水系统丨地（水）源热泵空调系统设计全解析（下）

水系统丨地（水）源热泵空调系统设计全解析（上）

　　中央空调系统水系统设计：

　　(四)水系统管路及其附件

　　空调水系统中，常用水管有焊接钢管，无缝钢管，镀锌钢管及PVC塑料管几种。

　　焊接钢管与无缝钢管通常应用于空调冷，热水及冷却水管路，在使用之前，管道用进行除锈及刷防锈漆的处理。焊接钢管造价便宜，但其承压能力相对较低，一般常用于工作压力不大于1.6MPa的水系统中。无缝钢管价格略贵于焊接钢管，其承压较高，可采用不同的壁厚来满足水系统对工作压力的要求。

　　镀锌钢管从使用功能上可以满足冷冻水与冷却水系统的压力要求，所以在这些系统中大量使用。

　　空调冷凝水管也可采用近年新推出的PVC管材，其内表面光滑，流动阻力小，施工安装方便，也是一种值得推广的管材。

　　常用钢管的规格按公称直径排列如下：

　　DN15,DN20,DN25,DN32,DN40,DN50,DN65,DN80,DN100,DN125,DN150,DN200,DN250,DN300,DN350,DN400,DN450,DN500,DN550,DN600,DN650,DN700

　　注：冷媒(水、盐水、乙二醇水溶液)系统管道DN<50时采用焊接钢管或镀锌钢管，DN≥50时采用无缝钢管。

　　空调水系统附件主要包括：

　　(1)阀门：蝶阀、截止阀、平衡阀、球阀、闸阀。起调节作用的有截止阀和平衡阀，起关断作用的起调节作用的球阀、闸阀和蝶阀。

　　(2)水过滤器：在水系统中的孔板、水泵、换热器等设备的入口管道上，均应安设过滤器。

　　(3) 软接头：为了防止振动，在机组与进出口接管处和末端的进出水管处设置，通常采用金属软连接。

　　(4)补偿器：在水系统中，消除管道热胀冷缩产生的应力，通常为金属波纹管。

　　(5)自动排气阀：排除水管路系统中的空气，一般采用全铜的自动排气阀，且在其前面加球阀和闸阀。

　　(6)压力表：测试水系统压力，位于机组、水泵的进出水端和过滤器的进出水端。

　　(7)温度计：测试水系统温度，主机、换热器、末端、分集水器上。

　　水系统中水管路的设计：

　　(一)关于水系统

　　Ⅰ.水系统分类

　　空调水系统的划分方式：

　　(1)按系统定压方式划分，可分为开式系统(不常用)、闭式系统;

　　(2)按冷热水管道的设置方式划分，可分为双管制、三管制、四管制系统;

　　(3)按水量特性划分，可分为定流量、变流量系统;

　　(4)按水的性质划分，可分为冷冻水、冷却水、热水系统、冷凝水系统;

　　(5)按各末端设备的水流程划分，可分为同程式、异程式系统。

　　下面主要介绍同程式、异程式系统的原理及形式：

　　同程及异程式系统的特点：

　　同程式系统：各末端水阻力接近，有利于水力平衡，减少系统初调试工作量，但初投资高。

　　水流通过各末端的路程相同的水管路系统。

　　异程式系统：节省管道及其占用空间，对投资较为有利。

　　水流经每个末端的流程是不相同的。

　　Ⅱ.水系统的分区

　　1)按压力分区：

　　为了减少投资及减少对建筑本身的影响，空调系统通常以1.6MPa作为工作压力的划分界限，使水系统内所有设备和附件的工作压力都处于1.6MPa之下。考虑到水泵扬程大约在40m左右，因此，水系统的静压应在120m以下，对于目前的建筑来说，这相当于大约室外高度100m左右的建筑(地下室-10m左右)，当建筑高度较高，使得水静压大于1.2MPa时，水系统宜按竖向进行分区以减少设备承压。

　　2)按负荷性质分区：

　　按使用性质分区：各区域在使用时间，使用方式上有较大区别，这一点在综合建筑中较为明显，如酒店建筑中的客房与公共部分，办公建筑中的办公与公共部分等。公共部分本身象餐饮，商场、娱乐等在使用时间上也存在一定的区别。

