模块五 空调水系统设计
5.1空调水系统的分类与主要形式
5.1.1空调水系统的主要分类
5.1.2开式系统与闭式系统
5.1.3同程系统与异程系统
5.1.4双管水系统与四管水系统
5.1.5定流量系统与变流量系统
5.1.6一次泵系统与二次泵系统
5.2空调水系统的分区与分环路
5.2.1空调水系统的分区与分环路
5.3空调水系统的承压与定压
5.3.1空调水系统的承压
5.3.2空调水系统的定压
5.4空调水系统末端设计
5.4.1水系统末端常见形式
5.4.2湿式风机盘管设计
5.4.2地面式风机盘管设计
5.4.3干式风机盘管设计
5.4.4毛细管设计
5.4.5辐射吊顶板设计
5.4.6冷梁设计
5.5空调冷冻水系统设计
5.5.1冷水机组与冷冻泵之间的连接形式
5.5.2冷冻泵的设置
5.5.3冷冻泵选型
5.5.5举例
5.6空调冷却水系统设计
5.6.1空调冷却水的形式
5.6.2空调冷却水泵与冷却塔的连接形式
5.6.3冷却泵的选型
5.6.4冷却塔的选型
5.6.5空调冷却水的补水量
5.6.6举例
5.7空调冷凝水系统设计
5.7.1冷凝水管径设计
5.7.2坡度设计
5.7.3管材选择
5.7.4水封设计
5.7.5举例
5.8空调热水系统设计
5.8.1空调热水的形式
5.8.2空调热水系统设计
5.9空调水系统的补水、排气、泄水设计
5.9.1空调水系统的补水
5.9.2空调水系统的排气
5.9.3空调水系统的泄水
5.10空调水系统的水质管理
5.10.1水处理的标准
5.10.2水处理的方式
5.10.3举例
5.11空调水系统管路附属部件设计
5.11.1空调水管路的管材
5.11.2空调水管路的阀门
5.11.3空调水管路的过滤器
5.11.4空调水管路的仪表
5.11.5空调水管路压差旁通阀
5.11.6空调水管路平衡阀
5.11.7空调水管路安全阀
5.11.8空调水管路的坡度
5.11.9空调水管路的伸缩补偿
5.11.10空调水管路的绝热设计
5.11.11空调水系统管道支吊架
5.12空调水系统换热器设计
5.12.1换热器分类
5.12.2换热器设计
5.12.3举例
5.13空调水系统分集水器设计
5.13.1分水器与集水器设计
5.13.2举例
5.14空调水系统水力计算
5.14.1 水管管径和管内流速
5.14.2水流阻力
5.14.3举例
5.15思考题
参考资料：
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5.1空调水系统的分类与主要形式
中央空调水系统包括冷冻水系统、冷却水系统等，它是以水为介质进行热量、冷量传输的系统。中央空调水系统设计是空调设计中非常重要的内容之一。
5.1.1空调水系统的主要分类
中央空调水系统可以根据使用进行很多种分类。
1）根据使用对象划分：冷冻水系统、冷却水系统、热水系统、冷凝水系统等。
2）根据是否与空气接触：开式系统、闭式系统。
3）根据系统运行调节方法：定流量系统、变流量系统。
4）根据供回水管路：两管制、三管制、四管制。
5）根据环路长度：同程管道、异程管道。
6）根据水泵的配置形式：一次泵、二次泵等。
7）根据冷冻水水温：低温水系统、常温水系统、高温水系统等。
等等
5.1.2开式系统与闭式系统
开式系统与闭式系统的区别是整个系统是否与大气相通（补水部分不包含在内），如果与大气相通，则为开式系统，若与大气不相通，则为闭式系统。
图5.1-1开式系统
图5.1-2闭式系统
在开式系统中，水泵的吸入侧应有水箱水面高度给与的足够静水压头，尤其是热水系统，应确保水泵吸入口（这通常是管道系统中的压力最低点）不发生气蚀现象。水泵扬程需要克服供水管和末端设备的水流阻力以及将水从水箱水位提升到管路最高点的高度差H，同时，如果H值不能克服末端之后的回水管阻力△Ph，还需要增加一定的水泵扬程（△Ph-H）
