1.1设计任务及要求

本次冷源课程设计是要求在给定的建筑资料上，结合建筑地点的气象参数与水、气、电参数，选择并设计出合理的空调冷源。

冷源设计为空调系统的制冷机房设计，基本内容主要包括：确定空调冷源、设计制冷机房流程、选择制冷机房内的各种设备、对机房内的各设备进行选择计算。

本次设计的设计步骤大致为：确定制冷机房的总冷负荷→确定制冷机组的类型→确定制冷机组的设计工况→确定制冷机组的容量与台数→设计水系统→布置制冷机房。

1.2原始资料及设计依据

1.2.1建筑概况

本设计为天津市某办公楼制冷机房设计。该办公楼分裙楼塔楼， 1-3层为裙楼， 4-15层为塔楼，其中一至三层层高4.2m，四层层高 3.8m，五至十五层层高 3.6m，总建筑面积15300m2。空调制冷机房设置于地下一层，地下一层层高5m。（56米）

1.2.2气象资料

设计计算所需气象资料

通过调研对当地水文地质资料有所了解，为选择冷热源形式和充分利用地热资源、土壤资源、太阳能资源提供帮助条件。

1.2.4冷冻水参数

空调系统为舒适性空调，要求冷冻水供水温度为7～9℃，回水温度为12～14℃。空调冷冻水系统最不利环路阻力损失为106.2kPa。

1.2.5设计地点其他信息

本设计地点为天津市。

天津市位处于华北平原，环渤海湾的中心，辖区范围约1.2万平方千米，是中国北方最大的沿海开放城市。

天津市属于温带季风性气候，在气候分区中属于寒冷地区。根据冷、热负荷概算指标可以看出：天津冬夏冷热负荷相差较大，不宜使用地源热泵。

天津市地下水系复杂庞大，水质优良，但还是需要从其他地区调运淡水。所以不宜使用水源热泵。

天津电价为阶梯性，分高低峰的，根据查到的资料，在用电电压不超过1kV时，一般工商业及其他用电的价格及时段划分如下表：

二 制冷机组的选型

2.1 建筑冷负荷

根据《公共建筑节能标准-GB501》中规定，采暖、空调系统的施工图设计时应对每一采暖、空调房间或区域进行冬季热负荷和夏季逐时冷负荷的计算。本次设计仅为对冷源的选择，所以只做概算，不需要详细计算。计算此次设计的负荷计算为：

由于面积指标折算法可能存在偏差，为保证满足实际需求，取QL为1840Kw（523.17tons）。装机容量取1.1QL，为2024kW（575.5tons）。

2.2 制冷机组选型

2.2.1 制冷机组（冷源）的选型原则

1空气调节系统的冷源应首先考虑采用天然冷源。无条件采用天然冷源时，可采用人工冷源。

2冷水机组的选型应根据建筑物空气调节规模、用途、冷负荷、所在地区的气象条件、能源结构、、价格及环保规定等情况，按下列原则通过综合论证确定:

a冷水机组的选型，一般应作方案比较，宜包括电动压缩式冷水机组和溴化锂吸收式冷水机组的比较;

b如果有余热可以利用，应考虑采用热水型或蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组供冷;

c具有多种能源地区的大型建筑，可采用复合式能源供冷;当有合适的蒸汽热源时，宜用汽轮机驱动离心式冷水机组，其排汽作为蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的热源，使离心式冷水机组与溴化锂吸收式冷水机组联合运行，提高能源的利用率。

d对于电力紧张或电价高，但有燃气供应的情况，应考虑采用燃气直燃型溴化锂吸收式冷水机组;

e夏热冬冷地区、千旱缺水地区的中、小型建筑可考虑采用风冷式或地下埋管式地源冷水机组供冷;

f有天然水等资源可以利用时，可考虑采用天然水作为冷水机组的冷却水;