　　按负荷固有性质分区：

　　负荷的固有特性当然与房间使用性质有一定关系，但影响更多的则是朝向及内外区方面。

　　从朝向上来说，南北朝向的房间由于日照不同，在过渡季节时的要求有可能不一致，东西朝向的房间由于出现负荷大值的时间不一致，在同一时刻也会有不同的要求。

　　从内外分区上看，外区负荷随室外气候的变化较为明显，而内区的负荷相对稳定，全年的供冷的时间较多。

　　(二)水管管路设计

　　冷冻水管管径计算：

　　由选取的各管段合适的水流速，并根据各管段水流量算出管径，并根据计算管径选取靠近的标准管径作为该段水管的管径。

　　L-水流量m3/s;d-水管内径，m;v-水流速 m/s。

　　注：此管径计算方法只能粗略估算，管径的计算需要水力计算。

　　水管压力损失的计算：

　　管道的摩擦压力损失(沿程阻力)：

　　λ--摩擦系数;d--管道直径;V--水流速度;ρ--水的密度;L--管道长度。

　　局部压力损失(局部阻力)：

　　￡--管道局部阻力系数。

　　水管压力损失=沿程压力损失+局部压力损失

　　冷凝水水管径确定：

　　冷凝水管路布置原则：

　　(1)空调冷凝水管应独立布置，不能与污水管相连;

　　(2)水平向冷凝水管的坡度应不小于0.01，并尽量缩短其长度，当长度较长时，根据实际情况设置悬挂结构，防止冷凝水管下垂;

　　(3)对于冷凝水盘位于空调机组内负压区时，在连冷凝水管时必须设置存水弯;

　　(4)采用集中排水方式时，应遵循“就近原则”，并尽量减少同一冷凝水水管所连接的空调机组的数量。

　　(5)由于冷凝水管路太长无法实现坡度时，可引入下层冷凝水管中排水，但要注意，引入管要斜插入下层冷凝管中。

　　连接空调末端的冷凝水水管径为末端自身的冷凝水水管径，汇流后的管径根据汇流管所连接的末端设备的总制冷量选择。

　　汇流后冷凝水水管径可参考下表选择：

　　例如：空调末端A机组冷负荷为25kw，B机组冷负荷为30kw，试确定A、B冷凝水汇总管管径。

　　则：机组A和B的总负荷为55kw，根据以上的表格，可查得冷凝水水管径为DN32。

　　空调风系统的设计：

　　送风量的确定→送回风形式的确定→风口形式及其选择→风管尺寸的计算→风管的形式及特点→新风系统的设计。

　　(一)送风量的确定

　　房间的送风量可以根据房间的冷负荷和空气处理前后的焓差值计算得出。

　　Gw =Qw /(iq-ih)

　　式中：Gw：房间所需风量，kg/s;Qw：房间冷负荷，kw;iq：空气处理前焓值，kJ/kg;ih：空气处理后焓值，kJ/kg。

　　通常在设计过程中，根据房间送风量来选择适当风量的末端装置。

　　(二)送回风形式的确定

　　与一些精度要求较高的工业建筑相比，高层民用建筑属于舒适性空调要求，其气流组织设计时一般不强调精度要求。但应注意以下三点：

　　1.尽可能保证室内参数的均匀性(特别是温度)

　　2.防止送、回风空气短流导致空调效果不良。

　　3.防止夏季时直接对人体吹冷风。

　　几种典型的气流组织形式：

　　此方式为高层民用建筑常用的一种空调气流组织方式，适合于全吊顶的房间。通常送风口采用散流器或条形风口，回风口采用百叶式风口或条形风口。

　　以冬季送热风为主的空气调节系统，当空气调节房间层高较高时，宜采用此方式。

　　上送下回方式在气流组织上比上送上回方式更为合理，室内空气参数均匀，不存在送、回风短流问题，也适用于净高较高的场所。但将占用一定的建筑面积，有时较困难。

　　侧送是另一种较多用于高层民用建筑的送风方式，通常都属于贴附射流，送风口采用条形或百叶式风口。

　　侧送风气流组织较好，人员基本处于回流区，因此舒适感好，但要求一个房间内有两个不同高度的吊顶(或通过走道与房间隔墙上的风口送入)。

　　(三)风口形式及选择

　　确定了送风量和气流组织，下一步则需设计风口尺寸、个数及位置。

　　Ⅰ.风口选型受到很多因素的制约：

　　(1)室内装修。

　　(2)空调房间的气流组织。

　　(3)风口的安装和连接形式。

　　Ⅱ.风口的类型和适用场所(主要介绍三种风口)

