水系统丨地（水）源热泵空调系统设计全解析（上）

　　地热能交换系统主要形式：

　　水平埋管：

　　优点：室外施工费用相对较低;

　　缺点：室外占地面积较大。

　　一般适用于小型的而且具有足够占地面积的地方。

　　垂直埋管：

　　优点：运行及维护费用低，占地面积较小，冬季无需辅助热源，不产生任何污染，节能效果明显。

　　缺点：初投资费用稍高。

　　地表水：

　　优点：运行及维护费用低，无需占用土地，室外施工费用低，冬季无需辅助热源，不产生任何污染。

　　缺点：需临近较大面积水域，系统效率低于其他方式。

　　地下水：

　　优点：运行及维护费用低，室外施工费用较低，冬季无需辅助热源;无需占地，受建筑周围环境影响小;不产生任何污染;换热效率高，节能效果明显。

　　缺点：打井受政策限制，系统易受地下水源状况影响。

　　负荷计算：

　　在没有掌握具体空调房间的面积、性质、使用对象等情况下，仅知道整个建筑的面积，可通过建筑面积来估算确定空调负荷。

注：

　　1.上述指标为总建筑面积的冷负荷指标,建筑物总面积小于5000m2时，取上限值;大于10000m2时，取下限值。

　　2.按照上述指标确定的冷负荷，即是制冷机容量，不必再加系数。

　　3.博物馆可参考图书馆，展览馆可参考商店，其他建筑物可参考类似的建筑。

　　4.由于地区差异较大，上述指标以北京地区为准，南方地区可按上限采取。

　　5.全年用空气调节系统冬季负荷可按下述方法估算：北京地区为夏季冷负荷的1.1～1.2倍，广州地区为夏季冷负荷的1/3～1/4。

　　在需要进行工程方案的初步设计及报价时，可通过下表对空调负荷进行估算：

　　以下为《技术措施》部分具有代表性的单位面积空调负荷估算指标。

　　在做施工设计时，必须进行详细的负荷计算，且详细的负荷计算有利于准确确定空调的初投资和保证良好的运行效果。所以详细的负荷计算在设计时是非常有必要的。空调负荷详细计算通常由以下几部分组成：

　　首先我们对由于围护结构传热产生的冷负荷进行计算，建筑的围护结构一般分为内围护和外围护结构，与室外空气接触的围护结构被称为外围护结构，顾名思义，内围护结构就是与建筑内其他相邻房间的间隔结构。这两项在负荷计算中要分别进行计算!

　　1.外墙冷负荷：

　　要计算通过外墙的传热负荷通常要知道外墙的结构类型、外表面颜色、传热系数以及其朝向。具体可按当地的节能标准取数。

　　2.外窗冷负荷：

　　外窗冷负荷与外墙冷负荷不同，它包含两部分，由于温差传热形成的负荷与由于太阳辐射所形成的负荷。

　　1)温差传热负荷

　　计算公式：Qc=K×F×Δt

　　K-窗的传热系数 W/m²˚с

　　F-窗的面积 m²

　　Δt-计算时刻的负荷温差˚с

　　计算时需确定的原始参数为：窗的面积，窗的传热系数。

　　2)太阳辐射负荷

　　Q=F×Xg×Xd×Jwt

　　Xg-窗户的构造修正系数;

　　Jwt-计算时刻下，透过无遮阳设施外窗的太阳总辐射强度 W/m²;

　　地点修正系数：

　　计算时需确定的原始参数为：窗的种类，窗玻璃遮挡系数，窗玻璃内遮阳系数，窗的阴影面积。

　　3.人体冷负荷

　　人体散热形成的冷负荷和散湿量按下式计算：

　　1)人体散热冷负荷

　　CLr=n×(q1×C+q2)×Cr

　　CLr-人体散热形成的冷负荷

　　n-空气调节房间内的人数(人)

　　q1-每个人散发的显热量(W)

　　q2-每个人散发的潜热量(W)

　　C-人体显热散热冷负荷系数 该系数取决于人员在室内的停留时间及由进入室内时算起至计算时刻的时间。对于人员密集的场所，如电影院、剧场、会堂、体育馆等，可取1;24h内室温不能保持恒定(夜间停止使用)，取1。

　　Cr-群集系数

　　2)Wr=n×W×Cr

　　n-空气调节房间内的(人)

　　W-每个人的散湿量 g/h

　　Cr-群集系数

　　4.照明冷负荷

　　照明散热形成的冷负荷可根据照明器材的类型及安装方式的不同，按下式计算：

　　1)白炽灯

　　CL1=N×N1×Ccl1

　　2)明装荧光灯(镇流器安装在空调房间内)

