暖通空调课程设计参考书专业教学.docx

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暖通空调课程设计参考书专业教学

开封某体校科研楼空调系统设计

摘要

本设计为开封某体校科研楼空调系统设计，设计合理的中央空调系统，为室内人员提供舒适的生活工作娱乐环境。

该建筑总四层，以办公室、会议室、门厅、测力平台实验室、激光测试室等为设计对象。

总建筑面积3540.9㎡，总空调面积1984.5㎡。

通过对几种不同空调方案的考虑与比较，在负荷计算的基础上，空间较小、人员不多的房间采用风机盘管加新风系统，以此来满足室内的空气调节要求。

对各个房间进行送风量及送风参数的计算，并根据风量与冷量选取空调设备。

风机盘管采用开利42CE004200A产品，新风机组选用HDK-02系列新风机组。

空调水系统采用双管同程式系统，依据假定流速法确定管径，并进行最不利环路与最有利环路的管道不平衡率校核。

对于一些无法通过改变管径或加设阀门等常规方法调节平衡的采用调节阀进行平衡调节。

冷凝水采用集中排放至卫生间地漏。

最后对空调系统进行了简单的防腐与保温设计。

关键词：

冷热负荷，风机盘管，空气处理机组，新风机组，冷热源

第1章工程概况

§1.1工程概况

本次设计为开封某体校科研楼空调系统设计，该建筑总四层，一层层高为4.2米，其他层层高均为3.9米。

总建筑面积3540.9㎡，总空调面积1984.5。

一层为监控室、荣誉室、接待室、办公室、测力平台实验室、激光测试室等；二层为小会议室、大会议室、主任办公室、电教室、文印室等；三层为财务室、办公室等；四层为选材工作室、办公室、研究室、器材保管室、多维高速摄像室等。

设计的主要目的是对这些房间进行暖通空调的系统设计，使各功能间的室内空气符合风速、湿度、温度以及人的舒适性需要。

§1.2建筑参数

一、开封的室外气象参数【5】

开封市位于北纬34度48分东经114度20分，夏季空调室外干球温度35.20℃，夏季空调室外湿球温27.80℃，夏季空调日平均温度30.5℃，夏季室外平均风速3.0m/s，夏季空调大气透明度等级5，夏季大气压99600Pa。

二．室内设计参数【5】

根据我国国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）的规定，对于舒适性空调，室内设计参数如下表：

表1-1人员长期逗留区域空调室内设计参数

类别

热舒适度等级

温度（℃）

相对湿度（％）

风速（m/s）

供冷工况

Ⅰ

24~26

40~60

≤0.25

Ⅱ

26~28

≤70

≤0.3

注：

1Ⅰ级热舒适度较高，Ⅱ级热舒适度一般；

2热舒适度划分参见文献【5】。

不同功能房间的室内设计参数见下表：

表1-2室内设计参数

房间类型

设计温度（℃）

相对湿度（％）

夏季

办公室

监控室

接待室

会议室

电教室

文印室

激光测试室

研究室

注：

少数房间为了满足送风参数的计算，夏季相对湿度设计为55%。

详见附表送风参数计算部分。

第2章负荷计算

为了维持室内空气热湿参数在一定要求范围内时，在单位时间内需向室内供应的冷量称为冷负荷；相反，为了维持室内空气热湿参数在一定要求范围内时，在单位时间内需向室内供应的热量称为热负荷；为了维持室内相对湿度在一定要求范围内，在单位时间内需从室内除去的湿量称为湿负荷。