g全年需进行空气调节，且各房间或区域负荷特性相差较大，需长时间向建筑物同时供冷和供热时，经技术经济比较后，可考虑采用水环热泵空气调节系统供冷、供热;

h在执行分时电价、峰谷电价差较大的地区，空气调节系统采用低谷电价时段蓄冷能取得明显的综合经济效益时，应考虑采用蓄冷空调系统供冷。

i在技术经济合理的情况下，冷、热源宜利用浅层地能、太阳能、风能等可 再生能源。当采用可再生能源受到气候等原因的无法保证时，应设置辅助冷、 热源。

j市电网夏季供电充足的地区，空调系统的冷源宜采用电动压缩式机组。

k夏季室外空气设计露点温度较低的地区，宜采用间接蒸发冷却冷水机组作 为空调系统的冷源。

l天然气供应充足的地区，当建筑的电力负荷、热负荷和冷负荷能较好匹配、 能充分发挥冷、热、电联产系统的能源综合利用效率且经济技术比较合理时，宜采用分布式燃气冷热电三联供系统。

3需设空气调节的商业或公共建筑群，有条件适宜采用热、电、冷联产系统或设置集中供冷站。

4下列情况宜采用分散设置的风冷、水冷式或蒸发冷却式空气调节机组:

1空气调节面积较小，采用集中供冷系统不经济的建筑;

2需设空气调节的房间布置过于分散的建筑;

3设有集中供冷系统的建筑中，使用时间和要求不同的少数房间;

4需增设空气调节，而机房和管道难以设置的原有建筑;

5居住建筑。

5选择冷水机组时，不仅要考虑机组在额定工况或名义工况下的性能，还应考虑机组的综合部分负荷的性能，以使冷水机组在周期内的能耗最低。

6电动压缩式冷水机组的总装机容量，可按《实用供热空调设计手册》第20章介绍方法计算的冷负荷选定，不应另作附加。

7电动压缩式冷水机组的台数及单机制冷量的选择，应满足空气调节负荷变化规律及部分负荷运行的调节要求，一般不宜少于两台;当小型工程仅设一台时，应选用调节性能及部分负荷性能优良的机型。

8选择电动压缩式冷水机组时，其制冷剂必须符合有关环保要求；采用过疲制冷剂时，其使用年限不得超过中国禁用时间表的规定。

2.2.2常用制冷机组对比

制冷机按热力循环过程与消耗能源种类不同分为蒸气压缩式制冷机和吸收式制冷机。前者采用电作能源，后者以热能(或油、天然气)作为加热源来完成这种非自发过程。

蒸气压缩式制冷机是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、冷凝、节流和蒸发四个主要热力过程的制冷循环。靠的是消耗机械功(或电能)使热量从低温物体向高温物体转移。

吸收式制冷机是利用液态制冷剂在低温低压下气化，以达到制冷的目的。吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器四个热交换设备组成，形成制冷剂循环与吸收剂循环两个循环环路。靠的是消耗热能来完成热量从低温物体向高温物体转移。

蒸气压缩式制冷机按工作原理分为容积式和离心式两大类。

表2.1制冷机分类表

集中空调系统的冷水（热泵）机组台数及单机制冷量（制热量）选择，应能适应负荷全年变化规律，满足季节及部分负荷要求。机组不宜少于两台，且同类型机组不宜超过4台；当小型工程仅设一台时，应选调节性能优良的机型，并能满足建筑最低负荷的要求。且电动压缩式冷水机组的总装机容量，应按标准中的规定计算的空调冷负荷值直接选定，不得另作附加。在设计条件下，当机组的规格不符合计算冷负荷的要求时，所选择机组的总装机容量与计算冷负荷的比值不得大于1.1。