　　1.百叶式风口

　　(1)固定式百叶风口：风口叶片固定为某一个角度，此角度大于45度，用于空调回风口。

　　(2)单层百叶式风口：叶片可调的风口，既可作回风口，也可作送风口，用作送风口时，根据房间气流组织的要求可进行两个方向上的出风角度调整，可垂直或吊顶安装。

　　(3)双层百叶风口：当作为送风口时，可进行四个方向上调整出风气流的角度，其风量的调整范围也远远大于单层百叶风口。

　　(4)自垂式百叶风口：靠风口两端的空气压差打开或关闭，只能用于垂直安装。

　　要求必须保持一定的风速，如风速过小则打开角度太小，阻力系数过大，一般用在楼梯间正压送风。

　　2.散流器

　　(1)圆盘散流器：风阻系数较大，射程流程略小，气流组织属于平送贴附流型，比较适合于一些要求较高的房间的空调送风。

　　(2)斜片散流器：属于平送流型，贴附射流，其射流轴心速度衰减较慢，流程较长，可控制的范围较大。

　　3.喷口

　　高大空间的空气调节场所，如会堂、体育场、影剧院等，可采用侧送或顶送。有球型喷口、鼓型喷口、固定式喷口等。

　　Ⅲ.风口尺寸、个数的确定

　　实际工程设计中，对于风口尺寸和个数的确定，都是参照厂家提供的风口性能表来选择风口尺寸和确定个数的。一般按照风量、射程、颈部风速来确定。例如：

　　确定风口的个数时，在风口性能表中可查得适合参数的风口，比如射程、动压等，并且已知总的送风量，即可确定风口的个数。风口之间的间距一般在3~6米之间。

　　通过气流组织计算来校核风口尺寸和个数。

　　(四)风管尺寸的计算

　　合理采用管内的空气流速以确定风管截面尺寸，主要公式如下：

　　S=G/V

　　S-风管的截面积，m2(矩形风管S=长×宽，圆形风管S=лr2)

　　G-风道内的风量(m3/s)

　　V-风道内截面风速(m/s)

　　风道的宽高比一般为7，不超过10，也可根据实际情况而定。

　　例：某工厂风管内风量10000m3/h，该风管为低速送风系统的总管。试确定该风道的尺寸。

　　风管内风速查下表，查得总管和总支管V=6~9m，取7m，带入以上公式，得S=0.396m2。再根据常用风管规格表，确定风管尺寸800×500。

　　根据噪声和风管本身的强度，并考虑到运行费用进行设定，常用的风管的风速(见下表)。

　　风管和设备内的风速

　　钢板制矩形风管规格表

　　(五)风道阻力的计算

　　管道的摩擦压力损失(沿程阻力)：

　　λ--摩擦系数;Rs---管道水力半径(m)，RS=f/p(横截面/湿周);

　　V--空所气流速(m/s);ρ--空气的密度(Kg/m3);L--管道长度(m)。

　　局部压力损失(局部阻力)：

　　￡--管道局部阻力系数。

　　风管压力损失=沿程压力损失+局部压力损失

　　4.简略的估算法

　　对于一般通风系统，风管压力损失值⊿P=(Pa)可按下式估算：

　　⊿P=Pm L(1+K)

　　式中：Pm—单位长度风管的摩擦压力损失，Pa/m(一般为0.8~1.5Pa/m);

　　L—到运送风口的送风管总长度加上到运风口的风管的总长度，m;