冷、热、湿负荷是暖通空调工程设计的基本依据，暖通空调设备容量的大小主要取决于热负荷、冷负荷与湿负荷的大小。

热负荷、冷负荷与湿负荷的计算以室外气象参数和室内要求保持的空气参数为依据。

§2.1夏季冷负荷计算【2】

冷负荷计算是空调设计及合理选用空调设备的主要依据。

从性质上来看，空调冷负荷可分为围护结构冷负荷和室内冷负荷两部分。

目前，在我国常用冷负荷系数法计算空调冷负荷。

夏季建筑围护的冷负荷是指由于室内外温差和太阳辐射作用，通过建筑围护结构传入室内的热量形成的冷负荷。

空调区的夏季计算得热量，应根据下列各项确定：

1.通过围护结构传入的热量；

2.通过透明围护结构进入的太阳辐射得热量；

3.人体散热量；

4.照明散热量；

5.设备、器具、管道及其他内部热源的散热量；

6.食品或物料的散热量；

空调区的夏季冷负荷，应根据各项得热量的种类、性质以及空调区的蓄热特性，分别进行计算。

例：

1007房间负荷计算

此房间最大值出现在13点，最大值为2507W（包括了内围护结构和设备散热）。

各层的负荷汇总见下表：

表2-11各层房间最大冷负荷汇总表

该建筑的总冷负荷为224637W（包括了设备负荷、内围护结构传热引起的负荷），冷负荷指标为113W/m2。

§2.4新风量及新风负荷

室外新鲜空气量是保障良好的室内空气品质的关键。

因此，空调系统中引入室外新鲜空气（简称新风）是必要的。

由于夏季室外焓值比室内空气焓值要高，空调系统为处理新风势必要消耗冷量。

空调系统冬季为处理新风势必要消耗热量和加湿量。

据调查，空调过程中处理新风的能耗大致占到总能耗的25%～30%，对于高级宾馆和办公建筑可高达40%。

可见，空调处理新风所消耗的能量是十分可观的。

所以，空调系统要在满足室内空气品质的前提下，应尽量选用较小的的新风量。

否则，空调制冷系统与设备的容量将增大。

一、新风量的确定

在系统设计时，一般必须确定最小新风量，此新风量通常应满足以下三个要求：

（1）稀释人群本身和活动所产生的污染物，保证人群对空气品质的要求；

（2）补充室内燃烧所耗的空气和局部排风量；（3）保证房间正压。

其中正压新风量按公式计算比较繁琐，而且在设计计算时，尚无确定的缝隙资料，因此工程中常按换气次数估算，有外窗的房间，正压新风量可取1～2次/h换气次数（根据窗的多少取值）；无窗和无外门房间取0.5～0.75次/h换气次数。

通常取上述要求计算出新风量中的最大值作为系统的最小新风量。

如果计算所得的新风量不足系统送风量的10%，则取送风量的10%。

二、新风负荷

夏季新风冷负荷按下

（2-12）

式中：

—夏季新风冷负荷，kW；

—新风量，kg/s；

—室外空气焓值，kJ/kg；

—室内空气焓值，kJ/kg。

1．夏季新风负荷计算如下：

以一层1004办公室为例：

已知：

室内设计温度为25℃，相对湿度为55%；室外温度为34.4℃，相对湿度59.9%，人数为2。

查焓湿图，室内空气焓值为53kJ/kg,室外空气的焓值为88kJ/kg,新风负荷为：

第3章空调方案的确定

§3.1空调风系统方案的确定

§3.1.1空调风系统的分类

按空气处理设备的集中程度分：

一、集中式空调系统

空气处理设备和风机等集中设在空调机房内，通过送回风管道与被调节的各个房间相连，对空气进行集中处理和集中分配。

这类系统的空气处理设备能实现对空气的各种处理过程，可以满足各种调节范围和空调精度及洁净度的要求，也便于集中管理和维护，是工业建筑中工艺性空调与民用建筑中舒适性空调所采用的最基本的空调方式。

