制冷技术 课件 第10 章空调水系统与制冷机房

第10章空调水系统与制冷机房>10.1空调水系统1、空调水系统概述右图是典型集中式空调系统原理图，冷水机组制取的冷量通过冷水系统输送给空调末端空气处理设备，从而实现向空调区城提供冷量的目的。由图可见，空调水系统由冷水系统和冷却水系统两大部分组成。这两个系统需要和相关设备联合运行，故对冷水机组以及空调系统的性能影响很大，因此冷水系统和冷却水系统的设计至关重要。1、空调水系统概述水系统作为空调系统的能量输配环节，其全年能耗在空调系统中占相当大的份额。与冷水机组能效比(COP)类似，可用系统能效比(COPs,)和系统季节能效比(SCOPs,)来评价整个空调系统在某时刻和整个供冷季节的综合能源利用效率。冷水机组能效比

COP=Qe/P系统能效比

COPs=Qe/(P+Pcw+Pcw,f+Pfw+Pf,w)式中：Qe——冷水机组的制冷量(kW)；P——冷水机组的输入功率(kW);

Pcw——冷却水泵的输入功率(kW);

Pcw,f——冷水泵(也称为冷冻泵)的输入功率(kW);

Pfw——空调末端设备风机的输人功率(kW);

Pf,w——冷却塔风机的输入功率(kW)。10.1空调水系统1、空调水系统概述系统季节能效比SCOPs=冷水机组在制冷季节制取的总冷量/空调系统在制冷季节消耗的总冷量系统能效比

COPs=Qe/(P+Pcw+Pcw,f+Pfw+Pf,w)