　　K—局部压力损失与摩擦压力损失的比值。

　　弯头三通少时，取K=1.0~2.0;弯头三通多的场合，可取到K=3.0~5.0。

　　钢板制风道：可分为镀锌钢板与普通钢板;通常镀锌钢板的厚度不能太厚，一般不超过1.2mm，可在现场进行加工也可定制，施工方便。

　　无机玻璃钢风道：耐腐蚀，使用寿命长，强度较高的优点。其综合造价与钢板制风道基本相同，但使用时很难保证风道要求，选择时要慎重。

　　硅酸盐板风道：防火性能好，但综合造价较高，大范围的使用受到一定限制。

　　复合玻璃纤维风道：风道与保温材料合二为一，重量较轻，使用寿命长，消声性能好。但当尺寸较大时，强度不够，风道阻力也很大。另外如施工不好，漏风量较大。

　　软风道：施工简单，灵活方便，但其风阻力较大，容易损坏，对施工管理要求较高。

　　(六) 新风系统的设计

　　新风量的确定：

　　1、对于普通场合，可以根据每人占用面积来计算新风量：

　　计算公式：必要风量(m3/h)=A×面积/人均占有面积

　　A表示人均新风量(m3/h)根据房间功能级别不同，可参考下页表中数据：

　　一般室内人均占有面积估算值：

　　注：新风量不应小于循环风量的10%。

　　2、对于一些废气量大的场合或者一些工艺型场合，新风量应根据有害物质浓度进行计算，资料不足时，可根据换气次数来估算新风量。

　　计算公式：必要风量(m3/h)=换气次数×房间容积

　　部分场所换气次数推荐值：

　　注：对于一般性场合，如无特殊要求且室温波动范围在±1℃则可选用换气次数为5次/小时。新风量不能小于循环风量的10%。

　　空调新风负荷计算公式：Qw=Gw(iw-in)

　　式中：QW：新风负荷，kW;GW：新风量，kg/s;iw：室外空气焓值，kJ/kg;in：室内空气焓值，kJ/kg。

　　室内外空气焓值可由焓湿图查取。

　　如宁波：室外空气干球温度34.5℃，湿球温度28.5℃，焓值92.08KJ/kg.℃。

　　室内空气干球温度25℃，相对湿度55%，焓值52.92KJ/kg.℃;1m3/h新风=12.84W冷量。

　　新风系统的平面设计：

　　中央空调新风的平面设计等同于一般的风系统平面设计，但包括两套风管路系统(小型工程，如靠自然排风或卫生间排风能满足要求的可不单独设置排风系统)包括管道尺寸的确定，送、排风口形式及尺寸的确定。应注意以下几点：

　　1.新风进口的位置：应设置在比较洁净的地方。尽量在排风口的上风侧，且应低于排风口，并尽量保持不小于10m的间距。进口底部距室外地面不宜少于2m，当进风口布置在绿化带时，则不宜少于1m。

　　2.新风进口处宜装设可严密开关的风阀，严寒地区应装设保温风阀，有自动控制时，应采用电动风阀。进风面积应满足新风量随季节变化时大风量的需要。

　　3.新风入口处应有防雨措施。

　　地埋管设计：

　　一、地埋管形式选择

　　地热换热器的埋管方式主要有两种形式，竖直埋管和水平埋管。选择哪种方式主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济。当场地面积有限时，适合采用竖直埋管方式，很多情况下这是惟一选择。

　　水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面1～2m 的地沟内，水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响，效率较低，而且占地的面积比较大，在国内建筑物比较密集的情况下，它的使用受到一定的限制。

　　竖直埋管就是在地层中垂直钻孔，孔的深度一般在30～150米。在竖直埋管方式中，由于地下深层土壤温度比较恒定，占地面积小，因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用。

　　二、地埋管管材与传热介质

　　1.地埋管管材

　　地源热泵系统地埋管管材应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管(PE80或PE100)或聚丁烯管(PB)，不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。管材与管件应为相同材料。由于处理热膨胀和土壤移位的压力能力弱，所以不推荐在地埋管换热器使用PVC管。

　　地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于1.0Mpa。地埋管的管材及壁厚规范如下表：

　　聚乙烯(PE)管外径及公称壁厚 (mm)

　　2、传热介质

　　传热介质应以水为首选，也可选用符合下列要求的其它介质：

　　安全，腐蚀性弱，与地埋管管材无化学反应;较低的冰点;

　　良好的传热特性，较低的摩擦阻力;易于购买、运输和储储藏。

　　传热介质安全性包括毒性、易燃性及腐蚀性。良好的传热特性和较低的摩擦阻力损失是指传热介质具有较大的导热系数和较低粘度。可采用的其它传热介质包括氯化钠溶液、氯化钙溶液、乙二醇溶液、丙醇溶液、丙二醇溶液、甲醇溶液、乙醇溶液、醋酸钾溶液及碳酸钾溶液。

　　在传热介质(水)有可能冻结的场合，传热介质应添加防冻液。应在充注阀处注明防冻液的类型、浓度及有效期。为了防止出现结冰的现象，添加防冻液后的传热介质的冰点宜比设计低运行温度低3~5℃。

　　①以甲醇为对照物(甲醉为100)