集中式空调系统又包括一次回风系统和二次回风系统。

1.一次回风系统

一次回风系统的特点：

回风仅在热湿处理设备前混合一次；可利用最大送风温差送风，当送风温差受限制时利用再热满足送风温度。

其可以用与最大送风温差送风的公共民用建筑；室内散湿量小（热湿比小）的场合

一次回风系统综合了直流式和循环式系统的特点，其基本出发点由二：

（1）为满足室内人员所必须的卫生标准，系统向室内提供一定量的新鲜空气；

（2）为了减少全新风带来的能量损失，采用了部分回风来节省能量。

三、半集中式空调系统

通常把一次空气处理设备和风机、冷水机组等设在集中的空调机房内，而把二次空气处理设备设在空气调节区内。

这类系统与集中式空调系统相比较，省去了回风管道，送风管道面积也大为减少，节省建筑空间，是目前各类建筑尤其是高层建筑中应用最广泛且发展较快的一种空调系统。

半集中式空调系统又有风机盘管加新风空调系统和诱导器空调系统。

风机盘管加新风空调系统是空气—水式空调系统中的一种主要形式，也是目前我国多层或高层民用建筑中采用最为普遍的一种空调形式。

它以投资少，占用空间小和使用灵活等优点广泛应用于各类建筑中。

§3.2.2空调风系统的选择与论证

选择空调系统时要尽量满足以下的原则：

保证室内要求的参数，即在设计条件下和运行条件下均能保证达到室内温度、相对湿度、净化等要求；初投资和运行费用综合起来较为经济；尽量减少一个系统内的各房间相互不利的影响；尽量减少风管长度和风管重叠，便于施工、管理和测试；系统应与建筑物分区一致；一般民用建筑中的空气系统不宜过大，否则风管难于布置；系统最好不要跨楼层设置，需要跨楼层设置时，层数也不应过多这样有利于防火，有些房间高度较高（层高>5m的房间，受到空间的限制，全空气一次回风系统难以达到系统所要求的风速，应采用风机盘管加新风系统）。

