式，以便提高制冷系统在部分负荷时的运行效率，从而降低年运行费用。
一般选择2-3台同型号的制冷机组，台数不宜过多。除特殊要求外，可不设置备用制冷机组。
5、设计水系统
确定冷冻水和冷却水系统形式，选择冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的规格和台数，进行管路系统设计计算。
6、布置制冷机房
制冷机房
根据系统工艺流程，设备型式特点、操作维修等综合因素考虑。
（1）主要通道、操作走道的宽度和压缩机突出部分与配电盘之间均应≥1.5m。
（2）非主要通道和操作走道宽度≥0.8m。
（3）压缩机突出部分≥1m。
（4）压缩机和设备距墙≥1.2m。
（5）卧式壳管式冷凝器及卧式壳管式蒸发器应考虑清洗和更换管子的空间。
（6）压缩机间或设备间其净高一般不小于3.5-4.5m，应考虑设备安装时起吊高度。
（7）采用卧式壳管式蒸发器时，应采用封闭式冷冻水系统。
（8）立式冷凝器设在机房外。
（9）各种仪表及控制器应安装在便于观察和调节的位置上。对于船用制冷装置，还应考虑这些仪表的防振和防潮等问题。
制冷机组与管道的保温

管道和设备保温层厚度的确定，要考虑经济上的合理性。
最小保温厚度：应使其外表面温度比最热月室外空气的平均露点温度高2℃左右，以保证保温层外表面不致有结露现象。



机房大小估算
以下仅供参考：
制冷机房（包括电制冷和直燃吸收式机房）、空调机房的位置在做方案时就需与设备专业一起研究，确定其面积和层高。可参考表1.3.2-1、表1.3.2-2。
空调机房的层高概略值表1.3.2-1

建筑物总建筑面积(m2)	主要空调机房层高（m）（包括冷冻机房、锅炉房）	回水池、泵房、电气室（包括变电室、发电机）	建筑物总建筑面积（m2）	主要空调机房层高（包括冷冻机房、锅炉房）	回水池、泵房、电气室（包括变电室、发电机）
1000	4.0	4.0	15000	5.5	6.0
2000	4.5	4.5	20000	6.0	6.0
3000	4.5	4.5	25000	6.0	6.0
4000	5.0	5.0	30000	6.5	6.5

设备层中空调机房所占用的面积的概略值表1.3.2-2

建筑总面积（m2）	空调机房面积（m2）（一般概略值）	不同空调方式的空调机房面积（m2）
各层机组单风道方式（定风量、变风量）（一般概略值）	单风道方式加风机盘管方式（一般概略值）
1000	70（7.0%）	75（7.5%）
3000	200（6.6%）	190（6.3%）	120（4.0%）
5000	290（5.8%）	310（6.2%）	200（4.0%）
10000	450（4.5%）	550（5.5%）	350（3.5%）
15000	600（4.0%）	750（5.0%）	550（3.7%）
20000	770（3.8%）	960（4.8%）	730（3.6%）
25000	920（3.7%）	1200（4.8%）	850（3.4%）
30000	1090（3.6%）	1400（4.7%）	1000（3.0%）

制冷机房面积约占公共建筑总建筑面积的0.5%~1%；
热交换站面积约占公共建筑总建筑面积的0.3%~0.5%；
锅炉房面积约占公共建筑总建筑面积的1%左右；
空调机房面积约占公共建筑总建筑面积的的4%~6%；
而在分层面积上：500m2约要空调机房30m2；
（每层建筑面积）1000m2约要空调机房35~45m2；
2000m2约要空调机房45~55m2；
3000m2约要空调机房65~75m2。
2）制冷机房、直燃机房、空调机房的设置对建筑的要求：
① 制冷机房：
a． 有地下室时一般设在地下室，无地下室时设在一层，也有设在顶层的，但很少。
b． 在地下室中设在平面的几何中心为好，这样可以节省管网的投资和运行的水泵能耗，因为管道短则系统阻力小，故水泵的扬程低，耗能少。
c． 要靠近变配电站和水泵房。
d． 要考虑管网的出路。
e． 要有机器搬进搬出的孔洞。
f． 制冷机房的高度要求（净高）：
a）电制冷机房：大型h=4.5m；小型h=3.5m。
b）直燃机房：大型h=5m；小型h=4m。
② 直燃机房：
直燃机房的特殊要求：
因为燃气有防火防烟要求，按燃气规范和防火规范的要求，其机房的位置应当符合以下要求：
a． 有直接对外的门窗。
b． 有通风换气。
c． 在地下室时有泄烟面。
③ 空调机房：
a．空调机房的楼板荷载为700~800kg/m2。
如：a．800m2的多功能厅，2×30000m3/h，机房面积50m2。
b. 办公楼每1000m2约需50m2机房面积，占5%。空调机房应当放在每个防火分区内，不能把这个防火分区的机房，放在另一个防火分区内。
c. 空调机房在平面上与主要房间至少应有一室之隔，为的是避免噪声振动给使用带来无法解决的先天不足。
d. 空调机房的门应为甲级防火隔声门。
e. 管道井（风管道井和风道井，还有电缆井）：有一条很重要，就是燃气管道不允许设在管井里。一定要设时，要设单独管井，还得做管井通风。管道井约占总建筑面积的1%~2%。风道井分为防、排烟管井，每个防烟楼梯间附近都得有1~2m2的防、排烟管井。