（10—2）冷水机组能效比

COP=Qe/P

（10—1）式子（10—1）（10—2）分别表示在某运行时刻冷水机组的能效比和整个空调系统的能效比，也可以分别表示空调系统在设计条件下的机组能效比和系统能效比。例如，在给定设计条件时，冷水机组的COP一般为4.0~6.0,但空调水系统中的水泵等设备的装机功率为系统装机总功率的20%~30%，显然式(10-2)给出的系统能效比COP比冷水机组COP明显降低。据目前的实测数据显示，在整个制冷季节，空调水系统的能耗占到空调系统的40%~60%，可见空调水系统对系统季节能效比SCOPs的贡献率很大。可以看出，减少冷水系统和冷却水系统的能耗能够提高整个空调系统的系统季节能效比。10.1空调水系统2、冷水系统空调冷水系统主要由水泵、管道、定压设备、阀门、换热器、除污器等部件构成。针对不同类型建筑及空调系统的特征，上述设备可以构成不同形式的冷水系统。冷水系统将冷水机组制取的冷水输配给各个空调用户末端，根据实际情况和不同的应用需求出现了不同的系统形式。开式和闭式系统开式系统：开式系统需要设置开式水箱，系统水容量大，运行稳定，控制简便。循环水存在与空气接触的自由液面，水中含氧量较高，管路和设备容易被腐蚀；需要增加克服静水压力的额外能量，输送能耗大。10.1空调水系统2、冷水系统开式和闭式系统闭式系统：闭式系统中的循环水对外封闭而不与空气接触，仅在系统最高点设置膨胀水箱，管道与设备不易被腐蚀；系统简单，无需克服静水压力，水泵扬程、功率均较小。10.1空调水系统2、冷水系统直连系统与间连系统——根据用户水系统和与冷水机组的连接方式不同直连系统：直连系统为用户侧水路和冷水机组直接连通的水系统。当系统规模较小、用户比较集中、且高差也比较小时，采用直连系统可以减少中间换热环节，降低设备投资，而且运行效率较高。10.1空调水系统2、冷水系统间连系统：采用换热器将全部或部分用户侧水路与冷水机组水路分隔的水系统。当系统规模较大、用户比较分散时，采用间连系统便于系统调节，减少各部分之间的相互影响，各部分都可以保持较高的运行效率。在高层建筑中，利用间连系统进行高低分区以解决系统的承压问题;还可以根据空调负荷特性进行功能分区，以设计出更为高效的水系统。因此，间连系统在大型建筑和超高层建筑(高度大于100m)的空调系统中应用比较普遍。设计间连系统时，各个系统都必须分别设置其定压、补水系统或装置。10.1空调水系统2、冷水系统异程系统和同程系统——根据每个空调末端水的流程是否相同异程系统：每个用户的冷水流经管道的物理长度不相同的系统为异程系统。异程系统需要的主干管路较短，可以节省管道的初投资及管路占用空间，但是各用户的压力损失相差较大，需使用调节阀门平衡各个用户之间的压力损失，保证每个末端用户都能够得到需要的水量供应，因此水系统设计和初调节的工作相对复杂。10.1空调水系统2、冷水系统同程系统：每个用户的冷水流经管道的物理长度相同的系统为同程系统，同程系统的优点是流经各终端用户的压力损失比较接近，设备各个末端的阻力特性比较相似，有利于水力平衡，可以简化水系统设计并减少系统初调节的工作量。10.1空调水系统2、冷水系统两管制系统、三管制系统和四管制系统——根据供回水主干管数目不同两管制系统：在两管制系统中，用户端只接人一根供水管和一根回水管，夏季管内走冷水，冬季管内走热水，只能对所有房间进行供冷或者供热，故难以保证部分用户在过渡季的室温需求。10.1空调水系统2、冷水系统三管制系统：在三管制系统中，用户端接入两根供水管和一根回水管，两根供水管分别走冷水和热水，可以同时对不同房间进行供冷或供热，但是由于共用-根回水管，存在较大的冷热掺混损失。10.1空调水系统2、冷水系统四管制系统：在四管制系统中，用户端接人两根供水管和两根回水管，分别走冷水和热水，冷水管路和热水管路互补掺混，可同时对不同房间进行供冷或供热，但系统结构复杂，初投资较大。10.1空调水系统2、冷水系统一次泵系统和二次泵系统——根据水泵克服系统阻力要求不同一次泵系统：在一次泵系统中，用一级冷水泵克服冷水机组蒸发器、输配管路以及末端设备的全部沿程阻力和局部阻力。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。10.1空调水系统2、冷水系统二次泵系统：在二次泵系统中，用一次泵克服冷水机组蒸发器及其前后管道、部件的阻力，用二次泵克服用户侧(即输配管路以及末端设备)的阻力。一次环路负责冷水的制备，二次环路负责冷水的输配。10.1空调水系统2、冷水系统变水量系统和定水量系统：定水量系统：在定水量系统中，总的用户侧水流量相对恒定而不随时间变化，通过改变冷水供、回水温差或调节末端风机转速等方式来适应空调房间的冷负荷变化。