当选用电压缩冷水(热泵)机组时，其制冷性能系数（COP）不应低于下表：

根据以上原则与设计地点条件，选择方案如下：

2.2.5 方案对比

根据产品样本可得以下数据

2.2.6 机组详细信息

三 冷冻水系统的设计

空调冷冻水系统由水泵、管道、定压设备、阀门、换热器、除污器等主要部件构成。冷冻水的功能为将机组制取的冷量输送给空气处理装置，从而实现向空调区域提供冷量的目的。

3.1冷冻水系统形式设计 

3.1.1 冷冻水系统的形式

根据不同应用情况可以分为不同的冷冻水系统形式。

1 直接连接系统和间接连接系统

a直接连接系统：投资和机房占地面积少，而且制冷系数较高；缺点是蓄冷性能较差，制冷剂泄漏可能性增多。适用于中小型系统或低温系统。

b间接连接系统：使用灵活，控制方便。适合于区域性供冷。

2 开式系统和闭式系统

a开式系统常用于有喷水室的空调系统。喷水室水池的水经溢流管靠自重流入中间水箱，再经水泵送至冷水设备的蒸发器，然后送入喷水室。水箱—水泵—蒸发器—喷水室管路内为压力流；喷水室—水箱管路内为无压流。冷水循环泵的扬程需要克服水箱液面到最高喷水室液面之间的高差。中间水箱的主要功能是收集系统的回水，兼有一定的蓄冷（热）作用。

b闭式冷冻水系统分为定流量和变流量系统。

·一次泵定流量系统：系统循环水量不变，通过调节供水温度调节系统的供冷（热）量。空气处理设备可通过三通电动调节阀进行调节或者在分集水器上加旁通管。当按一机一泵多台配置制冷机和水泵时，可以实现分阶段定流量运行。这一系统调节性较差，因此不适用于大型空调系统。

·分区一次泵定流量系统：系统总循水量不变，各空调分区按照系统阻力和流量要求分别设置循环水泵，适用于供水分区系统之间阻力相差悬殊的系统。

·一次泵变流量系统：由于一次泵定流量系统在部分负荷时为大流量小温差工况运行，水泵的能耗很大，因此也常采用一次泵变流量系统。

·二次泵定流量系统:总循水量不变，各空调分区按照系统阻力和流量要求分别设置二级循环水泵，空气处理设备可通过三通电动调节阀进行调节。一级泵扬程用来克服分水器和集水器之间的阻力。这一系统适用于大型空调系统且供水分区系统之间阻力相差悬殊的系统。

3 双管制、三管制和四管制系统

a双管制系统夏季供应冷冻水、冬季供应热水均在相同管路中进行。优点是系统简单，初投资少。绝大多数空调冷冻水系统采用双管制系统。但在要求高的全年空调建筑中，过渡季节出现朝阳房间需要供冷而背阳房间需要供热的情况，这时该系统不能满足要求。

b三管制系统分别设置供冷、供热管路，冷热回水管路共用。优点是能同时满足供冷供热的要求，管路系统较四管制简单。其最大特点是有冷热混合损失，投资高于两管制，管路复杂。

c四管制系统供冷、供热分别由供回水管分开设置，具有冷热两套的系统。优点是能同时满足供冷、供热要求，且没有冷热混合损失。缺点是初投资高，管路系统复杂，且占有一定的空间。