由于开式系统中，不同高度上设置的空调末端回路的水压差都是变化的，这种情况下之能通过末端阀门的初调节来使得末端两端的压差相同，因此开式系统采用同程管道系统的意义不大。
闭式系统是一个封闭的环路。系统不运行时，环路中同一高度上的任一断面的水压力都是相等的。系统运行时，水泵的扬程只需要克服系统的整个水流阻力，与系统高度无关。
对于一定高度的系统来说，闭式系统通常比开式系统的水泵扬程低，电力装机容量减小，具有运行节能的特点。闭式系统与空气接触面很少，水质能够长时间的得到较好的保证，有利于系统可靠运行。
5.1.3同程系统与异程系统
空调冷冻水系统由供回水总管、干管及支管组成，各供回水支管与空调末端连接，构成一个个并联回路，为了保证末端装置应有的水量，除了需要选择合适的管径外，合理布置各回路的走向是非常重要的，各并联支路只有在设计水阻力接近相等的时候，才能按照设计的要求获得各自的设计水量，从而保证为末端提供设计所需的冷热量。
图5.1-3 异程系统
图5.1-4水平同程系统
图5.1-5水平异程垂直同程系统
图5.1-6水平同程垂直同程系统
同程系统是指系统内水流经各用户回路的管路物理长度相等或接近。
同程系统各并联回路的物理长度基本相等。在同程系统中，如果末端设备的水阻力也基本相同，水在管道中的流程相同，设计时通常也对管路的比摩阻进行适当的控制，可以认为各末端环路管道水阻力相差不大，且水管阻力与末端相比，所占的比例也是比较小的，这时同程系统容易实现各并联回路之间的水力平衡。同程系统多耗费管材。
异程系统是指系统水流经每一用户回路的管路长度之和不相等。
在异程系统中，平衡个回路水阻力的基础条件比同程要差，通常需要更为合理的选择管径和配置阀门。
设计的原则：
1）末端阻力相同或者相差不大的回路采用同程式系统。注意，同程管路不一定是管路水阻力接近的。
2）当末端空调设备设计水阻力相差较大，或末端设备及其支管路水阻力超过用户侧水阻力的60%，或设备布置较为分散时，可采用异程系统。
3）详细的水力平衡设计计算。阻力最大的回路与阻力最小的回路之间的水阻力相对差额不应大于15%。注意，最远的回路不一定是阻力最大的回路。
4）合理设置阀门。
5.1.4双管水系统与四管水系统
1、双管水系统也称两管水系统：有一根供水管，一根回水管。夏季供冷水，冬季供热水。系统简单，投资省。系统不能同时供冷供热，只能按照不同时间分别运行。
图5.1-7两管制水系统
2、四管水系统：有两根供水管，两根回水管，形成冷热水两套独立的水系统。末端也要求同一设备有两套换热盘管。可以实现同时供冷供热，管路复杂，占用空间大，初投资高。
图5.1-8四管制水系统
3、三管水系统：有两根供水管，一根回水管。能同时供冷供热，但是有冷热水混合，管路复杂。现在几乎不使用。
图5.1-9三管制水系统
《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012, 8.5.3条，当建筑物所有区域只要求按季节同时进行供冷和供热转换时，应采用两管制的空调水系统。当建筑物内一些区域的空调系统需全年供应空调冷水、其他区域仅要求按季节进行供冷和供热转换时，可采用分区两管制空调水系统。当空调水系统的供冷和供热工况转换频繁或需同时使用时，宜采用四管制水系统。
条文解释：
8．5．3 空调水管路系统制式选择。 ①建筑物内存在需全年供冷的区域时（不仅限于内区），这些区域在非供冷季首先应该直接采用室外新风做冷源，例如全空气系统增大新风比、独立新风系统增大新风量。只有在新风冷源不能满足供冷量需求时，才需要在供热季设置为全年供冷区域单独供冷水的管路，即分区两管制系统。因此仅给出内外区集中送新风的风机盘管加新风的分区两管制水系统的系统形式，见下图。
