作者简历:蒋传遐,男,1976 年生硕士研究生　湖南大学土木工程学院　8828258
收稿日期:2000 - 05 - 28
定流量冷水系统优化设计方法探讨
蒋传遐
(湖南大学)
　　[摘要] 　在分析常规空调冷水系统设计方法的基础上,提出不同于常规方法的优化设计方法,按流量选
择水泵后进行优化计算,并利用资用压力确定水管管径。
　　[关键词] 　冷水系统　优化设计　水泵
1 　引言
在定流量空调水系统中,水泵的容量是按照建筑物最大
设计负荷选定的,且在全年固定的水流量下工作。这种系统
设计简单,操作方便,不需要复杂的自控设备,因此广泛应用
于目前的绝大多数空调工程中。
认真进行空调水系统的设计和计算很重要,据调查[1 ] ,
空调冷水系统中普遍存在着大流量小温差的不合理现象,夏
季冷水温差较好的情况是3 ℃,较差的情况只有1 —115 ℃。
而造成这种现象的很重要的一个原因是没有按照设计规范
要求,对空调水系统的管路进行认真的水力计算,使各个环
路之间符合水力平衡要求,并且选择水泵时,水泵扬程普遍
选得过高。
因此本文将先讨论常规的空调水系统计算方法及一些
不当之处,然后提出优化计算的一些建议,并按此方法计算
一个实例进行分析比较。
2 　常规空调水系统的设计计算方法
空调工程中进行水系统设计的主要任务就是:a 根据设
计计算负荷选择空调机组和冷水机组; b 进行管网水力计
算,平衡各支路,并确定各段水管的直径;c 选择合适的水泵。
空调工程进行水系统设计与供暖系统水力计算的等温
降法类似。在冷水系统中,每台空调机组的冷却盘管进出口
水温在常规空调中已经作了规定:进口水温为7 ℃,出口水温
为12 ℃,即冷水供回水温差已经确定为5 ℃。当空调水系统
管线布置完毕后,水系统的水力计算就可以进行了。常规空
调水系统的计算方法如下:
(1) 根据各房间或分区的计算冷负荷,选择其合适冷量
的空调机组或风机盘管,根据空调机组样本确定它的设计条
件下通过的水量;
(2) 确定每段管的流量;
(3) 根据假设流速求出最不利环路各管段的管径,并进
行校正,计算各段水管的局部阻力和沿程阻力;
冷水管道为压力式管道,根据[2 ] ,其管径由下式确定:
d = 103 4L
πv 　　　　(1)
式中　　L —冷水流量(m3/ s)
v —计算冷水流速(m/ s)
先假设计算冷水速度,根据式(1) 计算所得管径在标准
钢管系列中选用最接近的钢管,得管段实际直径d′。利用d′
重新计算管内冷水流速,并计算沿程阻力和局部阻力。
实际手工计算时查阅水管摩擦阻力计算表,根据假设流
速及水管流量确定水管比摩阻及动力头。
(4) 计算最不利环路的总阻力,确定系统所必须的循环
压力,依此压力选择水泵。
以上方法就是水力计算中常用的假设流速法。
在式(1) 中,需要确定的量有两个,一个是水流量L ,另一
个是计算冷水流速v。下面讨论在常规空调水系统计算中这
两个值的选取。
2. 1 　计算流速v 的确定
水系统设计中确定水流速度的主要考虑两个因素:系统
投资的经济性和建筑房间的噪声要求[2 ] [3 ] 。在冷水系统中,
也会考虑到水流速度对环路平衡的影响。如果水流速度越
大,管径就可选得较小,系统一次投资就小;然而这会使水管
阻力增大,引起水系统运行能耗增加。而另一方面,如果水
流速度较小,则水管管径选得较大,所以水管阻力小,水系统
运行费用少,但它会使建造水系统的一次投资增加。从平衡
的角度出发,水流速度过大,对水系统平衡不利。
除了以上的一些因素外,文献[4 ]认为水流速度还会影
响水系统运行中的腐蚀程度。表1 是考虑了最小腐蚀后的
流速,它与水系统全年运行小时数有关。
表1 　考虑了最小腐蚀后的流速
年运行小时(hr/ yr) 流速(m/ s)
1500 416
2000 414
3000 410
4000 317
6000 310
　　在常规空调工程的冷水系统设计计算中,一般以v F
310m/ s 进行设计[2 ] [3 ] 。还提出了各种不同位置水管内流速
的推荐值。
2. 2 　设计水流量的确定[2 ]
前面在阐述常规空调冷水系统设计计算时已指出,各支
管水流量等于通过该支管上的空调机组或风机盘管的额定
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水流量。实际操作时,确定空调负荷后,为考虑空调机组盘
管用后积垢对传热的影响,空调冷负荷还乘以一个大于1 的
修正系数。在选择空调机组时,因为空调机组型号有限,其
额定冷量是离散的,所以一般所选择空调机组的额定供冷量
会比房间计算得到的冷负荷要大。
另一方面,空调水系统总水量即冷水水泵流量由所选择
的冷水机组蒸发器的额定流量决定。冷水水水泵的流量应
比空调冷水机组蒸发器的额定流量大10 % ,即附加10 %的余
量。
根据以上确定的管段流量计算出最不利环路的总压力
损失,将它再乘一个110 %的安全系数,即为水泵的计算扬
程。选择水泵时,由计算出的水泵扬程和水泵流量及选用的
水泵台数,根据水泵样本上的水泵性能曲线选择合适的水
泵。
3 　优化设计方法
常规空调冷水系统中,支管水流量由设备样本水量确
定,而设备是根据负荷按样本选择合适冷量的设备,因此所
选设备一般来说会偏大10 % —20 %。选择水泵时先确定流
量和扬程,再选择合适的水泵。在计算时基本上不进行各支
环路的水力平衡,而是在各支路装上阀门,当系统建成后调
试时平衡系统。
针对以上的问题,可以进行以下的一些优化:
3. 1 　合理确定各段水管的水量
如果支管水流量直接由下式确定:
W=
Q
CρΔt 　　　　(2)