本次设计采用闭式一次泵变流量闭式冷冻水系统，水泵采用一机一泵且互为备用，冷源侧为定流量，负荷侧采用电动三通调节阀进行变流量。采用定压水泵补水定压的方式补水定压。

由于设计为高档办公楼，空调承担夏季冷负荷和冬季热负荷，且使用溴化锂机组，因而采用双管制水系统。

3.1.2 冷冻水系统示意图

3.2  冷冻水泵选型

3.2.1 冷冻水泵设计流量

其中：—设计冷负荷

—水的比容

、—蒸发器进出口水温度

可以求出冷冻水泵的流量为47.21kg/s，即169.96t/h。

3.2.2 冷冻水泵设计扬程

其中：—安全系数，取1.05-1.15

—冷冻水管路的沿程阻力

—冷冻水管路的局部阻力

—蒸发器内的阻力

—室内末端装置的阻力

由设计条件已知，本次设计冷冻水系统的最不利环路压损为106.2kPa，蒸发器内部压损为25kPa，所以泵的扬程为140.093kPa。

3.2.3冷冻水泵选型

在选择冷冻水泵时，必须根据《公共建筑节能设计标准GB501》中的相关规定，校核其输送能效比ER，并不大于其限定值。 

根据流量与扬程，参考找到的样本，选择的冷冻水泵型号参数如下

现已知道冷冻水系统的流量，结合空调系统管路水速(m/s)推荐表，取流速为3.0m/s，可以求得此次设计中冷冻水的管径为：

计算得管径为141.56mm，选择标准管径：

3.4  定压补水系统设计

空调水系统的定压功能主要有防止水系统倒空，或者防止水系统中水汽化。目前，空调水系统定压方式主要有三种，膨胀水箱定压、补给水泵定压和气体定压灌定压。空调水系统的补水点，宜设置在循环水泵的吸入口处。当采用高位膨胀水箱定压时，应通过膨胀水箱直接向系统补水; 采用其他定压方式时，如果补水压力低于补水点压力，应设置补水泵。

在该空调系统设计过程中，选用补给水泵定压。由于天津处于寒冷地区，所以补水泵宜设备用泵。

3.4.1 确定补水量

《采暖通风与空调设计规范-GB50736》第8.5.15条中说明：空调冷水系统的设计补水量(小时流量)可按系统水容量的 1%计算。

所以此次设计的补水量：

同样，在第8.5.16条的第二小条中要求：补水泵的总小时流量宜为系统水容量的 5%~10%所以此次设计的补水泵流量为0.7m3/h

3.4.2确定补水泵扬程

在《采暖通风与空调设计规范-GB50736》第8.5.16条中要求补水泵的扬程，应保证补水压力比补水点的工作压力高30kPa~50kPa。当定压点宜设在循环水泵的吸入口处，定压点最低压力宜使管道系统任何一点的表压均高于 5kPa 以上。

据此可根据公式得出此次设计的补水泵扬程，为31mH2O

3.4.3 选择补水泵

根据以上计算出的流量与扬程，可选择补水泵及其参数如下：

软水设备的水处理量应为3.4.1中计算的补水量，即0.07 m3/h

根据样本选择如下设备：

由于本次设计采用了补给水泵定压的方式，所以必须配置补水箱。由《实用供热空调设计手册》查得补水箱储水容积为补水泵小时流量的0.5-1.0配置。所以补水箱容积为0.7m3。考虑到事故意外，将水箱体积增大至1.4m3，具体尺寸（长×宽×高）为：1000×1000×1400。安装高度为1.5米。

3.6分集水器

设立分集水器的目的一是为了便于连接通向各个并联环路的管道，二是均衡压力是汇集在一起的各环路具有相同的起始压力或终端压力。

分集水器的直径应大于最大接管管径的2倍，通常可按并联管路的总流量通过集管断面的平均流速为0.5-1.5m/s来确定。

在本次设计中，拟定分集水器将连接5根管，每3层共用一根管。

根据《手册》中的推荐流速与负荷的关系可以求出每根管的管径，见下表：

冷却水系统承担着将空调系统的冷负荷与制冷机组能耗散发到室外环境的功能，也是整个建筑空调系统中必不可少的环节。

4.1  冷却水系统形式设计

合理选用冷却水水源和冷却水系统对制冷系统的运行费和初投资具有重要意义。为了保证制冷系统的冷凝温度不超过制冷压缩机的允许条件，冷却水温度一般应不高于32℃。冷却水系统可分为直流式，混合式和循环式三中。此设计采用循环冷却水系统。

