空调水系统设计与水力计算简便方法

空调水系统的分类方法很多，按照管道的布置形式和工作原理，一般可归纳为以下几种主要类型：

按原理可分为：闭式循环和开式循环；

按供、回水管道数量分为：两管制、三管制和四管制；

按供、回水在管道内的流动关系分为：同程式和异程式；

按调节方式可分为：定水量和变水量。

冷冻水系统原理图：

冷却水系统原理图：

当空调系统采用风机盘管、诱导器和水冷式表冷器冷却用时，冷水系统宜采用闭式系统。高层建筑宜采用闭式系统。空调系统采用喷水室冷却空气时，宜采用开式系统。

暖通空调管道阀门选型原则：

冷冻水水流速度：

压力水管的水流速主要是经济和噪声两个因素。管内的水速太大，对环路的平衡不利，故总管流速可以取得大一些，而分支管路可以小一些。

管内水流速推荐值(m/s)：

冷冻水管管径确定：

连接各空调末端装置的供回水支管的管径，宜与设备的进出水管接管管径一致，可查产品样本获知。

管径计算公式如下：

Q(L/s)：管段内流经的水流量；

d(mm)：管道内径；v(m/s)：假定的水流速。

水系统的流量和单位长度阻力损失表：

空调冷冻水和冷却水循环系统水力计算简便方法：

水系统管路水力计算是系统正确设计和优化的基础。

空调水系统的管路水力计算是在已知水流量和推荐流速下，确定水管管径，计算水在管路中流动的沿程阻力损失和局部阻力损失，确定水泵的扬程和流量。

1.空调水循环管路水力计算的原理

1.1沿程阻力损失：

水管路将流量和管径不变的一段管路称为一个计算管段，计算管段沿程阻力损失，即：

（1）

式中：△py—计算管段沿程阻力损失，Pa；

λ—沿程阻力系数，无因次量；

l—直管段长度，m；d—管道直径，m。

ρ—水密度，kg/m3；v—水速度，m/s；

R—单位长度沿程阻力损失，又称比摩阻，Pa/m。

冷水管采用钢管或镀锌管时，比摩阻一般为100Pa/ m～400Pa/m，最常用的为250Pa/m。

（2）

沿程阻力系数λ与流体的流态和管壁的相对粗糙度有关，即λ= f(Re，K/d)

