暖通空调水系统管路设计中冷热水系统的选择及水力计算探析

摘要：本文结合实际设计中的经验，介绍了暖通空调冷热水系统的管路水力设计和计算方法，并对设计中冷热水系统应选择何种类型系统做了详细的阐述，并说明了各自的优缺点，希望能对暖通空调的设计做出些许贡献。

关键词：暖通空调 水系统 管路设计 冷热水系统 选择 水力计算

1、概述

暖通空调工程常采用冷热水作介质，通过水系统将冷、热源产生的冷、热量输送给换热器、空气处理设备等，并最终将这些冷热量供应至用户。空调水系统由以下几部分组成：冷热源：主要有冷(热)水机组、热水铝锅炉和热交换器等；输配系统：包括水泵、供回水管道及附件；末端设备：如换热器(包括表冷器、空气加热器、风机盘管等)以及喷水室等热湿交换设备和装置。空调冷热水系统由空调冷冻水系统和空调热水系统组成。

2、空调冷热水系统的类型

2.1 开式水系统和闭式水系统

（1)开式水系统。开式水系统在管路之间设有储水箱(或水池)通大气，回水靠重力自流到回水池。开式水系统的储水箱具有一定的蓄能作用，可以减少冷热源设备的开启时间，增加能量调节能力，且水温波动可以小一些。但开式水系统水中含氧量高，管路和设备易腐蚀，水泵扬程要加上水的提升高度，水泵耗电量大。

(2)闭式水系统。闭式水系统的管路不与大气相接触，仅在系统最高点设置膨胀水箱并有排气和泄水装置。闭式水系统不论是设备运行或停止期间，管内都应充满水，管路和设备不易产生污垢和腐蚀，水泵的扬程只需克服循环阻力，而不用考虑克服提升水的静水压力，设备耗电较小。

2.2 定流量水系统和变流量水系统

按系统的循环水量的特性划分，可将空调冷热水系统分为定流量水系统和变流量水系统。

(1)定流量水系统。定流量水系统中的循环水流量保持定值，当负荷变化时，可通过改变水量或者调节表冷器或风机盘管的旁通水流量进行调节。对于多台冷水机组，且一机一条的定流量系统，当负荷减少相当于一台冷水机组的冷量时，可以停开一台机组和一台水泵，实行分阶段的定流量运行，这样可节省运输冷量的能耗。

(2)变流量水系统。变流量水系统中供、回水温度保持不变，负荷变化时，可通过改变供水量调节。变流量系统一般指冷源供给用户的水流量随负荷的变化而变化，而通过冷水机组的流量是恒定的。这是因为对一般的冷水机组来说，水流量变小会影响机组的性能，而且有结冰的危险存在。

2.3 一次泵水系统和二次泵水系统

按水系统中的循环水泵设置情况划分，可分为一次泵水系统和二次泵水系统。

(1)一次泵水系统。一次采水系统只用一组循环水泵，系统简单、初投资省但为了保证冷水机组的流量恒定，不能充分利用输送管网中的水流量减少(变流量系统）。

(2)二次泵水系统。二次泵水系统把冷冻水系统分成冷冻水制备和冷冻水输送两部分。为了保证通过冷水机组水量恒定，一般采用一泵对一机的配置方式。与冷水机组对应的泵称为初级泵(一次泵)，并与供、回水干管的旁通管组成冷冻水制备系统。连接所有负荷点的泵称为次级泵(也称二次泵)。末端装置管路与旁通管构成冷冻水输送系统，输送系统完全根据负荷的需要，通过改变水泵的台数或水泵的转数来调节系统的循环水量。通常，把这种生产冷冻水的环路和输送冷冻水的环路串联起来的冷冻水系统称为二次泵系统，其优点是可以降低冷冰水的输送能耗。

2.4 双管、三管和四管制水系统

(1)双管制水系统。一根供水管，一根回水管，各组换热设备并联在供、回水管之间。双管式系统各换热设备流量可单独控制，使用灵活，调节方便。

(2)三管制水系统。两根供水管分别供应冷水和热水， ―根回水管冷、热水回水共用，各组换热设备并联在供、回水管之间。这种系统形式虽比四管制经济，但共用回水管会造成冷量和热量的混合损失，同时调节控制也较复杂。

(3)四管制水系统。采用两根供水管、两根回水管，分别供冷水和热水，各组换热设备并联在供、回水管之间，适用于一些负荷差别比较大，供冷和供热工况交替频繁或同时使用的场合。这种系统初投资较高，但运行很经济，对室温的调节具有较好的效果，往往在舒适性要求很高的建筑物内采用。

2.5 同程式水系统和异程式水系统

根据系统中各循环环路流程长度是否相同，可将空调冷热水系统分为同程式水系统和异程式系统。异程式系统中各循环环路长度不同，其环路阻力不易平衡，阻力小的近端环路流量会加大，远端环路的阻力大，其流量相应会减小，从而造成在供热水(或冷水)时近端用户比远端用户所得到的热量(或冷量)多，形成水平失调。同程式系统则可避免或减轻水平失调，空调冷热水系统应尽可能采用同程式系统，包括立管同程和干管同程，都有利于克服系统失调。在大型建筑物中，为了保持水力工况的稳定性和减少初次调整的工作量，水系统应设计成同程式，但当管路阻力和盘管阻力之比在1:3左右时可用异程式水系统。

3、冷热水系统的管路水力计算

空调冷热水系统的水管设计与采暖管路有许多相同之处，如管路要设立坡度以排除系统中积存的空气；水系统应设膨胀水箱等等。

水在管内流动时产生的阻力为沿程阻力与局部阻力之和。即

式中：

――水在管内流动时所产生的阻力(Pa)；

――单位沿程阻力(比摩阻) (Pa/m)，宜控制在100―300Pa/m(制表时水温为10℃，当量绝对粗糙度K：闭式系统K＝0.2mm，开式系统K=0.5mm。)；

――局部阻力系数(一些阀门、管配件的局部阻力系数，一些设备的阻力)；

1――管道长度(m)；

――水流速(m/s)。

冷热水管道的阻力损失、计算方法、步骤同机械循环采暖系统的水力计算。应减少并联环路之间的压力损失的相对差额，当超过15％时，应设置调节阀。

4、结语

暖通空调的冷热水系统设计计算是简单明了的，冷热水系统设计关键在于如何根据实际的工程状况选择合适、降低能耗损失、高效，使用灵活，操作方便的类型。