制冷机房设计（举例）

制冷机房是整个中央空调系统的冷(热)源中心,同时又是整个中央空调系统的控制调节中心。中央机房一般由冷水机组、冷水泵、冷却水泵、补水装置、集水缸、分水缸和控制屏、换热器等装置组成。

1 制冷机房的位置选择
制冷机房通常靠近空调机房，氟利昂制冷设备可以设置在空调机房内，规模小的制冷机房一般附设在其他建筑内，规模较大的制冷机房(特别是氨制冷机房)宜单独修建。制冷机房应设置在靠近空气调节负荷中心，一般应充分利用建筑物的地下室。对于超高层建筑，也可设在设备层或屋顶上。由于条件所限不宜设在地下室时，也可以设在裙房或与主建筑分开独立设置。
本建筑建有专门的制冷机房，故机组布置在专用机房内。
2　制冷方式确定
(1)电力等一次能源充足时应选择电力驱动蒸汽压缩式制冷机组（能耗低于吸收式制冷机组）；当地电力供应紧张或有热源可以利用，应优先选择吸收式制冷机组（特别是有余热废热场合）。
(2)从能耗、单机容量和调节等方面考虑，对于相对较大负荷（如2000kW左右）的情况，宜采用溴化锂吸收式冷水机组；选择空调用蒸汽压缩式冷水机组时，单机名义工况制冷量大于1758kW时宜选用离心式；制冷量在1054~1758kW时宜选用螺杆式或离心式；制冷量在700~1054kW时宜选用螺杆式；制冷量在116~700kW时宜选用螺杆式或往复式；制冷量小于116kW活塞式或涡旋式。
本工程建筑地有充足的电力供应并且没有特别的余热废热利用场合所以不考虑采用蒸汽吸收式制冷机组，制冷量为510kW，故选用螺杆式制冷机组。
3 冷水机组的选择
冷水机组是整个空调系统的心脏，为整个系统提供冷水且关系到整个空调系统的日常运行情况。因此空调系统冷水机组的选择是一个很重要的过程。
一般在选择制冷机时应考虑以下几方面的因素。
机组性能、规格适合使用要求。如供冷温度、单机制冷量、设备承压能力等。
能源及能耗供应方便和经济。如电源、热泵或油、气源供应的可能性，电、热、冷综合利用的可能性、经济性。
对周围环境危害的影响要小。如噪声、振动的影响范围；所用制冷剂的毒性、安全性对周围环境的危害程度；ODP值和GWP值要小。
运行可靠、操作围护方便，以及一次性投资和经常运行费用的综合分析比较，对企业的经济效益高，社会效益好。
所以，选择何种制冷机，应根据项目的具体情况及条件进行综合分析比较。
3.1 冷水机组的装机容量
本设计中的冷水系统是间接式系统，系统冷负荷总计505.585kW，对其冷负荷附加至1.2。冷水机组的负荷为
Q=1.2×505.585=606.7kW
3.2 冷水机组的台数
制冷机组一般以选用2~4台为宜，中小型规模宜选用2台，较大型可选用3台，特大型可选用4台。机组之间要考虑其互为备用和轮换使用的可能性。同一站房内可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案，以节约能耗。并联运行的机组中至少应选择一台自动化程度较高，调节性能较好，能保证部分负荷下能高效运行的机组。
综合考虑本设计选用两台冷水机组，每台制冷量不小于304kW。
3.3 冷水机组的类型
冷水机组的冷却方式有风冷冷却和水冷冷却两种方式。风冷冷水机组宜用于干球温度较低或昼夜温差较大，缺乏水源地区的中小型空调制冷系统。故本设计采用水冷冷水机组。
螺杆式冷水机组还具有结构简单、紧凑、重量轻、易损件少，可靠性高，维修周期长；在低蒸发温度或高压缩比工况下仍可单机压缩；采用滑阀装置，制冷量可在10~100%范围内进行无极调节，并可在无负荷条件下启动；对湿行程不敏感，当时蒸汽或少量液体进入机内，没有液击的危险；排气温度低，主要由油温控制，对基础要求通常不需要采用隔振措施等。
参考开利螺杆式冷水机组的样本，本设计选则的机组型号为30HXY110，其性能参数如下：
表1 30HXY110机组技术参数