式中：Re—雷诺数，Re=vd/ν=ρvd/μ；

ν—水的运动粘滞系数，m2/s；

μ—水的动力粘滞系数，Pa·s；

K—管壁的当量糙粒高度，m；

空调冷冻水闭式系统管路K=0.2mm，开式系统管路K =0.5mm；空调冷却水系统管路K=0.5mm。

空调水循环管路，管道设计中采用较低水流速，流动状态一般处于紊流过渡区内，沿程阻力系数λ可采用柯列勃洛克公式(3)和阿里特苏里公式(4)进行计算，

1.2 沿程阻力损失计算表

管道内的流速、流量和管径的关系表达式为：

（5）

式中：qm—管段中的水质量流量，kg/h；

将式(5)的流速v代入式(2)，整理成更方便的计算公式：

（6）

在给定水状态参数及其流动状态的条件下，λ和ρ值均为已知，则式(6)就表示为R=f(d，qm)的函数式。

利用公式(4)，(5)，(6)，计算出冷却水和冷冻水在不同水流量、不同管径、不同速度的沿程比摩阻，详见表1 和表2。

注：表中冷却水温度为34.5℃((32℃+37℃)/2)，密度994.3kg/m3，运动粘滞系数0.735×10-6m2/s，管壁绝对粗糙度0.5mm。

注：表中冷冻水温度为9.5℃((7℃+12℃)/2)，密度999.75kg/m3，运动粘滞系数1.329×10-6m2/s，管壁绝对粗糙度0.2mm。

1.3 局部阻力损失

当流体通过管道的一些附件如阀门、弯头、三通、盘管等时，产生局部阻力损失，管段的局部阻力损失表示为：

（7）

式中：△pj—计算管段的总局部阻力损失，Pa；

Σζ—计算管段局部阻力系数之和，无因次。

2 空调水系统水力计算方法

2.1 空调冷冻水系统水力计算方法

2.1.1冷冻水水量：

空调冷冻水循环系统一般采用闭式系统，系统的供水温度通常为7℃，回水温度为12℃，温差为5℃，泵的流量按空调系统夏季最大计算冷负荷确定，即：

（8）

式中：qm—系统环路总流量，kg/s；

Φ—系统环路的计算冷负荷，W；

△t—冷冻水供回水温差，℃；

c—冷冻水比热容，通常取c=4.187×103J /(kg·K)。

2.1.2 冷冻水系统水泵扬程

若空调冷冻水循环系统采用一次泵循环管路，则水泵的扬程应能克服冷冻水系统最不利环路的用冷设备、产冷设备、管道、阀门附件等总阻力要求。即：

式中：p—水泵扬程，Pa；

Σ(△py+△pj+△pm)—最不利环路各计算管段沿程、局部和设备阻力损失之和，Pa；

△py—各计算管段沿程阻力损失，Pa；

△pj—各计算管段总局部阻力损失，Pa；

△pm—各计算管段总设备阻力损失，Pa。

若空调冷冻水循环系统采用二次泵循环管路，则：

1) 一次泵的选择

a)泵的流量应等于冷水机组蒸发器的额定流量；

b)泵的扬程为克服一次环路的阻力损失，其中包括一次环路的管道阻力和设备阻力；

c)一次泵的数量与冷水机组台数相同。

2) 二次泵的选择

a)泵的流量按分区夏季最大计算冷负荷确定；

b)二次泵的扬程应能克服所管分区的二次最不利环路中用冷设备、管道、阀门附件等总阻力要求。

无论采用一次泵冷冻水系统，还是采用二次泵冷冻水系统，选择水泵时，流量附加10%的余量，扬程也附加10%的余量。

2.2 空调冷却水系统水力计算方法

空调冷却水循环系统一般采用开式系统，水力计算是确定冷却水流量后，确定冷却水泵的扬程。

2.2.1冷却塔冷却水量

冷却塔冷却水量可按下式计算：

（10）

式中：qm—冷却塔冷却水量，kg/s；

Φ—冷却塔排走热量，W，压缩式制冷机，取制冷机负荷的1.3倍左右，吸收式制冷机，取制冷机负荷的2. 5倍左右。

△t′—冷却塔的进出水温差，℃；压缩式制冷机，取4 ℃～5℃；吸收式制冷机，取6℃～ 9℃；

c—水的比热容，J/(kg·K)。

2.2.2 冷却水系统水泵扬程

冷却水泵所需扬程应能克服冷却水系统环路的用冷设备、产冷设备、管道、阀门附件等总阻力要求，即：

p=Σ(△py+△pj+△pm)+△p0+△ph (11)

式中：p—冷却水泵的扬程，Pa；

Σ(△py+△pj+△pm)—冷却水循环管路总阻力损失之和，Pa；

△py—冷却水各计算管段的沿程阻力损失，Pa；

△pj—冷却水各计算管段的总局部阻力损失，Pa；

△pm—冷却水各计算管段中总设备阻力损失，Pa；

△p0—冷却塔喷嘴喷雾压力，Pa，约等于49kPa；

△ph—冷却塔中水提升高度(从冷却塔盛水池到喷嘴的高差)所需的压力，Pa。

2.3 管径的确定

空调水系统中管内水流速按表3中的推荐值选用，或按表4 根据流量确定管径。

3 工程应用

3.1 冷冻水系统管路水力计算应用

如图1所示的空调冷冻水二次泵循环系统(一级循环略去)，此系统计算冷负荷为48.8kW，冷冻水供水温度为7℃，回水温度为12℃，空调机组表冷器水侧阻力为50kPa，各管段的长度见表5，求各管段的管径及二次水泵的流量和扬程。

计算系统所需的冷冻水流量，为：

此系统最不利环路为1-2-3-4-5-6组成的环路。根据各管段的流量，由表5 确定各管段直径。由表2可查出比摩阻R，查各管件的局部阻力系数表，确定各管段的总阻力损失见表5。

图1 冷冻水系统图

此水系统为闭式水系统，水泵的扬程为最不利环路的总阻力损失，加上表冷器的阻力损失，即p=Σ(△py+△pj+△pm)=74.48kPa=7.59mH2O。

选用水泵，流量和扬程皆考虑10%的余量，则选用水泵的参数为流量1.1×8.39m3/h=9.23m3/h，扬程1.1 ×7.59m=8.35mH2O。

3.2 冷却水系统管路水力计算应用

某建筑建筑面积为4000m2，选用冷水机组一台，制冷量为455KW。冷凝器侧水阻力为4.9×104Pa，进、出冷凝器的水温分别为32℃和37℃，水处理器的阻力为2.0×104Pa，冷却水管总长48m，冷却塔盛水池到喷嘴的高差为2.5m，确定各管段的管径和水泵的选择参数。

冷却水循环管路，由于管径没有沿程变化，认为是一个计算管段，则计算管段的冷却水流量为：

根据冷却水流量102.3m3/h，查表4，选用管道公称直径DN150mm，管道水流速为：

查表1得比摩阻R=187.43Pa/m，管道长度为48m，沿程压力损失为△py=Rl=(187.43×48)Pa=9.0×103 Pa。

弯头、止回阀、闸阀等管件等的局部阻力系数总和Σζ=12.46，总局部阻力为

=1.61×104Pa。

设备总阻力损失包括冷凝器阻力损失和水处理器阻力损失，为△pm=(4.9×104+2×104)Pa= 6.9 ×104Pa。

冷却塔喷雾所需压力△p0= 4.9×104Pa。

冷却水提升高度为2.5m，所需的提升压力为：

△ph=2.5m×9807N/m3=2.45×104Pa。

故冷却水泵的扬程为：

p=Σ(△py+△pj+△pm)+△p0+△ph

=(9.0×103+1.61×104+6.9×104)Pa+4.9×104Pa+2.45×104Pa=16.76×104Pa=17.1mH2O

选用水泵，流量和扬程皆考虑10%的余量；则选用水泵的参数为流量1.1×102.3m3/h=112.5m3/h，扬程1. 1×17.1m=18.81mH2O。

本文来源于互联网，部分取材《空调冷冻水和冷却水循环系统水力计算简便方法》，作者：许淑惠，罗文斌；暖通南社整理编辑。