设计中最常用的冷却塔主要是逆流式和横流式冷却塔。相比之下逆流式冷却塔热交换效率高，能耗低，价格便宜，且没有横流式那种分水不均的情况。

冷却塔选用及布置时需注意以下问题：

1冷却塔的台数或方形冷却塔组合的模块数（也可以说是冷却塔的风机数）应与冷水机组的台数对应，以便运行节能。

2冷却塔设置位置应通风良好，远离高温或有害气体，并应避免飘逸水和噪声对周围环境的影响。通常是将冷却塔安装在建筑物或裙房的屋面上。

3为了保证水泵不吸入空气产生气蚀，同时也为了冷却水温稳定性较好，宜采用集水型冷却塔，即增大冷却塔存水盘的深度，集水量可考虑1.5~2分钟左右的冷却水循环水量。

本次设计冷却水系统采用机械通风冷却循环系统，选取开式逆流冷却塔系统。

4.2  冷却塔选型

冷却塔选用开式逆流式冷却塔，特点是安装面积小，高度大，适用于高度不受的场合，冷却水的进入冷却塔的水温为3℃，流出冷却塔的水温为30℃，冷却塔的补给水量为冷却塔的循环水量的1%—2% ，本设计中采用2%

4.2.1 冷却塔流量

冷却水流量由以下公式确定：

其中：—制冷机冷负荷。

—制冷机制冷时耗功的热量系数，压缩式制冷机取1.2-1.3，溴化锂吸收式机组取1.8-2.2。

—水的比热

—冷却塔进出水温度，压缩机取4-5，溴化锂吸收式机组取6-9。

方案设计时，冷却水流量可按估算。

所以本次设计的计算流量为552t/h。

4.2.2 冷却塔选择

根据以上参数选择冷却塔，具体型号参数为：

现已知冷却水流量，只须求出扬程即可。

冷却塔的扬程由以下及部分组成：

1冷却水系统管路的沿程阻力和局部阻力；

2制冷机组冷凝器的水侧阻力(约5~10mH2O)；

3冷却塔内的进水管总阻力；

4喷嘴出口余压(约3mH2O)；

5水柱高差，即冷却塔喷嘴到集水盘液面的高差，若有冷却水池时，还包括集水盘液面到冷却水池液面的高差。

所以本次设计的冷却水泵扬程H=135.5kPa

据此选择冷却水泵如下：

4.4.1 流速确定

管道内水的流速v(m/s)宜符合以下规定：

管径根据：计算，

假设流速为3m/s，可求得管径为188.06mm。选择标准管

干管求得管径为274.68mm，选择标准管

4.5  水处理设备选型

4.5.1补水系统

开式冷却塔一般均配有浮球阀，控制补水量。补水箱可由冷却塔底盘代替。补水无需处理，可由自来水直接补充。

4.5.1 过滤器

过滤器的选择可按作用的管道的管径来选取，一般选择Y型过滤器，具体尺寸和尺寸图如下

本设计中，冷却水管径为DN200，则所选过滤器尺寸如下

4.5.2除污器的选择

除污器的作用是用来清除和过滤管道中的杂质和污垢，以保证系统水质的洁净，减少阻力和防止堵塞管路。

除污器的型式有立式直通除污器，卧式直通除污器和卧式角通除污器，本次设计选用郑州迪美环保设备有限公司的J型角通除污器。除污器的型号的选择是按照接管的直径来选择的。

电子水处理仪主要用于防垢除垢，能有效阻止系统结垢并清除残余的水垢，具有很强的杀菌灭藻、防锈阻蚀功能，依据冷却水量552 m3/h，本次选择选用石家庄天舒环保设备有限公司的TSGP-300型电子水处理仪，选择一台。具体参数见下表：

5.1  制冷机房布置要求

机房位置力求靠近冷热负荷比较集中的地区，这样可以缩短管路，节约管材，减少压力损失；机房内的地面应易于清洗；机房内应预留最大设备安装的孔洞和通道，上部也要预留或设置电动起吊设备；机房净高应在4.5-5.0米 

