中央空调_第5章水系统设计【高等教学】

1、第五章 中央空调水系统设计,张海涛,1,高级教育,中央空调水系统的作用就是将冷热媒水,按空调房间冷热负荷的要求,准确送至空气处理设备,处理房间内的空气.水系统投资比较多,水泵能耗较大,而且水系统对整個空调系统的使用效果影响大,是空调设计中的一个重要组成部分,2,高级教育,中央空调水系统,3,高级教育,水系统包括: 冷(热)水系统 冷却水系统 冷凝水系统,一 水系统的分类,5.1中央空调水系统概述,4,高级教育,水系统的分类,空调水系统的分类方法很多，按照管道的布置形式和 工作原理，一般可归纳为以下几种主要类型,按原理可分为：开式系统和闭式系统 按供、回水管道数量分为：双管制、三管制和四管制 按

2、供、回水在管道内的流动关系分为：同程式和异程式 按循环水泵的配置方式分为：单式泵和复式泵 按调节方式可分为：定水量和变水量,5,高级教育,开式系统的定义,开式系统定义,开式系统示意图,管路之间有贮水箱（或水池）通大气，自流回水时，管路通大 气的系统,6,高级教育,开式系统的优缺点,开式系统的优点,冷水箱有一定的蓄冷能力，可以减少冷冻机的开启时间，增加 能量调节能力，且冷水温度的波动可以小一些,开式系统的缺点,冷水与大气接触，循环水中含氧量高，宜腐蚀管路,末端设备（喷水池、表冷器）与冷冻站高差 较大时，水泵则须 克服高差造成的静水压力，增加耗电量,如果喷水池较低，不能直接自流回到冷冻站时，则需增

3、加回水 池和回水泵,如果采用自流回水，回水的管径较大，会增加投资,7,高级教育,闭式系统的定义,闭式系统定义,闭式系统示意图,管路不与大气相接触，在系统最高点设膨胀水箱并有排气和泄水 装置的系统,8,高级教育,闭式系统的优缺点,闭式系统的优点,由于管路不与大气相接触，管道与设备不宜腐蚀,不需为高处设备提供的静水压力，循环水泵的压力低，从而水泵 的功率相对较小,由于没有回水箱、不需重力回水、回水不需另设水泵等， 因而投 资省、系统简单,闭式系统的缺点,蓄冷能力小，低负荷时，冷冻机也需经常开动,膨胀水箱的补水有时需要另设加压水泵,9,高级教育,两管制水系统,定义,优点,缺点,冷水系统和热水系统采用

4、相同的供 水管和回水管，只有一供一回两根水管 的系统,两管制系统简单，施工方便,不能用于同时需要供冷和供热的场 所,10,高级教育,三管制水系统,定义,优点,缺点,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,三管制系统能够同时满足供冷和 供热的要求，管路系统较四管制简单,比两管制复杂，投资也比较高， 且存在冷、热回水的混合损失,11,高级教育,四管制水系统,定义,优点,缺点：系统复杂，投资大,冷水和热水的系统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,四管制系统能够同时满足供冷和供 热的要求，并且配合末端设备能够实现 室内温度和湿度精确控制的

5、要求,由于冷水和热水在管路和末端设备中 完全分离，有助于系统的稳定运行和减 小设备的腐蚀,12,高级教育,13,高级教育,定水量系统,定水量系统中的水量是不变的，它通过改变供回水温差来适应 房间负荷的变化。这种系统各空调末端装置，采用受设在空调房间 内的温控器控制的电动三通调节阀调节,负荷增加时，供回水温差会适当增大； 负荷减小时，供回水温差会适当减小,14,高级教育,变水量系统,变水量系统是通过改变空调负荷侧的水流量来适应房间负荷的变 化。这种系统各空调末端装置，采用受设在空调房间内的温控器控制 的电动二通调节阀调节,风机盘管一般采用双位调节(即通或断)的电动二通阀,新风机和风柜一般采用比例

6、调节(开启度变化)的电动二通阀,在负荷减小时，为使供回水能平衡，必须在供回水集管间装旁通 管，且应在旁通管上设置压差旁通阀,15,高级教育,同程式系统,定义,优点,缺点,经过每一并联环路的管长基本相等，阻力相近；若通过每米长管 路的阻力损失接近相等，则管网的阻力不需调节即可保持平衡,同程式系统中系统的水力稳定性好，各设备间的水量分配均衡，调 节方便,同程式系统由于采用回程管，管道的长度增加，水阻力增大，使水 泵的能耗增加，并且增加了初投资,16,高级教育,异程式系统,定义,优点,缺点,经过各并联环路的管长不等，管路的阻力不等；需在各并联管网 上增加相应的调节阀来调节水网平衡,异程式系统简单，耗