其中　　W—支管水流量,m3/ s ;
Q —设计工况下机组冷负荷KW;
C —4119 ,水的比容;
ρ—冷水的密度;
△t —冷水供回水温差,为5 ℃。
冷水系统按这种方法计算确定各空调机组支路的水流
量。这样计算出来的水量足以满足房间负荷要求。
前已述,空调冷水系统中普遍存在着小温差大流量现
象。如果设计水流量按最大设计冷负荷由公式(2) 确定,那
么在最大设计冷负荷时,通过空调机组的冷水量仍然可以提
供满足负荷要求的冷量。而实际工程运行时,满负荷运行的
时间每年不超过10 —30 小时。
表2 　北京地区旅馆类建筑夏季运行平均空调负荷
时间频数(按平均2850 小时计) [5 ] :
负荷% 5 10 15 20 25
时间% 1212 615 1114 1212 819
时间累积% 1212 1817 3011 4213 5112
负荷% 30 35 40 45 50
时间% 716 717 712 515 416
时间累积% 5818 6615 7317 7912 8318
负荷% 55 60 65 70 75
时间% 410 313 215 212 117
时间累积% 8718 9119 9316 9518 9715
负荷% 80 85 90 95 100
时间% 112 017 013 012 011
时间累积% 9518 9715 9817 9914 100
　　从表2 中可知,50 %负荷以下的时间累计占8318 % ,大
于50 %空调负荷的时间只占1612 %。而另一方面,由于空调
设备的选择仍然偏大,因此表冷器的迎风面积相对较大,因
此有利于冷水系统达到5 ℃的温差。
3. 2 　水管管径的优化确定
实际上,水泵的确定和管径的确定是密切相关的。目前
对冷水系统水力计算方法还没有一定的标准,一般是采用与
采暖中的水系统计算方法中的等温降法类似的方法计算。
热水采暖计算中等温降法有两种情况[6 ] :
(1) 已知各管段的流量、给定最不利环路各管段的管径,
确定系统所必须的循环压力:
(2) 根据给定的压力损失,选择流过给定流量所需要的
管径。
常规空调冷水系统水力计算所采用的方法多为方法1) 。
在设计中可不可以采用方法(2) 进行设计呢?
先讨论采用这种方法的益处。这种方法是先确定水泵
扬程,然后调整水管系统的管径,使系统差不多消耗完水泵
的扬程。对于同一种水泵方案来说,水泵能耗相同,但系统
没有过大的水泵压头。因为水管通过减小管径来消耗水泵
压头,所以水管一次投资小。同时由于加在平衡阀门上的压
差达到最小化,使得运行维修费用减少。因此采用这种方法
具有明显的经济性。但这种方法的困难在于计算时需要不
断地调整水管的管径。如果用手工来完成这项工作无疑于
天方夜谭。然而计算机的出现使这项工作变得非常简单,使
之可行。
通过编程,先计算系统最不利环路,确定最不利环路各
管段的管径,及各支路的可资用压力。这一步调整管径时,
如果系统压力(包含一定的安全系数) 大于水泵压头,则将阻
力最大的管段管径增加一级;否则如果系统压力小于水泵压
头,则将阻力最小的管段管径减小一级。下一步是计算确定
每个支路的管径。按可资用压力,同第一步,计算每个支路,
确定各支路的管径。因此采用这种方法的另一个益处是可
将阀门的数量减到最少,并且能够简化系统调试。
3. 3 　水泵的优化选择
因为国内水泵生产是几种有限的系列,对应于某一水
量,合适的水泵型号是有限的几种,所以设计时可以先确定
冷水泵的水量,然后按这个水量选择可能的几种水泵扬程。
最后根据这几种扬程分别进行一次冷水管网的设计,确定各
段水管的管径。
按照上面的步骤,将会得出几种不同的方案。最优的方
案必须经过技术经济比较才能得出。
技术经济比较可采用年计算费用比较法,年计算费用比
较法有静态或动态法两种。本文所采用方法为静态法。其
计算公式如下:
z = xt·k + C 　　　元/ 年　　　　(3)
式中　　z —年计算费用
C —年经营费用
k —投资额
xt —标准投资效果系数,等于1/ tt
tt —标准投资回收年。
为简化计算,年经营费用只考虑水泵在设计条件下的运
行费用。
· 1 4 · 建筑热能通风空调
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4 　实例分析
某度假村一宾舍,共有三层,并另有一设备间和冷冻机
房,经过计算该楼系统夏季需冷负荷为189997W。采用半集
中式空调,空气- 水系统,新风经预处理后有组织地送入室
内。
　　本文只计算了其空调系统的一个分系统。市电价格取
为018 元/ kwh ,钢管价格为6000 元/ 吨。空调机组与冷水机
组总阻力为8m。
水泵为凯泉水泵,表3 为几种水泵的计算结果。表4 为
计算所得的最不利环路管径。
最优方案与投资回收年及年运行小时数有关,由表3 可
知,最优方案选择扬程为16196m 的水泵,其年计算费用为
7831150 元。
表3 　不同水泵方案比较
扬程
(m)
水泵
效率
管价
(元)
年运行
费用
投资回
收年
年计算费
用(元)
10196 0166 28284194 553186 2 14696133
11140 016 2840512 633172 2 14836132
16196 0166 13948171 857115 2 7831150
16198 0158 13948117 976167 2 7950175
18100 0157 13948117 1053141 2 8027149
25180 0158 13948117 1483175 2 8457183