5.2  制冷设备布置要求

经常操作的阀门的安装高度一般离地1.2-1.5米，若高于此高度，应设置工作台。

机组与其他设备、墙体的布置间距应满足下表要求：

机房应设的燃气表间；机房、燃气间应分别设置的防爆排烟机，燃气浓度报警器；燃气管上应设置能自动关闭，现场人工开启的切断阀；排烟烟道宜单独设置；燃气管道上应设置放散管、取样口、吹扫口。

其他未注明事宜还请遵守相关规范。

5.4  制冷管道布置原则

1必须使制冷系统的所有管道，做到工艺系统流程合理，操作、维修、管理方便，运行安全可靠，确保工作；

2设备与设备、管道与设备、管道与管道之间，必须保持合理的位置关系；

3必须保证供给蒸发器适量的制冷剂，并且能够顺利的在制冷系统内往复循环；

4管道的尺寸要合理，不允许有过大的压力降产生，一防止制冷系统的效率和制冷能力不必要的下降；

5根据制冷系统的不同特点和不同管段，必须设置有一定的坡度和坡向；                           

6输送液体的管段，除特殊要求外，不允许设置成倒“U”字型管段，以免形成气囊，阻碍流体的流通；

7输送气体的管段，除特殊要求外，不允许设置成倒“U”字型管段，以免形成液囊，阻碍流体的流通；

8必须防止润滑油积集在制冷系统的其它无关部分；

9制冷系统进入工作后，如遇有部分停机或全部停机时，必须防止液体进入制冷压缩机；

10必须按照制冷系统所用的制冷剂的特点，选用管材、阀门和仪器等。

其具体的设备及管道平面布置图见施工

5.5  制冷设备及管道的保温防腐

5.5.1保温

通常制冷装置的绝热层厚度，其计算的原则是使计算所求得的厚度，能保证绝热层外表面的温度不低于当地条件下的露点温度，以保证绝热层外表面不至于结露。

为尽量减少热量进入制冷装置，凡温度低于室温的设备、管道、管附件、建筑物及构筑物（如冷藏库的库房、低温实验室和冷水槽等）都需要绝热。

为了保证绝热设施经久耐用，需要采取一系列的措施。因此，绝热设施不单使覆盖一层绝热材料而已。而是由不同材料构成的具有不同功能的几层、共同构成完整的绝热结构。

普通的绝热结构，从里到外由以下五层构成。即：防锈层、绝热层、防潮层、保护层、防腐蚀及识别层。

一般防锈材料选用涂刷二遍冷底子油，本设计也采用此种方法。

绝热层所选用的材料要保证保冷效果要好，并且对于不同的材料应采用不同的方法将其固定在设备和管道上；对于在高大的设备和很长的垂直管道上附设绝热层，还应采取一些措施加固绝热层，以防止材料所受压力超过其抗压强度，自然也因所选用的材料不同而有差别，但本设计采用通常的办法，即：采用金属和其它材料制成加强环或支承环，以拖住上面的材料，不使其重量压在下面的材料之上。每36m设置一个加强环或支承环。

循环水系统管道保温应按下列原则确定：

1室内部分的管道在保证冬季不结露的前提下可不保温。暴露在室外空气中的热水管道应作保温。

2设于室外的冷却水管应避免太阳直晒，否则冷却塔出水管室外部分宜保温。

5.5.2防潮

防潮层常用的材料有两种：一种是以沥青为主的防潮材料，另一种是以聚乙烯薄膜作防潮材料。本设计采用沥青为主要的防潮材料，因为沥青施工时较易达到质量要求，防潮层能长期保持有效。

5.5.3保护层

保护层在本设计中采用镀锌薄钢板作保护层，取用厚度 δ=0.5mm。

对于最外层的防腐蚀及识别层，应当根据不同的保护层材料和不同的防腐蚀要求，选择防腐蚀层材料。对于本设计，可在外表面涂刷12层油漆，最好采用醇酸磁漆。识别标记应按工程项目的统一规定。下载本文