图5.1-10典型风机盘管加新风分区两管制水系统 ②对于一般工程，如仅在理论上存在一些内区，但实际使用时发热量常比夏季采用的设计数值小且不长时间存在、或这些区域面积或总冷负荷很小、冷源设备无法为之单独开启，或这些区域冬季即使短时温度较高也不影响使用，如为之采用相对复杂投资较高的分区两管制系统，工程中常出现不能正常使用，甚至在冷负荷小于热负荷时房间温度过低而无供热手段的情况。因此工程中应考虑建筑物是否真正存在面积和冷负荷较大的需全年供应冷水的区域，确定最经济和满足要求的空调管路制式。
5.1.5定流量系统与变流量系统
根据空调水系统的水流量在运行过程中是否发生变化，可以分成定流量系统或变流量系统。
定流量系统：定流量系统是指空调水系统中用户侧的实时系统总水流量保持恒定不变（或者总流量只是按照水泵启停的台数呈现阶梯式的变化）。空调系统末端需要配置三通阀，房间的负荷发生变化时，通过调整三通阀进入末端装置的水流量来进行控制，或者不对房间的参数进行控制。
变流量系统：
1）水泵变频变流量。空调水系统采用变频水泵，用户侧的系统总水量随着末端装置的流量的自动调节而实时变化。当用户侧冷负荷降低时，通过水泵变频器改变冷水泵的转速，减少冷水流量供应，从而使得冷水泵的能耗降低。对于冷水机组而言，冷水机组内部允许的流量变化仍有一定范围，并且对流量变化的速率也有一定的要求，一般冷水机组的最小允许流量大约在额定流量的50%~70%左右，不同产品可能不一致。因此冷水泵的最低运行转速应被限制，达到最小限制时，如果用户需要进一步下降，为了保证冷水机组的安全运行，整个系统需要开启压差旁通阀来调节流量。水泵的最小运行转速，一般是通过对变频器的输出最低频率进行限制。
2）一次泵变流量系统。水泵采用定频水泵，末端配置电动两通阀，系统配置压差旁通阀。房间负荷发生变化时，末端装置的电动两通阀会进行相应的流量调节，对于用户侧，系统总管路的水流量是实时变化的过程。系统的压差旁通阀也进行相应的调节。冷水泵的转速不发生变化，其流量也基本保持稳定。
5.1.6一次泵系统与二次泵系统
1、一级泵系统：也称为一次泵系统。冷热源和负荷侧只用一组循环泵。系统简单，投资省。可以参考5.1-11~12图。
2、二级泵系统：也称为二次泵系统。在冷热源侧和用户侧分别设置循环泵。它具有能实现用户侧（负荷侧）水泵变流量运行，可以降低输送能耗，并能适用供水分区不同压降的需要，系统总压力低，比一级泵要复杂。
图5.1-13二级泵系统
二级泵系统的盈亏管上不能设置任何阀门，系统设计状态时，盈亏管中的水应为静止状态。二级泵系统是一个两级水泵串联的系统，为了保证设计状态时盈亏管中水的静止状态，一级泵和二级泵的扬程必须通过精确的计算确定，使得盈亏管两端接管处的压差为零。实际工程中，盈亏管在供水管接口处的压力略大于其回水管接口处的压力也是运行的。但是绝对应该避免出现系统用户侧的回水通过盈亏管进入供水管的情况。即防止盈亏管“倒流”。倒流的出现，通常是二级泵扬程选择过大造成。
《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012,