7、用管材少，施工难度小,各并联环路管路长度不等，阻力不等，流量分配难以平衡,17,高级教育,单式泵系统和复式泵系统,18,高级教育,单式泵,冷（热）源侧与负荷侧合用一组循环水泵,单式泵系统简单，初投资省。但是不能调节系统流量，在低负荷时不能减少系统流量以节约能耗。常用于小型建筑物的空调系统中，不能适应供水半径相差悬殊的大型建筑物的空调系统中,特点,19,高级教育,复式泵,冷（热）源测与负荷侧分别配备循环水泵,复式泵系统可实现水泵变流量（冷热源侧设置定流量，负荷侧设置二次水泵，可调节流量），节约输送能耗。能过适应空调分区的负荷变化。适用于大型的空调系统,特点,20,高级教育,总结论,对于一般建筑物

8、的舒适性空调，其冷（热）水系统宜采用单式水泵供水，变水量调节，双管制的闭式系统，并尽可能采用同程式或分区同程式,21,高级教育,水系统的组成,冷却水系统原理图,22,高级教育,水系统的组成,电子水处理仪：用于处理水质，除去长时间循环的冷 水，冷却水的重碳酸盐、细菌、藻类等。目前用得最 多的是高频电子水垢处理仪。传统的是定期向系统中 投入一定量的药物清洗剂,23,高级教育,水系统的组成,水流开关：当水流开关感应到通过热交换器的水流量 过低时，该装置会使机器停止运行。安装时尽量安装 在水泵的出口管段,24,高级教育,水系统的组成,冷冻水系统原理图,25,高级教育,水系统的组成,水系统阀门,闸阀,截

9、止阀,蝶阀,蝶阀,水系统中设置的阀一般有两个作用：一是起调节用，调节管网中的水量，另外是起关断作用，如变换季节时的冷、热源转换，或设备检修时，用阀门关断,26,高级教育,水系统的组成,放气阀：将水循环中的空 气集中在或在局部位置自 动排出。它是空调系统中 不可缺少的阀类。一般安 装在闭式水路系统的最高 点和局部最高点,27,高级教育,水系统的组成,止回阀：主要用于阻止介 质倒流。主要安装在水泵 的出水段,水泵停泵时水倒流会形成一种叫水锤现象,在有压力管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，为种水力现象称为水击或水

10、锤。有可能会把水泵的叶片打坏,一般水泵出水口后,会有止回阀,这样会把这种伤害降到最低,28,高级教育,水系统的组成,平衡阀是一种具有特殊功能的阀门，具有良好的流量特性，能够合理分配 流量，实现流量定量，可以有效地解决供热（空调）系统中存在的室温冷 热不匀问题。由于该阀上设有开启度指示，开度锁定装置及用于流量测定 的测压小阀，所以只要在各支路及用户入口装上适当规格的平衡阀，并用 专用智能仪表进行一次性调试后锁定，将系统的总水量控制在合理范围 内，从而克服了“大流量、小温差”的不合理现象，但由于价格较贵，一般 用于末端装置很多的大型系统和精度要求较高的情况,29,高级教育,水系统的组成,过滤器：空

11、调系统安装过程 中，水管内会流下一些泥砂 之类的脏物，水系统在长期 运行中，会不断产生一些锈 之类的污物。为了防止空调 设备传热管污染及系统局部 发生堵塞，要求在冷水机组 热源等重要设备水流入口 处，设置过滤器,30,高级教育,水系统的组成,温控电动二通阀或三通阀：根据负荷控制温度，如果夏季室温低于整定值 时，通过电动阀调节或关断来调节水量。另外，电动阀与风机盘管的风机 电源连锁，当风机盘管停止使用时，电动阀随之关闭停止供水,31,高级教育,水系统的组成,当系统阻力增大，水泵扬程增高，a,b两点的压差增大，水流量减少。为保持系统内压力稳定，在供、回水总管之间设置带压差控制阀的旁通管，当a,b两

12、点间压差超过压差控制阀的整定值时，阀门开启，部分水量返回至冷水机组循环流动，冷水机组定流量运行。另外，对于间断使用的空调系统，循环水量也可通过压差旁通阀回流,压差控制阀,32,高级教育,水系统的组成,一是收集因水加热体积膨胀而增加的水容积，防止系统损坏，另外，还起定压作用。膨胀水箱的连接处为定压点，因此，膨胀水箱接于系统内不同的位置，可以改变水系统内的压力分布，这对高层建筑水系统的压力分布分析十分重要,膨胀水箱,33,高级教育,水系统的组成,主要设备进、出口，一般需要设置测压装置，以便了解水系统中的压力分布情况及设备的阻力,水系统仪表：为了空调系统调试和运行管理方便，水系中要求设置一些必要的仪