制冷量(kW)	冷冻水流量(m3/h)	冷冻水压降(kPa)	冷却水流量(m3/h)	冷却水压降(kPa)	制冷剂
330	57	50	68	40	HCF-134a

4　冷却塔的选择
冷却塔是一种制冷系统中广泛应用的热力设备，其作用是通过热、质交换将高温冷却水的热量散入大气，从而降低冷却水的温度。一台机组对应一台冷却塔，选用时应根据其热工性能和周围环境对噪声、漂水等方面的要求总和分析比较。常用的冷却塔有玻璃钢和钢筋混凝土两种。玻璃钢冷却塔具有冷效高，占地面积小，轻巧，节能等优点，目前应用广泛。
中小型制冷剂的冷却水量一般在65~500m3/h之间，在冷却塔系列中属于中等水量，而逆流式冷却塔热交换率高于横流式，故多选用逆流式冷却塔。
因此本设计采用逆流式玻璃钢冷却塔，将冷却塔放置在屋顶。
冷却水量应考虑1.1~1.2的安全系数。
冷却水量：G=1.1×68=74.8 m3/h
根据选用的冷水机组得出冷却塔冷却水量不小于74.8m3/h。据此参照连云港格林公司的电子样本，本设计选用型号为CDBNL3-80逆流式玻璃钢冷却塔。其技术参数如下：
表2 CDBNL3-80逆流式玻璃钢冷却塔技术参数

冷却水量(m3/h)	风量(m3/h)	进水压压力(104Pa)	电机功率(kW)	直径(m)
80	43400	3.03	2.2	2.5

5　水泵的选择
5.1　冷冻水泵的选择
泵的选择应依据泵的流量和扬程进行选择，对于一次冷水泵的流量应为所对应的冷水机组的冷水量，并附加5%~10%的富裕量。泵的台数应按冷水机组的个数一一对应。闭式循环一次泵的扬程为管路、管件阻力、冷水机组的蒸发器和末端设备的表冷器阻力之和，并应附加5%~10%的富裕量。
本设计中有两台冷水机组，故选用三台冷冻水水泵，两用一备。单台冷水机组的冷水量为57 m3/h考虑附加5%，则每台泵的流量为
Q=1.05×57=59.85 m3/h
本设计中最不利环路的损失为65.6kPa，冷水机组蒸发器的损失为50kPa，机房的损失为40 kPa，考虑附加10%，则水泵的扬程为
H=1.1×(65.6+50+40) =155.6 kPa

即泵的扬程为15.56m水柱，参照xx泵业有限公司的电子样本，本设计选用的泵的型号为BYG80-125，两台使用，一台备用，其技术参数如下：
表3 BYG80-125型水泵技术参数

流量(m3/h)	扬程(m)	效率(%)	电机功率(kW)	转速(r/min)	必需汽蚀余量(m)
65	17	70	5.5	2900	3.5

5.2　冷却水泵的选择
冷却水泵的台数宜按冷水机组一一对应，流量应按冷水机组技术资料确定，并附加5%~10%的富裕量。冷却水泵的扬程由冷却水系统阻力(管道、管件、冷凝器阻力之和)，冷却塔积水盘水位(设置冷却水箱时为水箱最低水位)至冷却塔布水器的高差，冷却塔布水器所需压力组成，并附加5%~10%的富裕量。
本设计选用三台冷却水泵，两用一备。单机冷水机组的冷却水流量为68 m3/h，考虑10%的附加，则每台泵的流量为
Q=1.1×68=74.8 m3/h
冷却水系统的阻力为40 kPa，冷凝器阻力为42 kPa，冷却塔进水压力为31.5 kPa，冷却塔积水盘至布水器的高差为3.5m，考虑泵扬程附加10%，则冷却泵的扬程为
H=1.1×(40+42+35.1+35)=152.1kPa
即15.21m水柱，参照XX泵业有限公司的电子样本，本设计选用的冷却水泵的型号为BYG80-125(Ⅰ)A，其技术参数如下：
表 4 BYG80-125(Ⅰ)A型水泵技术参数