8．5．4 集中空调冷水系统的选择，应符合下列规定： ①除设置一台冷水机组的小型工程外，不应采用定流量一级泵系统； ②冷水水温和供回水温差要求一致且各区域管路压力损失相差不大的中小型工程，宜采用变流量一级泵系统；单台水泵功率较大时，经技术和经济比较，在确保设备的适应性、控制方案和运行管理可靠的前提下，可采用冷水机组变流量方式；（条文解释：当系统作用半径较大或水流阻力较高时，循环水泵的装机容量较大，由于水泵为定流量运行，使得冷水机组的进出水温差随着负荷的降低而减少，不利于在运行过程中水泵的运行节能，因此一般适用于最远环路总长度在500m之内的中小型工程。） ③系统作用半径较大、设计水流阻力较高的大型工程，宜采用变流量二级泵系统。当各环路的设计水温一致且设计水流阻力接近时，二级泵宜集中设置；当各环路的设计水流阻力相差较大或各系统水温或温差要求不同时，宜按区域或系统分别设置二级泵；
(条文解释：二级泵系统的选择设计: a）机房内冷源侧阻力变化不大，因此系统设计水流阻力较高的原因，大多是由于系统的作用半径造成的，因此系统阻力是推荐采用二级泵或多级泵系统的条件，且为充要条件。当空调系统负荷变化很大时，首先应通过合理设置冷水机组的台数和规格解决小负荷运行问题，仅用靠增加负荷侧的二级泵台数无法解决根本问题，因此“负荷变化大”不列入采用二级泵或多级泵的条件。 b）各区域水温一致且阻力接近时完全可以合用一组二级泵，多台水泵根据末端流量需要进行台数和变速调节，大大增加了流量调解范围和各水泵的互为备用性。且各区域末端的水路电动阀自动控制水量和通断，即使停止运行或关闭检修也不会影响其他区域。以往工程中，当各区域水温一致且阻力接近，仅使用时间等特性不同，也常按区域分别设置二级泵，带来如下问题：①水泵设置总台数多于合用系统，有的区域流量过小采用一台水泵还需设置备用泵，增加投资；②各区域水泵不能互为备用，安全性差；③各区域最小负荷小于系统总最小负荷，各区域水泵台数不可能过多，每个区域泵的流量调节范围减少，使某些区域在小负荷时流量过大、温差过小、不利于节能。 c）当系统各环路阻力相差较大时，如果分区分环路按阻力大小设置和选择二级泵，有可能比设置一组二级泵更节能。阻力相差“较大”的界限推荐值可采用0．05MPa，通常这一差值会使得水泵所配电机容量规格变化一档。 d）工程中常有空调冷热水的一些系统与冷热源供水温度的水温或温差要求不同，又不单独设置冷热源的情况。可以采用再设换热器的间接系统，也可以采用设置二级混水泵和混水阀旁通调节水温的直接串联系统。后者相对于前者有不增加换热器的投资和运行阻力，不需再设置一套补水定压膨胀设施的优点。因此增加了当各环路水温要求不一致时按系统分设二级泵的推荐条件。） ④冷源设备集中设置且用户分散的区域供冷等大规模空调冷水系统，当二级泵的输送距离较远且各用户管路阻力相差较大，或者水温（温差）要求不同时，可采用多级泵系统。 8．5．5 采用换热器加热或冷却的二次空调水系统的循环水泵宜采用变速调节。对供冷（热）负荷和规模较大工程，当各区域管路阻力相差较大或需要对二次水系统分别管理时，可按区域分别设置换热器和二次循环泵。 8．5．6 空调水系统自控阀门的设置应符合下列规定： ①多台冷水机组和冷水泵之间通过共用集管连接时，每台冷水机组进水或出水管道上应设置与对应的冷水机组和水泵连锁开关的电动两通阀； ②除定流量一级泵系统外，空调末端装置应设置水路电动两通阀。 8．5．7 定流量一级泵系统应设置室内空气温度调控或自动控制措施。(条文解释：定流量一级泵系统空调末端控制要求。 为了保证空调区域的冷量按需供应，宜对区域空气温度进行自动控制，以防止房间过冷和浪费能源。通常的控制方式包括：①末端设置分流式三通调节阀，由房间温度自动控制通过末端装置和旁流支路的流量比例来实现；②对于风机盘管等设备，采用房间温度自动控制风机启停（或者自动控制风机转速）的方式。对于一些特别小型且系统中只设置了一台冷水机组的工程，如果对自动控制方式的投资有较大限制的话，至少也应设置调节性能较好的手动阀（最低要求）。) 8．5．8 变流量一级泵系统采用冷水机组定流量方式时，应在系统的供回水管之间设置电动旁通调节阀，旁通调节阀的设计流量宜取容量最大的单台冷水机组的额定流量。