30119 0151 13948117 1975112 2 8949121
39184 0155 10925171 2416166 2 7879151
39184 0155 10925171 2416166 2 7879151
48116 0146 10925171 3492152 2 8955138
60196 0139 10925171 5214153 2 10677139
77171 014 10925171 6481165 2 11944151
77174 014 10925171 6484118 2 11947103
5 　结论
由以上讨论,如果采用本文所使用的方法进行空调冷水
系统管路的设计计算,不仅可以避免选择过大的水泵,而且
还可以使系统在计算时就达到最佳的水力平衡状态。更重
要的是,这种方法可以在多种可选水泵中选择年计算费用最
少的水泵及水管方案。当然在本文讨论中已经极大的简化
了系统,没有考虑保温材料及水系统阀门的投资。在工程计
算中这些都是必须考虑的投资。
表4 　最不利环路计算结果表
段号
管长
m
管段流量
(kg/ h)
公称直
径DN
水管流速
mps
局部阻力
m 水柱
总阻力m
水柱
1 9414 1602010 100 015043 010125 013631
2 313 710010 32 119648 011773 017182
3 118 444010 32 112287 011309 012546
4 610 407010 32 111263 010582 014092
5 114 370010 32 110239 010481 011168
6 610 333010 32 019215 010390 012810
7 312 296010 32 018191 010753 011791
8 610 259010 32 017167 010236 011755
9 114 222010 25 110770 010533 011579
10 610 185010 25 018975 010370 013568
11 312 148010 25 017180 011026 012154
12 610 111010 20 018694 010347 014334
13 114 74010 20 015796 010154 010593
14 1618 37010 20 012898 010368 011828
15 114 74010 20 015796 010154 010593
16 610 111010 20 018694 010347 014334
17 312 148010 25 017180 011026 012154
18 610 185010 25 018975 010370 013568
19 114 222010 25 110770 010533 011579
20 610 259010 32 017167 010236 011755
21 312 296010 32 018191 010753 011791
22 610 333010 32 019215 010390 012810
23 114 370010 32 110239 010481 011168
24 610 407010 32 111263 010582 014092
25 118 444010 32 112287 011194 012431
26 313 710010 32 119648 013348 018757
27 9414 1602010 100 015043 010148 013654
　　总之这是一种值得推广采用的水系统设计方法,这种方
法同样也可以在冷却水系统的设计中采用。BEE
参　考　文　献
1 　中华人民共和建设部,旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设
计标准,GB50189 —93
2 　路延魁等,空气调节设计手册(第二版) ,中国建筑工业出版社
3 　钱以明,高层建筑空调与节能,同济大学出版社
4 　ASHRAE Fundamental Handbook 1997
5 　张邪锐、单寄平,对北京旅馆建筑全年空调负荷的初步分析研究,
制冷学报,1989、1
6 　李先洲等,暖通空调规范实施手册,中国建筑工业出版社,1999、7
The Re search on the Optimized De sign Method
of the Constant Flow Chilled Water System
by Jiang Chuangxia
Abstract 　An optimized design method of chilled water systems of air conditioning is presented on the
base of analyzing the normal design method , which calculates the hydronic system after selection of the pumps
according to the chilled water flow volume.
Key words 　Chilled water system ,Optimized design method ,Pump
· 2 4 · 2000 年第4 期
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