空调水系统设计技术要领

空调水系统设计技术要领空调水系统设计是中央空调系统的核心技术环节，其合理性直接决定系统的运行效率、能耗水平与使用寿命。设计过程需综合考虑建筑功能、气候条件、设备性能及运维需求，通过科学计算与优化配置实现系统高效稳定运行。一、系统形式选择与分区规划空调水系统形式选择应基于建筑规模、负荷特性及运行管理要求综合判定。一次泵定流量系统适用于小型建筑或负荷稳定的场所，系统简单但调节性能有限，水泵能耗恒定。二次泵变流量系统通过一次泵保障主机流量恒定，二次泵根据末端需求变频调节，适用于大型公共建筑，可显著降低输送能耗。设计时需明确系统工作压力等级，高层建筑通常按1.0兆帕、1.6兆帕或2.0兆帕分级，超高层建筑可能需采用竖向分区或板式换热器间接连接方式。分区规划应遵循三个基本原则。第一，按朝向与内外区划分，东西向房间因日照负荷差异大宜独立成环路，内区常年供冷需与外区分设管路。第二，按楼层高度分区，每区高度控制在50米以内，避免静压过大导致末端设备承压超标。第三，按功能特性划分，如酒店客房、办公区域、商业裙房等，不同功能区的使用时间、温湿度要求差异显著，独立分区可实现灵活启停与精准控制。每个分区应设置独立的供回水干管、平衡阀门及能量计量装置，便于运行管理与能耗核算。设计参数确定需依据国家标准。民用建筑空调冷水供回水温度通常采用7摄氏度至12摄氏度，温差5摄氏度；热水供回水温度采用60摄氏度至45摄氏度或50摄氏度至40摄氏度，温差10摄氏度至15摄氏度。大温差设计（如7摄氏度至17摄氏度，温差10摄氏度）可减少水泵流量30%至40%，降低输送能耗，但需校核末端设备表冷器排数与除湿能力。设计时应根据项目特点进行技术经济比较，严寒地区冬季热水温度可适当提高至65摄氏度至55摄氏度。二、水力计算与管路平衡设计水力计算是确保系统流量分配合理、水泵选型准确的基础工作。计算过程分为四个步骤。第一步，确定各末端设备的设计流量，根据冷负荷与供回水温差计算，公式为流量等于负荷除以（水的比热容乘以温差），单位换算为立方米每小时。第二步，绘制系统轴测图，标注各管段长度、局部构件（弯头、三通、阀门等）位置。第三步，计算管径，按经济流速初选，主干管流速控制在1.5米每秒至2.0米每秒，支管流速0.8米每秒至1.5米每秒，对应比摩阻控制在100帕每米至300帕每米范围内。第四步，计算系统总阻力，包括沿程阻力与局部阻力，局部阻力可按当量长度法或局部阻力系数法计算，总阻力需附加10%至15%裕量。管路平衡设计是防止水力失调的关键措施。异程式系统因各环路长度不同易导致流量分配不均，设计时应采用同程式布置，使各末端环路总长度基本相等。当条件限制必须采用异程式时，需在每层回水干管或各末端设备回水管安装静态平衡阀，通过测量阀门前后的压差调节阀门开度，使各环路流量达到设计值的90%至110%。静态平衡阀的调节精度应达到±5%，并具备锁定功能防止误操作。动态压差平衡阀适用于变流量系统，可自动维持被控环路压差恒定，当其他环路调节时避免产生相互干扰。安装位置应在每组立管或每个分区回水总管上，设定压差值根据末端设备所需资用压头确定，通常为30千帕至50千帕。设计时需注意，动态压差平衡阀仅解决压差波动问题，不能替代静态平衡阀的初调节功能，两者应配合使用。系统调试应在清洗完成后、设备运行前进行，按主管、干管、支管顺序逐级调节，记录各阀门开度与流量数据形成调试报告。三、关键设备选型与配置冷水机组选型应优先选用能效比高的产品，电制冷离心式冷水机组性能系数不应低于5.5，螺杆式不应低于5.0，溴化锂吸收式机组热力系数不应低于1.2。