空调风、水系统设计

第二章 空气调节工程设计方法 2.1空调系统风道设计 2.1.1风道设计的基本知识 一 . 风道的布置原则 风道布置直接关系到空调系统的总体布置 ， 它与工艺 、 土建 、 电气 、 给排水等专业关系密切 ， 应相互配合 、协调一致 。 1 空调系统的风道在布置时应考虑使用的灵活性 。 当系统服务于 多个房间时 ， 可根据房间的用途分组 ， 设置各个支风道 ， 以便与调节 。 2 风道的布置应根据工艺和气流组织的要求 ， 可以采用架空明敷设 ，也可以暗敷设于地板下 、 内墙或顶棚中 。 3 风道的布置应力求顺直 ， 避免复杂的局部管件 。 弯头 、 三通等管件应安排得当 ， 管件与风管的连接 、 支管与干管的连接要合理 ， 以减少阻力和噪声 。 4 风管上应设置必要的调节和测量装置 （ 如阀门 、 压力表 、 温度计 、风量测定孔 、 采样孔等 ） 或预留安装测量装置的接口 。 调节和测量装置应设在便于操作和观察的地方 。 5 风道布置应最大限度地满足工艺需要 ， 并且不妨碍生产操作 。 6风道布置应在满足气流组织要求的基础上，达到美观、实用的原则。 二 . 风管材料的选择 用作风管的材料有薄钢板 、 硬聚氯乙烯塑料板 、 玻璃钢板 、 胶合板 、铝板 、 砖及混凝土等 。 需要经常移动的风管 ， 则大多采用柔性材料制成各种软管 ， 如塑料软管 、 金属软管 、 橡胶软管等 。 薄钢板有普通薄钢板和镀锌薄钢板两种。钢板厚度，一般采用 0.5 1.5mm左右。 对于有防腐要求的空调工程，可采用硬聚氯乙烯塑料板或玻璃钢板制作的风管。仅限于室内应用，且流体温度不可超过 -10 +60 。 以砖、混凝土等材料制作风管，主要用于与建筑、结构相配合的场合。 三 . 风管断面形状的选择 风管断面形状有圆形和矩形两种 。 圆形断面的风管强度大 、 阻力小 、 消耗材料少 ， 但加工工艺比较复杂 ， 占用空间多 ， 布置时难以与建筑 、 结构配合 ， 常用于高速送风的空调系统；矩形断面的风管易加工 、 好布置 ， 能充分利用建筑空间 ， 弯头 、 三通等部件的尺寸较圆形风管的部件小 。 为了节省建筑空间 ， 布置美观 ， 一般民用建筑空调系统送 、 回风管道的断面形状均以矩形为宜 。 常用矩形风管的规格如下表所示。为了减少系统阻力，并考虑空调房间吊顶高度的限制，进行风道设计时，矩形风管的高宽比宜小于 6，最大不应超过 10。 外边长 （ 长 宽 ） (mm) 120 120 320 200 500 400 800 630 1250 630 160 120 320 250 500 500 800 800 1250 800 160 160 320 320 630 250 1000 320 1250 1000 200 160 400 200 630 320 1000 400 1600 500 200 200 400 250 630 400 1000 500 1600 630 250 120 400 320 630 500 1000 630 1600 800 250 160 400 400 630 630 1000 800 1600 1000 250 200 500 200 800 320 1000 1000 1600 1250 250 250 500 250 800 400 1250 400 2000 800 320 160 500 320 800 500 1250 500 2000 1000 一 .风道设计的原则 风道设计时应统筹考虑经济 、 实用两条基本原则 。 二 .风道设计的基本任务： 1 确定风管的断面形状 ， 选择风管的断面尺寸 。 