定水量系统的用户侧末端一般无水流量控制装置或采用电动三通阀。10.1空调水系统2、冷水系统变水量系统和定水量系统一次泵系统：变水量系统：系统供回水温度保持定值，负荷改变通过供水量的变化来适应。在变水量系统中，用户侧末端装置一-般采用电动阀连续调节所需水流量，或用双位式电动阀或电磁阀调节启闭时间以满足各自的负荷需求，故用户侧的总水量实时发生变化。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—一次泵定水量系统一次泵定水量系统的总循环水量主要取决于水泵的开启台数。空调末端各用户的负荷变化及电动三通阀调节作用对整个冷水系统的水力特性影响较小，各用户和整个系统的水力工况稳定，系统运行也比较稳定。在部分负荷时，系统根据回水温度调节冷水机组和水泵运行台数来满足用户侧的空调负荷需求，但是在冷水机组台数不变时，系统会运行在大流量、小温差工况，水泵能耗相对较高。因此，一次泵定水量系统适用于小型空调系统，尤其是空调用户负荷特性比较一致的情况。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—一次泵定水量系统冷水机组和水泵的连接方式可以为“一机一泵”、“多泵共用”和“多泵备用”三种形式。在“一机一泵”形式中，冷水机组与泵一对应，并进行联锁控制；在“多泵共用”形式中，并联水泵与并联冷水机组串联，冷水机组与泵也可以进行联锁控制以保证系统的安全运行。在泵发生故障时，可以互相备用。在“多泵备用”形式中，冷水机组与泵仍一一对应，并进行联锁控制以保证系统的安全运行;但是在各台泵与冷水机组之间设置旁通水管和阀门，在泵发生故障时，可打开旁通阀门，为运行中的冷水机组供水。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—一次泵变水量系统在一次泵变水量系统中，用户侧一般采用ON/OFF控制的电磁阀或能连续调节流量的电动阀，故每个用户末端的调节作用都会影响用户侧的总流量。但机房侧的总水流量仍取决于冷水机组与水泵开启台数(若为变频调速水泵还取决于水泵的运行频率)。用户侧总水流量和冷水机组侧的总水流量并不总保持一致，因此要在分水缸和集水缸之间设置旁通管，旁通管上电动阀的开度根据分水缸和集水缸之间的压差进行调节。这样既可以实现冷水机组的冷水流量保持在额定流量，又可以使得用户侧的冷水循环量和空调负荷相适应。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—一次泵变水量系统控制方法：温差控制法：当用户侧在部分负荷运行时，由于各个空调末端的调节作用，使得用户侧的总循环水量变小，与冷水机组侧总循环水量的差距较大，需要将一定量的水从旁通管上流过，以平衡用户侧的循环水量和冷水机组侧的循环水量。当大量的冷水从分水缸通过旁通管直接流回集水缸时，它与从用户侧返回的冷水混合，再通过回水干管流回水泵和冷水机组，旁通水量越大，回水温度越低。根据干管回水温度或冷水机组的供回水温差，对冷水机组和水泵台数(或转速)进行控制。但是，泵的台数减少或泵的转速降低，会使总供水量减少，供水压头也同步变小。如果各空调用户负荷率不一致，高负荷率的空调用户的资用压头则不够，即使阀门全开仍不能得到足够的水流量，系统会出现一定程度的水力失调。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—一次泵变水量系统控制方法：压差控制法：压差控制是利用测定点压差值的变化来控制水泵的供水量，压力的传递速度快，因而压差控制反应较快。目前的冷水系统主要采用末端压差控制法和干管压差控制法。末端压差控制法：为了能够保证每个用户的空调负荷需求，需要保证最不利回路上的空调用户也有足够的压头，即采用末端压差对水泵开启台数或水泵转速进行调节，这样可以使得最不利回路中空调用户的阀门全开，整个水系统的阻力较小，有比较理想的节能效果。干管压差控制法：根据冷水系统的水力分析，各空调用户(尤其是最不利回路空调用户)的资用压差与供回水干管压差有一定的对应关系，可以采用供回水干管压差对水泵台数或水泵转速进行调节。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—一次泵变水量系统控制方法：定压差控制法：由于在系统运行过程中，当最不利回路运行于部分负荷时，所需水量和资用压头也都有所下降，若采用定压差控制，最不利回路上的阀门则不能完全打开，仍有一定的压头损失，故整个水系统的阻力变大。