设计时应根据建筑负荷特性确定机组台数与容量，大型项目宜选用3台至4台，单台容量按设计负荷的30%至40%选取，实现梯级调节与备用。机组应能在15%至100%负荷范围内高效运行，部分负荷性能系数IPLV应符合节能设计标准。冷凝器与蒸发器水侧阻力应控制在60千帕至80千帕以内，污垢系数按0.086平方米摄氏度每千瓦考虑。冷冻水泵选型需精确计算流量与扬程。流量按设计冷负荷与供回水温差确定，附加5%至10%裕量；扬程为系统最不利环路总阻力，包括主机、末端、管路、阀门等阻力之和，附加10%裕量。水泵效率不应低于70%，宜选用变频调速泵，根据末端压差或温差信号自动调节转速。定压补水装置容量按系统水容量的1%选取，补水泵流量按系统水容量的2%至3%计算，扬程应满足最高点压力加30千帕至50千帕。膨胀水箱最低水位应高于系统最高点1米以上，有效容积按系统水温变化引起的水体积膨胀量计算。冷却塔选型依据冷凝器散热量，散热量等于制冷量加压缩机功耗，通常按制冷量的1.2倍至1.3倍选取。冷却塔逼近度（出水温度与湿球温度之差）应按设计工况选取，一般为3摄氏度至5摄氏度，湿球温度应采用当地空调室外计算参数。冷却塔风机宜采用变频控制，根据冷却水回水温度调节风量，冬季或过渡季节可实现低温冷却水免费供冷。冷却水泵扬程应包括冷却塔提升高度、主机冷凝器阻力及管路损失，提升高度按冷却塔集水盘最低水位至布水器高度差计算。四、管路布置与安装技术要求管路布置应遵循短直、整齐、便于维修的原则。主干管宜沿管井、吊顶或设备层敷设，避免穿越结构变形缝，必须穿越时应采取柔性连接或设置补偿器。管道与梁、柱、墙的最小净距应满足施工与检修要求，保温管外壁距结构表面不小于100毫米，非保温管不小于50毫米。管道穿墙或楼板应预埋套管，套管直径比管道大两号，间隙用柔性不燃材料封堵，穿防火墙时两侧2米范围内管道保温材料应采用不燃材料。坡度设置是确保系统排气与排水顺畅的关键。水平供回水干管应设置0.002至0.003的坡度，坡向立管或集水器，最高点设自动排气阀，最低点设排水阀。立管与水平干管连接应采用顺水三通或45度弯头，避免90度直角连接增加局部阻力。当管道直线长度超过40米时，应设置金属波纹补偿器或方形补偿器，补偿量按管道热膨胀量计算，固定支架应能承受管道热胀冷缩产生的推力。保温设计需根据介质温度与环境条件确定。冷水管道保温层厚度按防止结露与限制热损失双重标准计算，通常采用橡塑海绵或聚氨酯发泡材料，管径小于等于DN100时厚度不小于30毫米，大于DN100时不小于40毫米。热水管道保温主要考虑节能，厚度按经济厚度法计算，一般不小于40毫米。室外架空管道应采用镀锌钢板或铝合金板做保护层，厚度0.5毫米至0.8毫米，搭接宽度不小于50毫米。阀门、法兰等附件必须单独保温，避免形成冷桥。五、水质处理与防腐设计水质管理是保障系统长期高效运行的基础。空调水系统补充水应符合生活饮用水标准，悬浮物不大于10毫克每升，总硬度不大于300毫克每升（以碳酸钙计），pH值6.5至8.5。系统运行中应控制水质指标，冷水系统总铁不大于1.0毫克每升，总铜不大于0.1毫克每升，细菌总数不大于1000个每毫升。热水系统因温度较高，溶解氧不大于0.1毫克每升，否则加速金属腐蚀。水处理措施应根据水质分析结果确定。当硬度超标时，应设置全自动软水器，采用钠离子交换树脂，出水硬度控制在50毫克每升以下。对于开式冷却水系统，因与空气接触易滋生藻类与细菌，必须设置加药装置，投加缓蚀阻垢剂与杀菌灭藻剂，加药量根据水质监测结果自动调节。闭式冷冻水系统可投加环保型缓蚀剂，在金属表面形成保护膜。