　　CL1=(N1+N2)×n1×Ccl1

　　3)暗装荧光灯(灯管安装在顶棚的玻璃罩内)

　　CL1=N1×n1×n2×Ccl1

　　式中：

　　CL1-照明散热形成的冷负荷(W)

　　N-白炽灯的功率(W)

　　N1-荧光灯的功率(W)

　　N2-镇流器的功率(W)，一般取荧光灯功率的20%;

　　n1-灯具的同时使用系数

　　n2-考虑灯罩玻璃反射，顶棚内通风等情况，当荧光灯上部有小孔时，取 n2=0.5-0.6,灯罩上无孔时，视顶棚通风情况取0.6-0.8。

　　Ccl1-照明散热形成的冷负荷系数。

　　室内照明及人员密度估算指标：

注：摘自全国民用建筑工程设计技术措施《暖通空调.动力》。

　　5.渗透空气冷负荷

　　通过外门开启及围护结构缝隙渗入室内的空气量按可按下述方法计算：

　　(1)由于外门开启而渗入的空气量G1按下式计算：

　　G1=n*Vm*γw

　　式中：G1—由于外门开启而渗入的空气量(kg/h);

　　n——每小时的人流量(人次/h);

　　Vm——外门开启一次(包括出入各一次)的空气渗入量[m3/(人次.h)]，按下表选用;

　　γw——室外空气密度(kg/m3)。

　　Vm值[m3/(人次.h)]

注：摘自全国民用建筑工程设计技术措施《暖通空调.动力》

　　(2)通过围护结构、门、窗渗入室内的空气量G2可按换气次数估算：

　　G2=V*Φ*γw

　　式中：G2——围护结构、门、窗缝隙渗入室内的空气量(kg/h);

　　Φ——每小时的换气次数，与房间容积和门、窗的多少有关，一般可按下表估算;γw——室外空气密度(kg/m3)。

　　中央空调系统水系统设计：

　　下面以一个简单的水系统流程图来介绍什么是中央空调的水系统及其原理：

　　原理图(流程图)：

　　由上图可知，地源热泵空调水系统通常由以下几部分组成：

　　地(水)源热泵机组，末端设备，水系统附属设备(水泵、冷却塔、集、分水器(无系统分区时无此设备)、膨胀水箱(高位及落地式两种)、水处理装置、全自动软化装置)，水系统(负荷、源侧)管路及其附件。

　　(一)地(水)源热泵机组：

　　1.根据建筑的空调面积和房间功能进行空调冷负荷计算。

　　2.统计建筑空调总冷负荷Q。

　　3.大部分建筑需要考虑房间的同时使用率，一般建筑的同时使用率为 85~90%，特殊情况需根据建筑功能和使用情况确定。

　　4.制冷机组冷负荷=建筑空调总冷负荷*同时使用率。根据计算的制冷机冷负荷即可选择制冷主机。制冷主机用在政府会堂等重要建筑时，应考虑备用。

　　5.当实际工况与水源热泵机组额定工况不同时，应进行修正后再做校核。

　　(二)末端设备选择

　　风机盘管的选择：

　　风机盘管有两个主要参数：制冷(热)量和送风量，故选择风机盘管有如下两种方法：

　　(1)房间循环风量=房间面积×层高(吊顶后)×房间换气次数。

　　利用循环风量对应风机盘管中速风量，即可确定风机盘管型号。

　　若产品未提供不则风速下的客定值数据时，可参考下表进行换算：

　　(2)房间所需冷负荷=房间的计算瞬时大冷负荷(估算时，房间单位负荷×房间面积)

　　利用房间冷负荷对应风机盘管中速风量时的制冷量即可确定风机盘管型号。确定型号以后，还需确定风机盘管的安装方式(明装或暗装)，送回风方式以及水管连接位置(左或右)等条件。