　　乙烯乙二醇水溶液浓度与相应凝固点及沸点。

　　三、连接方式

　　地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。

　　四、水平连接集管

　　分、集水器是传热介质(水或防冻液)从热泵到地热换热器各并联环路之间循环流动的调节控制装置，设计时应注意各并联环路间的水力平衡及有利于系统排除空所。与分、集水器相连接的各并联环路的多少，取决于竖直U形埋管与水平连接管路的连接方法、连接管件和系统的大小。

　　五、地下换热器长计算

　　详见下一部分

　　六、地热换热器系统的水力计算

　　传热介质不同，其摩擦阻力也不同，水力计算应按选用的传热介质的水力特性进行计算。国内已有的塑料管比摩阻均是针对水而言，对添加防冻剂的水溶液，目前尚无相应数据，为止，地埋管压力损失宜按以下方法进行计算。

　　1.确定流量G(m3/h)，公称直径和流体特性。

　　2.根据公称直径，确定管子的内径dj(m)。

　　3.计算管子的断面面积A(m2)：

　　4.计算流速V(m/s)：

　　5.计算管子的雷诺数(Re)，Re应该大于2300以确保紊流：

　　6.计算单位管长的摩擦阻力损失Pd(Pa/m)

　　Pd=0.158×ρ0.75×μ0.25×dj-1.25×V1.75

　　PY= Pd×L

　　式中：PY：计算管段的沿程阻力损失，Pa;L：计算管段的长度，m。

　　7.计算管段的局部阻力损失Pj(Pa)

　　Pj= Pd×Lj

　　式中Lj：计算管段中局部阻力的当量长度，m。

　　8、计算管段的总阻力损失PZ(Pa)

　　PZ= PY+ Pj

　　管件当量长度表：

　　地下换热器长计算：

　　地热换热器的长度直接影响到热泵机组的性能和系统的初投资，因此合理确定地热换热器的长度是地源热泵系统经济运行的关键。地热换热器的设计主要包括以下内容：地热换热器的长度的确定;地热换热器结构的设计以及管路的连接方式，目前，确定地热换热器的长度有两种方法：

　　一、估算法

　　所谓估算法就是首先根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出地热换热器的放热量或吸热量，然后确定地热换热器的布置方式，再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需地热换热器的长度.

　　二、计算机模拟法

　　计算机模拟法是根据建立的地热换热器的传热模型编制出相应的计算软件，通过输入土壤的热物性参数和建筑物的负荷来确定地热换热器的长度。

　　一、估算法主要步骤

　　(一)建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算

　　建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同。

　　冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式[1]、[2]计算：

　　式中：Q1`—夏季向土壤排放的热量，kW;Q1—夏季设计总冷负荷，kW。

　　Q2`—冬季从土壤吸收的热量，kW;Q2—冬季设计总热负荷，kW。

　　COP1—设计工况下水源热泵机组的制冷系数

　　COP2—设计工况下水源热泵机组的供热系数

　　一般地，地源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、COP2。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。

　　地埋管设计：

　　地热换热器的长度直接影响到热泵机组的性能和系统的初投资，因此合理确定地热换热器的长度是地源热泵系统经济运行的关键。地热换热器的设计主要包括以下内容：地热换热器的长度的确定;地热换热器结构的设计以及管路的连接方式。目前，确定地热换热器的长度有两种方法：

　　估算法

　　所谓估算法就是首先根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出地热换热器的放热量或吸热量，然后确定地热换热器的布置方式，再根据经验或测试中的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需地热换热器的长度。

　　(二)确定竖井埋管管长

　　地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等.在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，此值一般需通过“土壤热物性测试”得出，一般为30～80W/m(井深(注：此数值由于经验限制,不同的文献或厂家可能存在不同)。若为双U，则换热能力增加约10-20%。

　　具体计算公式如下：L= Q ’×1000÷q

　　其中：L —钻孔总长，m;

　　Q ’—地埋管热负荷，kW;

　　q —单位钻孔深度的换热量，W/m。

　　(三)确定竖井数目及间距

　　在国外，竖井深度多数采用50～150m，设计者可以在此范围内选择

　　一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目：

　　其中：N—竖井总数，个;L—竖井总长，m;H—竖井深度，m。

　　然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。

　　关于竖井间距，有资料指出：U型管竖井的水平间距宜为3-6米，一般为4-4.5m。