13、表，如,水温发生变化的地点，应设置测温装置，如冷、热源设备进、出口,34,高级教育,二、冷却水系统的主要形式,1.直流式冷却水系统 2.混合式冷却水系统 3.循环式冷却水系统,35,高级教育,循环式冷却水系统,1.利用喷水池冷却 2.利用冷却塔冷却 （1）单独配套相互独立的冷却水系统 （2）共用供回水管的冷却岁循环系统 a.下水箱式冷却水系统 b.上水箱式冷却水系统 c.多台冷却塔并联运行的冷却水系统 （3）冷却塔供冷系统,36,高级教育,三、水系统的设计原则,37,高级教育,1)分区的原则：空调水系统是否要分区，主要由空调末端设备和制冷设备的允许承压来考虑。一般来说，当建筑总高度H100m时

14、，冷媒水系统宜竖向分区,5.2水系统的分区、承压和定压,1.空调分区,38,高级教育,1）将冷水机组设在塔楼以外的群房顶层 设两个系统分别向塔楼和群房供水，另一台向低区供水。冷却塔设在群房的屋顶上,空调水系统竖向分区的可能方案,39,高级教育,2）将冷水机组设在中部设备层，一台向高区供水，另一台向低区供水。高区的冷水机组一般设在循环泵的吸入段，而低区的冷水机组一般设在循环泵的压出段,40,高级教育,3）将冷水机组设在地下设备层，而在中部设备层布置水水板式换热器，使高区和低区的静压分段来承受，上下自成系统,41,高级教育,2.空调系统的承压,水系统的最大压力点：水泵出口 停止运行： hA=ho

15、正常运行： hA=hoH -hd 起动瞬间： hA=hoH,水泵全压,5.2水系统的分区、承压和定压,42,高级教育,3.空调水系统的定压问题 在闭式循环的水系统中，需要给系统定压，其目的是保证系统管道及设备内充满水，以避免空气被吸入系统中。为此，必须保证管道中任何一点的压力都要高于大气压力。 目前，空调水系统的定压方式有两种， 一是高位开式膨胀水箱方式； 二是气压罐方式（俗称落地式膨胀水箱,43,高级教育,4.膨胀水箱的设置 （1）膨胀水箱的作用 容纳水受热膨胀后多余的体积,反之，可以补水； 解决系统的定压问题； 向系统补水。 （2）膨胀水箱的容积,水箱容积计算 Vp=tVc -水的体积膨胀

16、系数 t-水的最大温度波动值 Vc-系统的水容量,44,高级教育,3）膨胀水箱的设置及其配管 膨胀水箱的安装高度，应至少高出系统最高点1.5 3.0m,45,高级教育,膨胀管原则上应接至循环水泵吸入口前的回水管路上，通常接 到“集水器”上。 信号管用于检查膨胀水箱内是否有水，宜把它安装到容易观察 的地方 溢流管当系统内水的体积膨胀超过水箱内的溢水管口时，水会 自动溢出。溢出管上不许安装阀门。 排水管在清洗水箱并将水箱放空时用，排水管上应安装阀门。 通常将溢水管和排水管连在一起，排至附近的下水道或 屋面上。 循环管在寒冷地区为防止膨胀水箱内水结冻而设置的。当水箱 内没有结冻可能时，可不设循环管。

17、特别在高层建筑中 膨胀水箱和生活给水水箱通常设在屋顶水箱间内，并将 水箱保温，因此无结冻可能,46,高级教育,4）膨胀水箱的补水方式 膨胀水箱的补水方式有两种： 1）浮球阀自动补水当所在地区生活给水水质较软、且制冷装置对冷媒水水质无特殊要求时，可利用屋顶生活给水水箱，通过浮球阀直接向膨胀水箱补水。 2）高低水位控制器补水当所在地区生活给水水质较硬、且制冷装置（例如，溴化锂吸收式冷温水机组）要求冷媒水必须是软化水时，应在膨胀水箱内设置高低水位传感器来控制软化水补水泵的启动或关停,47,高级教育,4.气压罐装置（闭式低位膨胀水箱） 气压罐不但能解决系统中水体积的膨胀问题，而且可实现对系统进行稳压、