　　当出风管较长时，选型时要注意校核机外余压是否能满足工程实际需要。

　　注：风机盘管冷量测定工况：干球温度27℃，湿球温度19.5℃，进出水温差5℃。

　　热量测定工况：干球温度21℃，进水温度60℃。

　　对于一般的住宅和办公建筑，房间面积较大时应考虑使用多个风机盘管;房间单位面积负荷较大，对噪音要求不高时可考虑使用风量和制冷量较大的风机盘管。

　　空气处理机组的选择：

　　空气处理机组主要用于处理室内空气和供新风，一般有回风工况和新风工况两种工作状态。

　　空气处理机形式：

　　一般有吊顶式和落地式两种。落地式包括立式和卧式两种。另外机组的送回风方式也有多种情况。根据建筑情况和建筑业主的要求进行终的确定。

　　空气处理机选型步骤：

　　空气处理机组的选择一般由下列几个主要参数决定：风量、冷量、机外余压和噪声。

　　①先根据系统需要的风量确定空气处理机组的型号。

　　②然后根据需要提供的冷量来决定其排管数。

　　③根据系统需要的余压要求确定余压。

　　④根据环境的噪音值与室内之差，做好防噪措施。

　　(三)水系统附属设备

　　Ⅰ.水泵及其选型

　　一般来说，空调水系统采用的均为离心式水泵，因为其压头和流量都比较容易满足水系统的要求。安装形式上分为立式泵及卧式泵，从水泵构造上分单吸泵及双吸泵。

　　卧式泵是目前常用的空调水泵，其结构简单，造价相对低廉，运行的稳定性好，噪音较小，减振设计方便，维修比较容易，缺点是占用一定面积。

　　立式泵：当机房面积较为紧张时，立式泵体现出其占地面积较小的优势，通常其电机设于水泵的上部。运行稳定性不如卧式泵，减振设计相对困难。另外，维修难度也比卧式泵大一些。

　　第一步：水泵流量的确定

　　冷冻水水流量：为所对应的冷水机组的冷冻水流量，计算水泵流量应附加5%～10%的裕量，或根据如下公式进行计算。

　　其中：

　　L为冷冻水水流量，m3/h;

　　Q为乘以同时使用率后的总冷负荷，kw;

　　△t为冷冻水进出水温差，℃，一般取4.5～5。

　　冷却水水流量：为所对应的冷水机组的冷却水流量,计算水泵流量应附加5%～10%的裕量，或根据如下公式进行计算。

　　其中：

　　L为冷却水水流量，m3/h;

　　Q1为乘以同时使用率后的总冷负荷，kw;

　　Q2为机组中压缩机耗电量，kw;

　　△t为冷却水进出水温差，℃，一般取4.5～5。

　　补水水量：补水量为系统水量的1%～2%。

　　第二步：水泵扬程的确定

　　冷冻水泵扬程的确定：

　　1.制冷机组蒸发器水阻力：一般为5～7mH2O;(具体值可参看产品样本)

　　2.末端设备(空气处理机组、风机盘管等)表冷器或蒸发器水阻力：一般为4～6mH2O;(具体值可参看产品样本)

　　3.回水过滤器阻力，一般为3～5mH2O;

　　4.分水器、集水器水阻力：一般一个为3mH2O;

　　5.制冷系统水管路沿程阻力和局部阻力损失：沿程阻力一般为比摩阻(100～ 300Pa/m)每乘以管道长度.局部阻力为沿程阻力的50%。

　　综上所述，冷冻水泵扬程为上述阻力之和。

　　冷却水泵扬程的确定：扬程为冷却水系统阻力+冷却塔积水盘至布水器的高差+布水器所需压力。

　　补水泵扬程的确定：扬程为定压点与高点距离+水泵吸水端和出水端阻力+3～5mH2O的富裕扬程。

　　水泵并联运行情况：

　　由上表可见：水泵并联运行时，流量有所衰减;当并联台数超过3台时，衰减尤为厉害。故建议：

　　1.选用多台水泵时，要考虑流量的衰减，一般附加5%～10%的裕量。

　　2.水泵并联不宜超过3台，即进行制冷主机选择时也不宜超过三台。

　　3.大中型工程应分别设置冷、热水循环泵。

　　Ⅱ.冷却塔及其选型

　　冷却塔按形式分为逆流式，横流式，引射式及蒸发式(闭式)冷却塔。按外形分为圆形与方形。

　　常用冷却塔的工作原理图：

　　逆流式冷却塔：

　　(1)进风与出风口具有较大的高差，因而进出风不易短流，能保证吸入空气温 度较低。

　　(2)逆流塔的热交换效率是高的。

　　(3)圆形逆流塔的进风百叶可沿圆周布置，方形塔也可在四周布置，因此进风较均匀，冷却效果好。

　　(4)外形尺寸上，圆形塔直径比同样性能的方形塔大，边长也更大一些，由于这些原因，受占地面积限制圆形塔的使用场合受到一定影响。

　　横流式冷却塔：

　　横流式冷却塔的热交换效率不如逆流塔，进风与出风口的高差也比逆流塔小得多，如果出风口处受到某种气流或其他物体的影响和阻碍，会使进风与出风出现短流现象。另横流塔进水口一半在塔体顶部，因此通常要求塔上方有水平干管，管道布置稍有困难。