加药点应设在补水管或循环泵吸入口，确保药剂均匀混合。腐蚀机理与防护需从材料选择入手。碳钢管在低pH值、高溶解氧环境下易发生电化学腐蚀，设计时应优先选用镀锌钢管或无缝钢管，焊接连接时应对焊缝进行防腐处理。铜管具有良好的耐腐蚀性，但流速过高会导致冲刷腐蚀，设计流速不应超过2.0米每秒。不锈钢管适用于水质较差或对卫生要求高的场所，但氯离子含量超过200毫克每升时易发生点蚀。不同金属连接时应采取电绝缘措施，防止电偶腐蚀。系统初次运行前应进行化学清洗，去除管道内油污与焊渣，清洗后应进行钝化处理。六、自动控制策略设计空调水系统自动控制应实现安全保护、节能运行与便捷管理三重目标。控制策略设计包括三个层次。第一，设备级控制，冷水机组自身配备的微电脑控制器可根据负荷自动调节压缩机容量，监测蒸发压力、冷凝压力、油温等参数实现安全保护。第二，系统级控制，通过可编程逻辑控制器或建筑设备监控系统，实现冷水机组、水泵、冷却塔的顺序启停与联锁控制，开机顺序为冷却水泵、冷却塔风机、冷冻水泵、冷水机组，停机顺序相反。第三，优化级控制，根据室外气象参数、负荷预测及电价政策，自动调整供水温度设定值、水泵运行台数及冷却塔运行策略。压差控制是变流量系统的核心。应在系统最不利环路末端供回水管之间设置压差传感器，测量值与设定值（通常为30千帕至50千帕）比较后，通过PID调节算法控制冷冻水泵变频器频率，维持末端资用压头恒定。当系统有多台水泵并联时，应根据流量需求自动增减运行台数，台数切换点应按水泵高效区范围设定，避免频繁启停。冷却水系统宜采用出水温度控制，当冷却水回水温度高于设定值时，优先加大冷却塔风机风量，若仍不能满足则再启动备用冷却塔。传感器布置应保证测量准确可靠。温度传感器应插入管道中心，并安装在流体充分混合的直管段，避免安装在弯头、三通附近，插入深度不小于管道直径的1/3。压力传感器应安装在无涡流、无冲击的管段，取压孔应垂直于管道内壁。流量传感器宜选用电磁流量计或超声波流量计，安装位置需满足前10倍后5倍管径的直管段要求。所有传感器信号应接入中央监控系统，实现数据实时显示、历史记录与故障报警功能。七、节能优化与新技术应用大温差设计是降低输送能耗的有效手段。将冷水供回水温差从5摄氏度提高至8摄氏度至10摄氏度，在相同冷负荷下循环水量减少37.5%至50%，水泵功耗按三次方关系下降，节能效果显著。实施大温差设计时，需选用专门设计的低温差末端设备，增加表冷器排数至6排至8排，并校核除湿能力是否满足室内湿度要求。热水系统采用大温差（如15摄氏度至20摄氏度）可减少管道投资与热损失，但需评估末端散热器或风机盘管的供热能力。变频调速技术应根据负荷变化特性合理应用。冷冻水泵变频节能率与流量减少率呈非线性关系，当流量在60%至100%范围内调节时，功耗约为额定功耗的22%至100%。设计时应避免水泵长期在低频率（小于30赫兹）运行，否则效率急剧下降且电机散热不良。冷却塔风机变频可实现无级调节，在部分负荷时保持冷却塔逼近度最优，提高冷水机组效率。变频器的谐波干扰需采取治理措施，如加装电抗器或滤波器，避免影响其他电子设备。免费供冷技术适用于过渡季节与冬季。当室外湿球温度低于8摄氏度时，可停止冷水机组运行，直接利用冷却塔制备低温冷却水，通过板式换热器间接为内区提供冷量。设计时需增大冷却塔容量与换热面积，冷却水供水温度可低至5摄氏度至7摄氏度，末端需采用低温供水设备。热回收技术可同时满足供冷与供热需求，如采用热回收型冷水机组，在制冷的同时利用冷凝热制备生活热水，综合能效比可达7.0以上。设计时应优先满足冷负荷需求，热回收量按实际热水需求校核，避免主机长期低效