18、自动补水、自动排气、自动泄水和自动过压保护等功能。与开式高位膨胀水箱相比，它要消耗一定的电能,48,高级教育,隔膜式气压罐,49,高级教育,1）工作原理 采用气压罐装置定压时，通常把定压点放在空调水系统循环泵的吸入端,1.补水泵；2.补气罐；3.吸气阀；6.气压罐；10.压力控制器；11.电节点电压力表；12.电控箱,50,高级教育,1.水系统的设计原则,5.3水系统的设计计算,1）保证管路的输送设计流量，避免大流量小温差 2）确保各环路之间的水力平衡，保证系统有良好的水力工况和热力工况,51,高级教育,2.冷冻水系统的设计,空调冷（热）水系统水管管径的确定 1）各空调末端装置的供回水支管的管

19、径，宜与设备的进出水接管管径一致，可查产品样本获知。 2）供回管干管的内径d，计算公式如下,52,高级教育,管内冷冻水的最大流速,53,高级教育,水系统的设计计算举例,P97,54,高级教育,冷却水的水质处理 对于开式冷却塔循环水系统，由于水与大气直接接触进行热、质交换，因而冷却循环水的水质较差，会形成水垢，细菌，藻类和腐蚀等，如不及时进行水处理，势必影响制冷机的正常运行和损坏冷却设备和管道附件,55,高级教育,冷却水系统中的水垢是怎样形成的,水垢和水渣的形成是一个复杂的物理、化学过程，这个过程分为两步： 第一步：盐类杂质在过饱和水溶液中结晶析出； 第二步：结晶出来的盐类杂质附着在金属表面上形

20、成水垢，或悬浮在水中成为水渣,冷却水由于不断循环、蒸发浓缩，致使水中盐类杂质超过其溶解度，而从水中结晶析出,返回主要内容界面,56,高级教育,冷却水系统中的菌藻是如何产生的,冷却水系统的温度、PH值和所含营养物非常适宜菌藻的生长，冷却塔集水盘和塔壁是菌藻生存繁殖的良好环境。存在于土壤和水体中的菌藻会随空气和补充水不断进入冷却水系统繁殖，影响水的质量。大部分藻类呈蓝绿色,返回主要内容界面,57,高级教育,水系统为什么会被腐蚀,电化学腐蚀。水系统管道主要材质是碳钢，其 表面不均匀，而水中不断有 O2 溶入，当碳钢浸入水中时，在其表面会形成许多微小的腐蚀电池。 首先是在水中的铁释放自由电子（阳极反应

21、），自由电子传递到阴极（阴极反应），电子再由阴极传递到溶液中被其他物质吸收。反应过程如下： 阳极: Fe Fe2+ + 2e 阴极: O2 + 2H2O + 4e 4OH-水中: Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2 阳极氧化反应与阴极还原反应是同时进行的（共轭反应)，当阳极不断除去Fe2+，或阴极表面不断充分供给O2，则共轭反应就会加速进行，腐蚀也加速,返回主要内容界面,58,高级教育,水系统为什么会被腐蚀,酸性腐蚀。CO2是水中存在较多的杂质。通常情况下， CO2 在水中以游离状态存在，因此水中存在大量重碳酸根，使水呈酸性。且在 PH 值低时，CO2仍是以游离状态存在的。 反应式如下：

22、CO2 + H2O H+ + HCO3- 2H+ + CO32- 因此，水中 CO2 越多，生成的 H+ 就越多(水的 PH 值就越低) ，水的酸性就越强，腐蚀性就越强，从而破坏碳钢表面生成的氧化膜引起腐蚀,返回主要内容界面,59,高级教育,水系统为什么会被腐蚀,垢下腐蚀。管道结垢后，将会使污垢层与管壁之间的微生物转化为酸性物质而逐步腐蚀管壁，造成 管道局部点蚀穿孔,返回主要内容界面,60,高级教育,结垢将造成换热管换热效率降低，致使空调效果变差，能耗猛增,结垢、腐蚀的危害,水垢的主要成份是重碳酸盐、硫酸盐等。碳酸盐垢的导热系数仅为紫铜导热系数的 0.15% ，两者相差悬殊。换热管每增加 1m

23、m 水垢，将使制冷量降低2040%,空调能耗增加1530,返回主要内容界面,61,高级教育,结垢、腐蚀的危害,水垢、锈渣、藻类等杂质，将堵塞过滤器及换热管，导致空调无效果，甚至跳泵、停机,返回主要内容界面,62,高级教育,结垢、腐蚀的危害,系统管道、换热管内壁被腐蚀，甚至穿孔，致使其寿命缩短，增大了运行维护费用,由于系统循环水中存在腐蚀性离子，而管道内壁一般都未做处理，很容易出现内壁腐蚀,返回主要内容界面,63,高级教育,菌类大量繁殖引起疾病(特别是“军团菌”)，并生成粘泥引起垢下腐蚀和微生物腐蚀,冷却系统中日光照到的部位有藻类繁殖，日光照不到的部位则有菌类繁殖，生成粘泥覆盖在管壁表面降低传热