虽然定压差控制法的节能效果有所降低，但是控制策略简单，可靠性强，易于设计和实际运行控制，因此应用比较广泛。变压差控制法：根据系统中当前最不利回路对压头和水量的需要，在该回路上末端用户阀门全开的情况下，对水泵台数或转速进行控制，可以实现最佳的节能效果。但是变水量系统必须对系统的水力工况进行实时监控，在空调的工程设计和运行控制上实现比较困难。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—二次泵变水量系统在空调系统规模较大、各个空调分区也较大且负荷特性并不完全一致的情况下，可采用右图所示的二次泵变水量系统。与一次泵变水量系统相同，用户侧采用二通阀调节所需要的流量以满足各自的负荷需求;一次泵回路中的冷水机组和一次泵的控制与一次泵变水量系统的冷水机组侧控制相似，仍可采用干管压差控制法或温差控制法进行容量调节，以满足整个空调系统冷负荷的需求。由于每个二次泵回路中各用户的调节都会影响该回路的总流量和水力特性，因此二次泵回路中可采用调节水泵转速以满足该回路的空调负荷需求，实时降低二次泵系统的输配能耗。10.1空调水系统2、冷水系统典型冷水系统分析—二次泵变水量系统冷水机组和水泵的连接方式可以为“一机一泵”、“多泵共用”和“多泵备用”三种形式。右图为“多泵备用”形式的系统。与一次泵系统相比，二次泵变水量系统的节能潜力在于:在全年运行的绝大多数时间段内，用户侧所需流量小于冷水机组需要的流量。因此，降低用户侧的供水量(改变二次泵的运行台数或转速)可以节约二次泵的运行能耗。在多环路系统中，如果各环路的水阻力存在明显差别，那么各环路独立配置二次泵后，某些环路需要的总扬程(一次泵+二次泵)小于一次泵系统的扬程，水泵的总安装容量和运行能耗都有所降低。尤其是各二次泵回路使用时间不-致时，可以关闭不使用支路，以节省二次泵的能耗。10.1空调水系统3、冷却水系统直流式：采用自然水源，经过冷水机组的冷凝器后直接排走。混合式：采用深井水等较低水温的水源，经过冷水机组冷凝器后的冷却水一部分与新补充的低温冷却水混合后再送往各台冷水机组使用。循环式：经过冷水机组冷凝器后的冷却水在蒸发冷却装置中冷却后再送人各台冷水机组使用，只需少量补水即可直流式和混合式冷却水系统由于受水源条件的限制，并且水的消耗量非常大，不能广泛使用，而循环式冷却水系统特别是机械通风冷却循环系统是目前空调系统中应用最为普遍的系统形式。10.1空调水系统3、冷却水系统机械通风冷却循环系统主要由冷水机组冷凝器、冷却水泵、冷却塔、循环水管、补水装置及水质处理装置等组成。流出冷水机组冷凝器的冷却水由上部进入冷却塔，喷淋在塔内填充层上，以增大水与空气的接触面积，被冷却后的水从填充层流至下部水盘内，通过水泵再送人冷水机组冷凝器中循环使用。冷却塔顶部装有通风机，使室外空气以一定流速自下通过填料层，以加强冷却效果。10.1空调水系统3、冷却水系统在采用机械通风冷却循环的冷却水系统中，当系统中选用多台冷却塔时，根据冷却塔与冷水机组的连接方式，可以分为单元式冷却水系统、干管式冷却水系统和混合式冷却水系统三种。在干管式冷却水系统和混合式冷却水系统中，根据水泵与冷水机组的连接形式均有“一机一泵”和“多泵共用”两种形式。10.1空调水系统3、冷却水系统单元式冷却水系统：单元式冷却水系统是由一台冷水机组、一台水泵和一台冷却塔构成的最为简单的冷却水循环系统，三者联锁控制，流量分配合理，各个单元之间相互影响小，运行可靠性高;但是整个冷却水系统的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。10.1空调水系统3、冷却水系统干管式冷却水系统：管式冷却水系统的供、回水都采用集中于管形式(即“多机对多塔”)，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冷水机组部分负荷时的冷却塔风机能耗，故应用最广。但是，当冷却水泵只有一台或部分台数运行时，干管内水的流速将降低，使得冷却水系统的阻力降低，导致单台水泵的工作点偏移，流量大幅度超过其额定流量，效率降低，有可能引起水泵电动机超载或烧毁。10.1空调水系统3、冷却水系统混合式冷却水系统：在混合式冷却水系统中，冷水机组的供水(或冷却塔的出水)采用集中干管，其出水(或冷却塔的进水)采用“一机对一塔”形式，系统特征介于单元式和干管式之间。10.1空调水系统3、冷却水系统冷却水泵扬程确定：冷却水系统管路的沿程阻力和局部阻力。冷水机组冷凝器的水侧阻力(5-10mH20)。冷却塔内的进水管总阻力。喷嘴出口余压(约3m