流量(m3/h)	扬程(m)	效率(%)	电机功率(kW)	转速(r/min)	必需汽蚀余量(m)
88	16	74	7.5	2900	4.0

6　补水定压装置的选择
系统的小时泄漏量为系统水容量的1%，系统补水量取系统水容量的2%，全空气冷冻水系统的系统水容量为0.40~0.55l/m2 ，空气-水系统的系统水容量为0.7~1.3。
全空气系统取0.5，则水容量为
L=0.5×1485=742.5 L
空气-水系统取1，则水容量为
L=1×8715=8715 L
系统补水量为
Q=9457.5×2%=189.15 l/h 即0.19 m3/h
补水点宜设在循环水泵的吸入段，补水泵流量取补水量的2.5~5倍，补水泵的扬程应比系统静止时的补水点压力高30~50KPa。取补水量的4倍则补水泵的流量为
Q=4×0.19=0.76 m3/h
扬程为
H=22.5+4=26.5 m
对于闭式膨胀水箱，总容积为

式中，Vt——调节水量，取补水泵3min的水量
β——系数一般取0.65~0.85，
取β=0.7，则V=0.76/20/(1-0.7)=0.127 m3
参照XX设备有限公司的样本，选取落地式膨胀水箱的型号为GSP0.8×1-40×2×3，其相关参数如下：
表5　GSP0.8×1-40×2×3型落地式膨胀水箱参数

泵流量(m3/h)	泵扬程(m)	调节容积(m3)	供水管径
6.2	35	0.4	DN89

7 水处理设备的选择
7.1 软水器和软化水箱
空调补水应经软化处理，并宜设软化水箱，储存补水泵0.5~1.0h的水量。
根据补水量，参照XX设备公司的样本，本设计选用的是SN-0.5A-BLL-T型全自动软水器，软水流量为0.5m3/h。
软化水箱储存1.0h补水泵的水量则其容积为Q=0.76m3选用容积为1m3的水箱。
7.2 　水处理仪
根据冷冻水的流量和冷却水的流量，参照南京XX暖通空调设备公司的样本，均选用型号为YTD-150F的全自动电子处理仪。
8　热交换设备选择
8.1　换热器选择
考虑到冬季供暖，采用换热器对用户进行供热。在空调工况条件下，采用热媒为水温60/50℃。供暖热指标按q=60W/m2计算，热负荷为612kw。
流量计算： Q=Gc（t1-t2）
式中， G——通过换热器被加热水的流量，kg/s；
c——水的质量比热，4.2kJ/kg·℃；
t1、t2——流出和流进换热器的被加热水温度，℃。
按照公式(7-2)，G=612×3.6/4.2/10=52.46m3/h，热源为电厂余热提供的0.6mpa的过热蒸汽。选择xx生产的TS18板式换热器两台，每台最大流量为27m3/h。
8.2热水泵选择
热水泵选择原则同冷冻水泵的选择，流量Q=1.05×27=28.35m3/h，扬程为16m水柱。选用的泵的型号为BYG65-125，两台使用，一台备用，其技术参数如下
表6　 BYG65-125型水泵技术参数

流量(m3/h)	扬程(m)	效率(%)	电机功率(kW)	转速(r/min)	必需汽蚀余量(m)
32.5	17	65	3.0	2900	3.1

9　除污器和水过滤器
在水系统中的孔板、水泵、换热器的入口管道上，均应安设过滤器，以防止杂质进入，污染或堵塞这些设备。本设计只对冷冻水泵、冷却水泵安设过滤器，采用常用的Y型过滤器，该中过滤器具有外形尺寸小，安装清洗方便的特点，过滤器的尺寸与相应的水泵入口的管径相匹配。
也可采用国家标准的除污器，减压稳定阀前也应装设Y型过滤器，除污器和水过滤器的型号都是按连接管管径选定，连接管的管径应于干管的管径相同。