24、效果，且引起垢下腐蚀和微生物腐蚀。同时，细菌若不及时杀灭清除，也容易引起疾病,结垢、腐蚀的危害,军团菌,返回主要内容界面,64,高级教育,结垢案例1,河南省平顶山第四煤矿公司，07年05月投入使用一台主机。机组运行 4 个月后频报故障，经检查为机组冷凝器、吸收器铜管结垢严重，厚度达 3mm 。在08年04月进行了主机铜管清洗和系统清洗后采用了全年水质管理，全年运行无故障。在制冷停机后，于11月打开主机冷凝器、吸收器端盖，检查铜管基本无结垢。 对该系统补充水进行取样分析，发现电导率（反映水中导电离子总数）和总硬度（结垢离子的总和）都非常高，在水质管理中属于结垢倾向明显，也就是说该补充水作为冷却水

25、循环非常容易结垢，具体数据见下表。经过一年多的水质管理，结垢速度明显降低，运行能耗明显减少，设备维护成本也大幅下降,返回主要内容界面,65,高级教育,什么是“全年水质管理”,通过对空调水系统进行专业化学清洗、杀菌灭藻、系统药剂等处理后，以年为单位，定期对空调水系统进行投药、检测、排污、清洗，以保证空调水系统中的水符合国家标准，以达到“设备寿命更长，能源消耗更少，空调效果更好”的目的,返回主要内容界面,66,高级教育,全年水质管理 常年保养项目,水 质 检 验,取 水 样,返回主要内容界面,67,高级教育,全年每半月投药 1 次，每季度取水样化验 1 次。根据水样化验结果及时调整投加的药剂。 在

26、秋冬换季不运行时期，对膨胀水箱做清洗、做油漆,常年保养项目 冷水系统的保养,返回主要内容界面,68,高级教育,在制冷运行阶段： 每周投药 1 次、排污 1 次； 每月取水样化验 1 次； 每月清洗冷却塔 1 次。 在不制冷阶段： 南方地区不排冷却水，投加湿保剂，确保管道不腐蚀。 北方地区排尽冷却水，以防冻管。 对主机铜管进行通炮处理,常年保养项目 冷却水系统的保养,清 洗 冷 却 塔,主 机 铜 管 通 炮,通炮：即打开主机蒸发器、吸收器、冷凝器水盖，用特制尼纶刷对每根铜管进行逐一清洗，将铜管内的软垢、泥沙统统清洗干净,返回主要内容界面,69,高级教育,冷却塔清洗,清 洗 前,清 洗 后,冷却

27、水系统保养 冷却塔清洗,返回主要内容界面,70,高级教育,出风口拆洗,水过滤器拆洗,丫型过滤器拆洗,冷水系统保养 末端清洗,返回主要内容界面,71,高级教育,水质管理设备 自动加药装置,自动加药装置是与中央空调水质管理相匹配的一组先进自动设备。由自动加药控制箱、在线检测仪器、加药泵、加药桶等部分组成，它可使系统内的水质获得有效的监控，使水系统内保持均衡的药剂浓度，实现科学管理，减少人力成本,返回主要内容界面,72,高级教育,水质管理前期处理 新系统清洗,根据中央空调设计和工艺的要求，系统内所有部位清洁无污是确保今后正常运行的关键。 依照国际惯例，新安装的中央空调系统在投入运行前必须进行水侧全系统的化学清洗，以清除系统设备在制造、运输、存放、安装过程中所产生的轧制鳞片、铁锈、红丹底漆、焊渣、油污、泥砂、灰尘及其它沉淀物，并在系统内表面形成完整的钝化膜，以减少系统投入运行后的腐蚀,返回主要内容界面,73,高级教育,水质管理前期处理 运行系统清洗,未进行全年水质管理的中央空调系统使用数年后，在水系统内会聚集大量的水垢和锈垢，影响空调的正常运行。此时，就需用化学方法将系统内污垢清除，并在系统内表面形成完整钝化膜，以减少系统再次投入运行后的腐蚀,主机铜管清洗前,主机铜管清洗后,清洗出来的水垢,返回主要内容界面,74,高级教育,中央空调