2 计算风管内的压力损失 ， 最终确定风管的断面尺寸 ， 并选择合适的通风机 。 2.1.2风 道设计的基本任务 风管的压力损失 P由沿程压力损失 Py和局部压力损失 Pj两部分组成 ， 即： P=Py+Pj （ Pa） （ 一 ） 沿程压力损失的基本计算公式 长度为 l(m)的风管沿程压力损失可按下式计算： Py=pyl (Pa) 式中 py 单位管长沿程压力损失，也称为单位管长摩擦阻力损 失，单位为 Pa/ m， 可查阅附录 13以及有关设计手册中风管单位长度沿程压力损失计算表进行计算 。 （ 二 ） 局部压力损失的基本计算公式 Pj= 2/2 （ Pa） 式中 局部阻力系数； 与之对应的断面流速 。 空气密度 ， 标准状况下 （ 大气压力为 101325 Pa， 温度为 20 ） ， =1.2kg/m3； 附录 14以及许多文献资料中，都载有各种各样管件的局部阻力系数 计算表，可供设计时选用。 一 风道水力计算方法 风道的水力计算是在系统和设备布置 、 风管材料 、 各送 、 回风点 的位置和风量均已确定的基础上进行的 。 风道水力计算的主要目的是确定各管段的管径 （ 或断面尺寸 ） 和 阻力 ， 保证系统内达到要求的风量分配 ， 最后确定风机的型号和动 力消耗 。 风道水力计算方法比较多 ， 如假定流速法 、 压损平均法 、 静压复 得法等 。 对于低速送风系统大多采用假定流速法和压损平均法 ， 而 高速送风系统则采用静压复得法 。 2.1.3 风 道设计 计算的方法与步骤 1 假定流速法 假定流速法也称为比摩阻法 。 先按技术经济要求选定风管的风速 ， 再根据风管的风量确定风管的断面尺寸和阻力 。 这是低速送风系统目前最常用的一种计算方法 。 2 压损平均法 压损平均法也称为当量阻力法。这种方法以单位管长压力损失相等为前提，在已知总作用压力的情况下，取最长的环路或压力损失最大的环路，将总的作用压力值按干管长度平均分配给环路的各个部分，再根据各部分的风量和所分配的压力损失值，确定风管的尺寸，并结合各环路间的压力损失的平衡进行调节，以保证各环路间压力损失的差值小于 15%。该方法适 用于风机压头已定，以及进行分支管路压损平衡等场合。 3静压复得法 静压复得法的含义是 ， 当流体的全压一定时 ， 风速降低 ， 则静压增加， 利用这部分 “ 复得 ” 的静压来克服下一段主干管道的阻力 ， 以确定管道尺寸 ， 从而保持各分支前的静压都相等 ， 这就是静压复得法 。 此方法适用于高速空调系统的水力计算 。 二 风道水力计算步骤 以假定流速法为例 ， 说明风道水力计算的方法步骤： 1 确定空调系统风道形式 ， 合理布置风道 ， 并绘制风道系统轴测图， 作为水力计算草图 。 2 在计算草图上进行管段编号 ， 并标注管段的长度和风量 。 管段长度一般按两管件中心线长度计算 ， 不扣除管件 （ 如三通 、 弯头） 本身的长度 。 3 选定系统最不利环路 ， 一般指最远或局部阻力最多得环路 。 4 根据造价和运行费用的综合最经济的原则 ， 选择合理的空气流速。 根据经验总结 ， 风管内的空气流速可按 P111表 6.3确定 。 5 根据给定风量和选定流速 ， 逐段计算管道断面尺寸 ， 并使其符合表 6.1所列的矩形风管统一规格 。 然后根据选定了的断面尺寸和风量， 计算出风道内实际流速 。 通过矩形风管的风量 G可按下式计算： G=3600ab (m3/h) 式中 a， b 分别为风管断面净宽和净高 ， m。 6 计算风管的沿程阻力 根据沿程阻力计算公式： Py=pyl 查 风管单位长度沿程压力损失计算表 求出单位长度摩擦阻力损失 py， 再根据管长 l， 计算出管段的摩擦阻力损失 。 