（条文解释：变流量一级泵系统采用冷水机组定流量方式的空调水系统设计要求。 当冷水机组采用定流量方式时，为保证流经冷水机组蒸发器的流量恒定，设置电动旁通调节阀，是一个通常的成熟做法。电动旁通阀口径的选择应按照本规范9．2．5条的规定并通过计算阀门的流通能力（也称为流量系数）来确定，但由于在实际工程中经常发现旁通阀选择过大的情况（有的设计图甚至按照水泵或冷水机组的接管来选择阀门口径），这里对旁通阀的设计流量（即阀门全开时的最大流量）做出了规定。 对于设置多台相同容量冷水机组的系统而言，旁通阀的设计流量就是—台冷水机组的流量，这样可以保证多台冷水机组在减少运行台数之前，各台机组都能够定流量运行（本系统的设计思路）。 对于设置冷水机组大小搭配的系统来说，从目前的情况看，多台运行的时间段内，通常是大机组在联合运行（这时小机组停止运行的情况比较多），因此旁通阀的设计流量按照大机组的流量来确定与上述的原则是一致的。即使在大小搭配运行的过程中，按照大容量机组的流量来确定可能无法兼顾小容量机组的情况，但从冷水机组定流量运行的安全要求这一原则出发，这样的选择也是相对安全的。当然，如果要兼顾小容量机组的运行情况（无论是大小搭配还是小容量机组可能在低负荷时单独运行），也可以采用大小口径搭配（并联连接）的“旁通阀组”来解决。但这一方法在控制方式上更为复杂一些。） 8．5．9 变流量一级泵系统采用冷水机组变流量方式时，空调水系统设计应符合下列规定： ①一级泵应采用调速泵； ②在总供、回水管之间应设旁通管和电动旁通调节阀，旁通调节阀的设计流量应取各台冷水机组允许的最小流量中的最大值； ③应考虑蒸发器最大许可的水压降和水流对蒸发器管束的侵蚀因素，确定冷水机组的最大流量；冷水机组的最小流量不应影响到蒸发器换热效果和运行安全性； ④应选择允许水流量变化范围大、适应冷水流量快速变化（允许流量变化率大）、具有减少出水温度波动的控制功能的冷水机组； ⑤采用多台冷水机组时，应选择在设计流量下蒸发器水压降相同或接近的冷水机组。
（条文解释：变流量一级泵系统采用冷水机组变流量方式的空调水系统设计要求。 a 水泵采用变速控制模式，其被控参数应经过详细的分析后确定，包括：采用供回水压差、供回水温差、流量、冷量以及这些参数的组合等控制方式。 b 水泵采用变速调节时，已经能够在很长的运行时段内稳定地控制相关的参数（如压差等）。但是，当系统用户所需的总流量低至单台最大冷水机组允许的最小流量时，水泵转数不能再降低，实际上已经与“机组定流量、负荷侧变流量”的系统原理相同。为了保证在冷水机组达到最小运行流量时还能够安全可靠的运行，供回水总管之间还应设置最大流量为单台冷水机组最小允许流量的旁通调节阀，此时系统的控制和运行方式与冷水机组定流量方式类似。流量下限一般不低于机组额定流量的50％，或根据设备的安全性能要求来确定。当机组大小搭配时，由于机组的规格不同（甚至类型不同，如：离心机与螺杆机搭配），也有可能出现小容量机组的最小允许流量大于大容量机组允许最小流量的情况，因此要求此时旁通阀的最大设计流量为各台冷水机组允许的最小流量中的“最大值”。 c 指出了确定变流量运行的冷水机组最大和最小流量的考虑因素。 d 对适应变流量运行的冷水机组应具有的性能提出了要求。允许水流量变化范围大的冷水机组的流量变化范围举例：离心式机组宜为额定流量的30％～130％，螺杆式机组宜为额定流量的40％～120％；从安全角度来讲，适应冷水流量快速变化的冷水机组能承受每分钟30％～50％的流量变化率，从对供水温度的影响角度来讲，机组允许的每分钟流量变化率不低于10％（具体产品有一定区别）；流量变化会影响到机组供水温度，因此机组还应有相应的控制功能。