H20)。水柱高差，即冷却塔喷嘴到集水盘液面的高差;若设置有冷却水池时，则为冷却塔喷嘴到冷却水池液面之间的高差。当冷却水系统设置冷却水池时，若设置在冷却塔附近，则接近闭式系统;若位于冷水机组附近，则为开式系统，冷却水泵的扬程必然增大。10.1空调水系统3、冷却水系统冷却水温度控制：冷却水温度控制原则：一般蒸气压缩式冷水机组的冷却水进水温度不宜低于15.6℃(不包括水源热泵等特殊设计机组)，否则容易引起冷凝压力过低、膨胀阀前后压差过小，导致蒸发器的制冷剂供液量不足，制冷量与能效比降低。吸收式冷水机组的冷却水进水温度不宜低于24℃，否则容易引起溶液结晶。由于冷却水温度降低时冷水机组的COP增大，因此只要在冷水机组允许的情况下，应尽量降低冷却水温度。在过渡季和冬季，冷却塔能够产生较低温度的冷却水，可以直接作为空调冷水用于供冷，但在其工程设计时必须采取措施，防止冷却塔、集水盘以及暴露在大气环境中的冷却水管出现结冰隐患。10.1空调水系统3、冷却水系统冷却水温度控制：冷却水温度控制方法：风机转速(变频)控制。在过渡季室外空气温度偏低或冷水机组运行台数较少或部分负荷率运行时，可以降低风机的转速以减少能耗，在多台冷却塔并联的冷却水系统中，可以同步降低各冷却塔的风机转速以降低能耗。冷却水旁通控制。冷却水温过低时，可以在冷却水供水、回水干管间设置旁通管，在保证冷水机组进口水温和流量稳定的情况下，减少流经冷却塔的水流量，以提高冷却水温度。控制冷却水温一方面是保证冷水机组的稳定、高效运行，另一面可降低冷却水系统能耗，如减少冷却塔运行台数、降低冷却塔风机转速都是良好的节能措施。此外，调节冷却水泵转速(变频控制)也具有一定的节能效果。10.1空调水系统4、空调水系统的应用案例——案例一10.1空调水系统4、空调水系统的应用案例——案例二10.1空调水系统10.2制冷机房的设计1、设计步骤计算制冷机房所服务的建筑总冷负荷制冷机房所服务建筑城区域的总冷负荷应根据相关设计规范进行计算确定，包括用户实际所需的制冷量以及冷水机组本身和供持系统的冷损失。用户实际所需的制冷量应由空调、冷冻或工艺有关方面提出，而冷损失般可用附加值计算，附加值的大小需根据相关设计规底的规定选取。确定技术方案和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，根据因地制宜、对等比较(使用功能对等、使用寿命对等、使用能源对等、舒适性对等、占地面积对等)原则，从多个技术方案中选择技术经济性良好的方案和机组的类型，包括制冷方式、制冷剂种类、冷器冷却方式等。1、设计步骤确定机组的容量和台数选择蒸气压缩式冷水机组时应从能耗、机组容量和调节性能等多方面进行考虑，宜根据冷水机组的名义工况性能、变工况性能和部分负荷性能指标及特点综合确定。单机名义工况制冷量大于1758kW时宜采用离心式:制冷量在1054-1758kW时，宜选用螺杆式或离心式;制冷量在116-1054kW时，宜选用螺杆式;制冷量小于116kW时，宜选用涡旋式。设计制冷机房时，一般选择2-4台制冷机组，台数不宜过多。除要求外，可不设备用机组。当总冷负荷较小时，也可选择1台冷水机组，但需要具有良好的容量调节能力。对于空调用制冷机房，目前一般选用冷水机组；对于冷冻冷藏用制冷机房，制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和其他辅助设备，可以选择成套设备或配套机组。10.2制冷机房的设计1、设计步骤设计水系统确定冷水和冷却水系统形式;选择冷水泵、冷却水泵和冷却塔的规格和台数，进行管路系统设计计算。设计制冷机房的自动控制系统根据冷水机组台数和容量、冷水和冷却水系统形式结合建筑的负荷分布特征，制订整个制冷机房及其子系统的控制策略，并设计其自动控制系统，以保证整个系统在各种工况下都能够高效运行，并进行能耗计量和相关数据显示。布置制冷机房根据制冷机房设计要求和设备布置原则布置机房的各种设备。10.2制冷机房的设计2、制冷机房小型制冷机房-般附设在主体建筑内，氟利昂制冷设备也可设在空调机房内。规模较大的制冷机房，特别是氨制冷机房，应单独修建。对制冷机房的要求制冷机房的位置应尽可能设在冷负荷中心处，力求缩短冷水管网。当制冷机房为该区域的主要用电负荷时，还应考虑靠近变电站。制冷机房应采用二级耐火材料或不燃材料建造。机房最好为单层建筑，设有不相邻的两个出入口，机房门窗应向外开启。机房应预留能通过最大设备的出入口或安装洞。氨制冷机房不应靠近人员密集的房间或场所(对于民用建筑，不能设置于建筑内)，以及有精密贵重设备的房间等，以免发生事故时造成重大损失。10.2制冷机房的设计2、制冷机房对制冷机房的要求空调用制冷机房，主要包括主机房、水泵房和值班室等。冷冻冷藏用的制冷机房，规模小者可为单间房屋，不做分隔;规模较大者，按不同情况可分隔为主机间(用于布置制冷压缩机)、设备间(布置冷凝器、蒸发器和高压贮液器等辅助设备)、水泵间(布置水箱、水泵)、变电间(耗电量大时应有专门变压器)，以及值班控制室、维修贮藏室和生活间等。房高应不低于3.2m,设备间也不应低于2.5m(净高度)。10.2制冷机房的设计2、制冷机房对制冷机房的要求氟利昂制冷机房应按机房面积设有不小于9.18㎡/(h·㎡)的机械通风和不少于7次/h的事故通风设备;氨制冷机房应有不少于12次/h换气的事故通风设备，排风机应选用防爆型。排风口应设置在容易泄漏制冷剂的设备附近，并有合理的气流组织。直燃吸收式制冷机房机器配套设施的设计应符合国家现行的有关防火及燃气设计规范的规定。此外，制冷机房还应设置给水与排水设施。在采暖地区，在冬季需保证使用的制冷机房的采暖温度高于16℃，冬季设备停运时，为防止水系统冻结，其值班温度不应低于5℃。10.2制冷机房的设计2、制冷机房制冷机房的设备布置机房内的设备布置应保证操作和检修的方便，同时要尽可能使设备布置紧凑，以节省建筑面积。冷水机组的主要通道宽度以及冷水机组与配电柜的距离应不小于1.5m;冷水机组与冷水机组或与其他设备之间的净距离不小于1.2m;冷水机组与