7 计算各管段局部阻力 根据局部阻力计算公式： Pj= 2/2 查 局部阻力系数 计算表 取得局部阻力系数 值 ， 求出局部阻力损失 。 8 计算系统的总阻力 ， P= （ pyl +Pj ） 。 9 检查并联管路的阻力平衡情况 。 10 根据系统的总风量 、 总阻力选择风机 。 三 风道设计计算实例 （ P112例 6.1 ） 空调系统推荐的送风机静压值如下 ， 可供估算时参考 。 空调系统类别 风机静压值 (Pa) 小型空调系统（空调服务面积 300m2以内） 中型空调系统（空调服务面积 2000m2以内） 大型空调系统（空调服务面积大于 2000m2） 高速送风系统（空调服务面积 2000m2以内） 高速送风系统（空调服务面积大于 2000m2） 400500 600750 6501000 10001500 15002500 小型通风系统 一般通风系统 100250 300400 一单风机系统 单风机系统是指只设送风机而不设回风机，整个系统内的压力损失全部由送风机来承担的空调系统。 对于单风机系统来说，要注意到零点的位置，若系统排风位于回风的负压区，则排风不可能通过排风阀排出，必须单设一轴流式排风机，如图中虚线所示。 2.1.4 风管内的压力分布 二双风机系统 双风机系统是指既设置有送风机而且设置有回风机的空调系统，系统内的压力损失由送风机和回风机共同承担。 对于双风机系统来说，排风必须处于回风机的正压段，而新风和回风必须处于送风机的负压段。如图中所示， 段由于回风机的加压作用，处于正压区，排风可以通过排风阀直接排出。而 段由于送风机的抽吸作用，处于负压区，新风和回风均可被抽吸进来。为零位阀，通过该阀处的风压应该为零。 特别需要注意的是：新风、排风、回风的位置。 复习思考题 1简叙风道布置的原则。 2常用的风管材料由哪些？各适用于什么场合？ 3为什么说 “ 矩形风管的高宽比宜小于 6，最大不小于 10” ？ 4风道设计的基本任务是什么？ 5试解释下列名词： （ 1）沿程压力损失； （ 2）单位管长摩擦阻力损失； （ 3）局部压力损失； （ 4）风管的当量直径。 6影响局部阻力系数 的因素有哪些？ 7为什么说风管内空气流速对空调系统的经济性有较大的影响？ 2.2空调水系统设计 空调水系统包括冷 （ 热 ） 媒水系统和冷却水系统两部分 。 冷媒水系统是指夏季由冷水机组向风机盘管机组 、 新风机组或组合式空调机组的表冷器 （ 或喷水室 ） 供给供水 7 、 回水 12 的冷媒水；在冬季由换热站向风机盘管机组 、 新风机组等供给供水 60 、回水 50 的热媒水 。 冷却水系统是指利用冷却塔向冷水机组的冷凝器供给循环冷却水的系统。 2.2.1 空调冷媒水系统分类 1.按照冷媒水的循环方式分 ： 1） 开式循环系统：它的末端管路是与大气相通的 ， 冷媒回水集中进 入建筑物的回水箱或蓄冷水池内 ， 再由循环泵将回水打入冷水机组的 蒸发器内 ， 经重新冷却后的冷媒供水被输送至整个系统 。 典型的开式循环系统有：组合式空调机组采用喷水室处理空气的 冷媒水系统 、 具有蓄冷水池的冷媒水系统等 。 2） 闭式循环系统：冷媒水在系统内进行密闭循环 ， 不与大气相接触 为了容纳系统中水体积的膨胀 ， 在系统的最高点设膨胀水箱 。 典型的闭式循环系统有：组合式空调机组采用表冷器处理空气以 及风机盘管机组 、 新风机组的冷媒水系统等 。 开式系统与闭式系统的比较： （ 1） 开式系统所用的循环泵的扬程高 ， 除了克服环路阻力外， 还要提供几何提升高度和末端的资用压头 ， 循环水易受污染 ，管路和设备易受腐蚀且容易产生水击等 ， 除非高层建筑的地下室设有蓄冷水池 ， 一般用得不多 。 （ 2） 闭式系统所用的循环泵的扬程比较低 ， 循环水不易受污染而管路的腐蚀程度轻 ， 不用设回水池 ， 而需要设膨胀水箱 。 2. 按照供 、 回水制式分： 1） 双管制供水方式： 一根供水管 ， 一根回水管 ， 供冷 、 供热合用同一管路系统 。 2） 三管制供水方式： 一根供冷水管 ， 一根供热水管 ， 一根公用回水管 。 3） 四管制供水方式： 一根供冷水管 ， 一根冷水回水管 ， 一根供热水管 ， 一根热水回水管 。 FCUFCUTTFCUT冷 热FCUT冷 热冷 热 我国高层建筑特别是高层旅馆建筑大量建设的实践表明 ， 从我国的国情出发 ， 双管制系统能满足绝大部分旅馆的空调要求 ， 只有那些全年性空调要求标准的较高的建筑方可采用四管制系统 。 为了解决管路布置问题 ， 有的设计院提出一种称为“ 分区双管系统 ” 。 该系统的主要特点是 ， 机房内总管路系统设计成四管制 ， 而建筑物内的所有立管设计成双管制 ， 以便按朝向分别供冷或供热 。 3.按照供 、 回水管路的布置方式分： 1） 同程式系统：供 、 回水干管中的水流方向相同 （ 顺流 ） ， 经过每一环路的管路总长度相等 。 2） 异程式系统：供 、 回水干管中的水流方向相反 （ 逆流 ） ， 经过每一环路的管路总长度不相等 。 对于闭式循环系统，一般来说，采用同程式布置，便于达到水力平衡； 对于开式循环系统，一般来说，采用异程式布置，不需要采用同程式布置。 同程式的几种布置方式： 垂直同程 ： 水平同程 垂直同程和水平同程 异程式的布置方式 同程式与异程式的比较： 同程式布置 水量分配和调节都比较方便 ， 容易达到水力平衡 ， 但需要设回程管 、 管路长 ， 初投资稍高 ， 要占用一定的建筑空间 。 异程式布置 水量分配和调节都比较麻烦，不容易达到水力平衡，需要安装平衡阀，无需回程管，管道长度较短。 同程式和异程式的适用条件： （ 1） 支管环路的压力降 （ 阻力 ） 较小 ， 而主干管路的压力降起主导作用者 ， 宜采用同程式 。 （ 2） 支管环路上末端设备的压力降 （ 阻力 ） 很大 ， 而支环路的压降 （ 阻力 ） 起主导作用者 ， 或者说支路环路阻力占负荷侧干管环路阻力的 2/3 4/5时 ， 宜采用异程式 。 所以：对于由风机盘管机组（或新风机组）组成的供、回水系统，因支管环路的阻力不大且比较接近，而干管环路较长、阻力占的比例较大，故采用同程式布置； 对于向若干台组合式空调机组的表冷器供水的系统，因支管环路的阻力较之主干管路的阻力大得多，故采用异程式布置。 （ 3） 如果建筑条件允许 ， 可采用垂直同程和水平同程的布置方式 ， 不仅容易达到水力平衡 ， 而且省去大量的调试工作量 。 （ 4）为节管材和建筑空间，也可考虑将空调水系统的总立管设计成异程式（其前提条件是，将立管内流速取小，管径放大），这样，有利于节省竖井的空间。而对于各分支环路，根据管道的长度和支环路的阻力大小， 设计成 同 程式或异程式，并根据管道的水力计算结果进行压力平衡。 （ 5）当系统的阻力先天就不平衡时，可通过安装水力平衡阀予以解决。 4.按照运行调节方法分： 1） 定流量系统：系统中循环水量保持不变 ， 当空调负荷变化时 ， 通过改变供 、 回水的温差来适应 。 2） 变流量系统：系统中供回水温差保持不变 ， 当空调负荷变化时 ， 通过改变供水量来适应 。 所谓定流量和变流量均指负荷侧环路而言 。 冷源侧应保持定流量 ， 其理由是： （ 1） 保证冷水机组蒸发器的传热效率； （ 2） 避免蒸发器因缺水而冻裂； （ 3） 保持冷水机组工作稳定 。 （ 1） 定流量系统负荷侧调节方法： 定流量系统对风机盘管机组 、 新风机组等负荷侧末端设备的能量调节方法 ， 是在该设备上安装电动三通调节阀 ， 并受室温控制器的控制 。 在夏季，当房间的负荷等于设计值时，电动三通调节阀的直通阀座打开，旁通阀座关闭，冷媒水全部流经末端设备。当房间负荷减少时，室温控制器使直通阀座关闭，旁通阀座开启，冷媒水旁流过末端设备，直接进入回水管网。 （ 2） 变流量系统负荷侧调节方法： 变流量系统对风机盘管机组、新风机组等负荷侧末端设备的能量调节方法，是在该设备上安装电动二通调节阀，并受室温控制器的控制。 当房间负荷等于设计值时，电动二通调节阀开启，冷媒水流经末端设备。当房间负荷低于设计值时室温控制器使电动二通调节阀关闭，停止向末端设备供水。 目前，很多宾馆客房实行 “ 插钥匙牌” 给电的制度，客人外出，带走 “ 钥匙牌” ，客房断电，此时，风机盘管机组停止工作电动二通调节阀也随之关闭。 变流量系统 ， 整个负荷侧水系统的流量是变化的 ， 这就意味着可以停开或启动某一台循环泵 ， 以适应水流量变化的情况 ， 达到节能的目的 。 为了保证冷源侧始终是定流量 ， 必须在分水器和集水器之间设置压差控制器 。 5.按照 系统中循环泵的配置方式分： 1） 单式泵（一级泵）系统：是指冷源侧与负荷侧合用一组循环泵的系统，它又可分为单式泵定流量系统和单式泵变流量系统。 2) 复式泵（两级泵）系统：是指冷源侧和负荷侧分别配置循环泵的系统，也就是说，冷源侧循环泵和负荷侧循环泵是相互分开的。 单式泵系统 ： 整个水系统由以下两个环路组成：一是冷源侧环路，它是指从集水器经过冷水机组至分水器这一环路，按定流量运行；一是负荷侧环路，它是指从分水器经过空调末端设备至集水器的这一环路按变流量运行 单式泵变流量系统的控制原理： 当空调房间负荷下降时，负荷侧各用户的二通调节阀相继关闭，供、回水总管之间的压差超过了设定值，此时，压差控制器动作，让旁通管路上的二通调节阀打开，使部分冷媒水不经末端设备而从旁通管直接返回冷水机组，从而确保冷水机组的水量不变。 只有当供、回水总管之间的压差到达规定的上限值，也就是说，通过旁通管路的水量相当于一台循环泵的流量时，可停止一台循环泵和一台冷水机组的工作。 旁通管的管径按一台冷水机组的水流量确定，通常为一台冷水机组流量的 110% 单式泵变流量系统的设计和应用 ： 1） 在冷源侧 ， 单式泵的配置与冷水机组相对应 ， 采取 “ 一泵对一机 ” 的方式 。 2） 单式泵的扬程是按克服负荷侧最不利环路上的各种阻力与冷源侧环路上的各种阻力之和来确定的 。 不能适应各供水分区压力降相差较悬殊的情况 。 对于负荷侧压力降较小的环路来说 ， 循环泵的压力对该环路有较多的富余 ， 此时只好利用分水器上通向该环路的阀门节流掉 ， 形成无效的能量消耗 。 3）当空调冷媒水系统的规模和总压力损失均不太大、各分区供水环路彼此间的压力损失相差不太悬殊时，冷媒水循环泵宜采用单式泵。 复式泵系统 ：由冷水机组、供回水总管、一次泵和旁通管组成一次环路，也称冷源侧环路；由二次泵、空调末端设备、供回水管路与旁通管组成二次环路，也称负荷侧环路。 复式泵变流量系统的控制原理： 1） 一次环路按定流量运行 ， 采用 “ 一泵对一机 “ 的方式 ， 一次泵的扬程为冷水机组的蒸发器阻力与一次环路个部件阻力之和再乘以 1.1 1.2的安全系数 。 2）二次环路按变流量运行，二次泵的台数，不必与一次泵相对应，主要满足供水分区的需要。二次泵的台数必须大于或等于设计所划分的二次供水环路数。二次泵的扬程为空调末端设备的阻力与二次环路各部件阻力之后，再乘以 1.1 1.2的安全系数。 复式泵变流量系统的应用 ： 复式泵变流量系统