本处所提到的额定流量指的是供回水温差为5℃时的流量。 e 多台冷水机组并联时，如果各台机组的蒸发器水压降相差过大，由于系统的不平衡，流经阻力较大机组的实际流量将会比设计流量减少，对于采用冷水机组变流量方式的一级泵系统，有可能减少至机组允许的最小流量以下，因此强调应选择在设计流量下蒸发器水压降相同或接近的冷水机组。） 8．5．10 二级泵和多级泵系统的设计应符合下列规定： ①应在供回水总管之间冷源侧和负荷侧分界处设平衡管，平衡管宜设置在冷源机房内，管径不宜小于总供回水管管径； ②采用二级泵系统且按区域分别设置二级泵时，应考虑服务区域的平面布置、系统的压力分布等因素，合理确定二级泵的设置位置； ③二级泵等负荷侧各级泵应采用变速泵。
(条文解释：二级泵和多级泵空调水系统的设计。 a 本条所提到的“平衡管”，有的资料中也称为“盈亏管”、“耦合管”。在一些中、小型工程中，也有的采用了“耦合罐”形式，其工作原理都是相同的，这里统称为“平衡管”。 一、二级泵之间的平衡管两侧接管端点，即为一级泵和二级泵负担管网阻力的分界点。在二级泵系统设计中，平衡管两端之间的压力平衡是非常重要的。目前一些二级泵系统，存在运行不良的情况，特别是平衡管发生水“倒流”（即：空调系统的回水直接从平衡管旁通后进入了供水管）的情况比较普遍，导致冷水系统供水温度逐渐升高、末端无法满足要求而不断要求加大二级泵转速的“恶性循环”情况的发生，其原因就是二级泵选择扬程过大造成的。因此设计二级泵系统时，应进行详细的水力计算。 当分区域设置的二级泵采用分布式布置时（见本条第3款条文说明），如平衡管远离机房设在各区域内，定流量运行的一级泵则需负担外网阻力，并按最不利区域所需压力配置，功率很大，较近各区域平衡管前的一级泵多余资用压头需用阀门调节克服，或通过平衡管旁通，不符合节能原则。因此推荐平衡管位置应在冷源机房内。 一级泵和二级泵流量在设计工况完全匹配时，平衡管内无水量通过即接管点之间无压差。当一级泵和二级泵的流量调节不完全同步时，平衡管内有水通过，使一级泵和二级泵保持在设计工况流量以保证冷水机组蒸发器的流量恒定，同时二级泵根据负荷侧的需求运行。在旁通管内有水流过时，也应尽量减小旁通管阻力，因此管径应尽可能加大。 二级泵与三级泵之间也有流量调节可能不同步的问题，但没有保证蒸发器流量恒定问题。如二级泵与三级泵之间设置平衡管，当各三级泵用户远近不同、且二级泵按最不利用户配置时，近端用户需设置节流装置克服较大的剩余资用压头，或多于流量通过平衡管旁通。当系统控制精度要求不高时如不设置平衡管，近端用户三级泵可以利用二级泵提供的资用压头，对节能有利。因此，二级泵与三级泵之间没有规定必须设置平衡管。但当各级泵之间要求流量平衡控制较严格时，应设置平衡管；当末端用户需要不同水温或温差时，还应设置混水旁通管。 b 二级泵的设置位置，指集中设置在冷站内（集中式设置），还是设在服务的各区域内（分布式设置）。集中式设置便于设备的集中管理，但系统所分区域较多时，总供回水管数量增多、投资增大、外网占地面积大，且相同流速下小口径管道水阻力大、增大水泵能耗，可考虑分布式设置。 二级泵分布式设置在各区域靠近负荷端时，应校核系统压力：当系统定压点较低或外网阻力很大时，二级泵入口（系统最低点压力）低于水泵高度时系统容易进气，低于水泵允许最大负压值时水泵会产生气蚀；因此应校核从平衡管的分界点至二级泵入口的阻力不应大于定压点高度。 c 一般空调系统均能满足要求，外网很长阻力很大时可考虑三次泵或间接连接系统。 二级泵等负荷侧水泵采用变频调速泵，比仅采用台数调节更加节能，因此规定采用。)
节选自郭鹏学暖通系列丛书之《暖通空调设计白皮书V1.0》。