　　引射式冷却塔：取消了冷却风机，而采用高速的水通过喷水口射出，从而引射一定量的空气进入塔内进行热交换而冷却。没有风机等运转设备，可靠性高，稳定性好，噪声比其他类型的冷却塔低，缺点是设备尺寸偏大，造价相对较贵;同时，由于射流流速的要求，它需要较高的进塔水压。

　　蒸发式冷却塔(闭式冷却塔)：

　　冷却水系统为-全封闭系统，对水质的保证性能较好，不易被污染，杂质也不会进入冷却水系统中，另一个优点就是在室外温度较低时(过渡季节)可以把它当成一个蒸发冷却式制冷设备，使冷却水直接当做空调系统的冷却水使用。从而减少机组的运行时间，但其电耗大，进塔水压要求较高。

　　冷却塔的设计选型：

　　1、冷却塔台数与制冷主机的数量应一一对应，可以不考虑备用;

　　2、冷却塔的能力大多数为标准工况下的出力(湿球温度28℃，冷却水量32℃/37℃)，由于地区差异，夏季湿球温度会不同，应根据厂家样册提供的曲线进行修正。湿球温度可查当地气象参数获得。

　　3、当无冷却塔修正曲线时，可以按冷却水流量附加一定余量。如冷却塔的水流量=冷却水系统水量×(1.2～1.5);

　　4、冷却塔与周围障碍物的距离应为一个塔高。

　　举例：假设空调系统冷却水量为160m3/h，当地湿球温度28℃，冷水进出温度32℃/37℃，那么冷却塔的冷却水量=160×1.2=192m3/h，根据就近原则，选择冷却塔参数表中冷却水量为200m3/h的冷却塔。

　　Ⅲ.集、分水器：

　　多于两路供应的空调水系统，宜设置集分水器。

　　对于小型风冷模块工程，水环路无需分区的工程，不用设置集分水器。

　　对于中大型工程，水环路需要分区的工程，需要设置集分水缸。

　　集、分水器的直径应按总流量通过的断面流速(0.5-1.0m/s)初选，并应大于大接管开口直径的2倍。

　　Ⅳ.膨胀水箱及其选型：

　　高位膨胀水箱+电子水处理仪：此套设备应用于所在地水质比较好，系统比较简单，要求造价比较低的方案。但冬天需要对膨胀水箱采取保温措施。

　　软化水装置+闭式膨胀水箱+电子水处理仪：此套设备应用于系统比较复杂的水系统，也是比较常见的补水装置。

　　闭式膨胀水箱主要起系统定压作用。

　　高位膨胀水箱的选择(开式)：

　　膨胀水箱的有效容积为膨胀水量Vp与调节水量Vt之和，即V=Vp+Vt

　　膨胀水量：Vp=a·Vc·△t

　　a-水的膨胀系数，取0.0006;

　　Vc-系统的水容量(L);

　　△t-水的平均温差，冷水取15，热水取45。

　　估算膨胀水量Vp：冷水约0.1L/KW，热水约0.3L/KW。

　　调节水量Vt为补水泵3min的流量，且保持水箱调节水位不小于200mm。

　　低水位应高于系统高点0.5m以上。

　　落地式膨胀水箱的选择(闭式)：

　　1)总容积：V=Vt/(1-β)

　　Vt-调节水量，同开式膨胀水箱(m3);

　　β-系数，一般β=0.65~0.85，当P2允许时，尽可能取小值。

　　2)工作压力：

　　a)补水泵启动压力P1(mH2O)，大于系统高点0.5m。

　　b)补水泵停止压力P2(mH2O)，P2=(P1+10)/β-10，P2取值应保证系统不超压。

　　c)电磁阀开启压力P3=P2+(2~4)m

　　d)安全阀开启压力即膨胀罐大工作压力P4=P3+(1~2)m，且不超过系统中设备的允许工作压力。

　　Ⅴ.水处理装置：

　　电子水处理仪按实际计算流量选择，“Y”形过滤器按其所在管段的管径选择。

　　Ⅵ.全自动软化装置：

　　当工程所在地水质较硬或是系统较大的时候，系统的循环水和补水好是软化水，该空调系统必须配置水软化装置，一般选用全自动软化水装置。

　　全自动软化水装置的选用：

　　一般按照系统补水量进行选择。补水装置可以根据实际情况来选(装置小，系统补水时间长;装置大，系统补水时间短)。软化水经处理后储存在软化水箱内，软化水箱的容积通常取补水泵0.5~1.0小时的水量。

　　未完待续，下期继续《水系统管路及其附件》介绍....