综合比较该建筑均采用风机盘管加新风系统。

论证：

一、全空气一次回风系统的论证

此系统将空调机设置在专门的空调机房内，而用送风道向各空调房间供冷或供热。

其特点是：

1.回风仅在热湿处理设备前混合一次；

2.可利用最大送风温差送风，当送风温差受限制时，利用再热满足送风温度；

3.因空调机设置在机房内，运转，维修较容易，能进行完全的空气过滤，产生振动，噪声传播的问题较少；

4.因送风量大，换气充分，再加上过滤完全，房间内的空气品质较好，特别是若设置回风机或排风机时，则可在过度季节利用新风进行供冷；

5.必须有大型的空调机房；

6.当房间空间较大而分区数少时，设备费较其他方式便宜。

二、风机盘管加新风系统的论证

该系统是将风机盘管设置在空调房间内，直接处理室内空气，新风机组设置在专门机房或吊顶，用风道向各空调房间内送入处理后的新风，其特点是：

1、噪音较小，对于旅馆的客房，夜间低档运行的风机盘管机组，室内环境一般在30—40dB（A）；

2、具有个别控制的优越性。

风机盘管机组的风机速度可分为高、中、低三档；水路系统采用冷热水自动控制温度调节器等，可灵活的调节各房间的温度；是内无人时机组可停止，运行经济、节能；

系统分区进行调节控制容易。

冷热符合按房间朝向、使用目的、使用时间等把系统分割为若干区域系统，进行分区控制；

4、风机盘管机组体型小，布置和安装方便，属于系统的末端机组类型；

5、占建筑空间少；

6、对于将来建筑物的扩建，而相应增设风机盘管机组，实现比较容易。

§3.3空调水系统

§3.3.2空调水系统的选择及论证

该建筑地处我国北方地区，根据系统的形式及优缺点，本工程的建筑特征、系统大小、能源利用及投资等工程具体条件。

结合建筑情况综合比较，采用双水管夏季供冷水。

因此，本系统可以双管制供应冷冻水，且具有结构简单，初期投资小等特点。

第4章送风量、送风状态参数确定

§4.1风机盘管加新风系统送风量、送风状态参数确定

此系统中，房间的新风供应有一种方式：

新风与风机盘管的送风并联送出，各自单独送入室内。

新风与风机盘管的送风并联送出方式

此送风方式的好处新风与风机盘管的运行互不干扰，即使风机盘管停止运行，新风量仍然保持不变。

在实际工程设计中，这种方式对施工也较为简单，风管的链接方便；不利之处是室内至少要有两个送风口，对室内的吊顶装修产生一些影响。

此方式的空气处理过程在h-d图上的表示见下图。

该建筑采用的新风与盘管的布置形式对于空调专业本身来说具优缺点，但这些对使用的影响并不严重，而实际设计中，在满足使用要求情况下，如何与室内装修协调是考虑上述布置形式的一个主要因素。

本设计采用新风与风盘的送风混合后再送风的送风方式。

新风冷却去湿处理到室内空气的焓值，由风机盘管承担室内人员、设备冷负荷和建筑围护结构冷负荷。

§4.2.1风盘加新风空气处理过程的计算

本设计风机盘管加新风系统的空气处理过程如下：

新风与风盘送风相混合送风时的夏季处理过程

一．夏季处理过程的计算步骤如下：

新风被新风机组由室外状态点W处理至室内状态点N等焓线与新风机组的机器露点L,回风被风机盘管由室内状态点N处理到风机盘管的机器露点M，室内回风与新风混合到O点然后沿夏季热湿比线ε送入室内。

1.根据冷负荷

和湿负荷D，求出热湿比

在h-d图上过室内状态点N作热湿比线，与

=95％线交于O点，即送风状态点。

2.新风处理至与室内空气焓值相等线与

=95％线相交的点，即图中的L点。

3.根据冷负荷Q求出系统总回风量：

4.根据新风量确定原则，求出最小新风量

（㎏/s）。

5.确定回风经风机盘管处理后的状态，即图中M点的状态：

送风量为：

6.求出风机盘管制冷量：

7.新风负荷：

§4.2.2典型房间计算举例

一.夏季计算

以1007办公室为例进行计算。

已知：

室内设计参数：

室内温度tR=25℃,相对湿度φ=55%；室外设计参数：

室外温度tw=34.4℃，相对湿度59.9%。

室内冷负荷为Q=664.9W；室内湿负荷为D=0.194g/s

1.计算热湿比

根据室内热负荷Q和湿负荷D确定热湿比ε,

kJ/kg

2.确定送风状态点O

在h-d图上过室内状态点N作热湿比线，与φ=95％交于O点，从而确定送风状态参数：

温度

=17.0℃，焓值hO=42.9kJ/㎏，含湿量dO=10.2g/kg。

送风温差为=8℃

3.计算送风量

由冷负荷Q和室内焓值hN和送风状态点焓值hO的焓差确定送风量。

送风量

kg/s

由室内人数n=2人，每人新风量30m3/h

新风量

m3/h=0.02kg/s

回风量

kg/s

新风比

4.确定L点状态参数

过N点作等焓线与φ=95％相对湿度线交点即为L点，则L的参数为:

含湿量dL=13.55g/kg焓值hL=55.71kJ/㎏。

5.新风负荷：

风盘承担冷负荷：

第5章空调机组的选型

§5.1新风机组的选型

风机盘管加新风系统需设新风机组。

根据建筑物本身的特点及负荷大小，选用吊顶式的新风机组。

一到四层每层设置一个新风机组。

新风机组的选型说明以一层房间所选的新风机组为例。

一层房间新风机组冷负荷66.5926kW，新风量2162m3/h；经修正后冷量为21.75kW。

型号为HDK-03，额定风量3000m3/h，制冷33.9kW，制热36.2kW，均满足要求。

其他功能间的选型及其详细参数见下表。

一到四层新风机组选型

层数

冷负荷kW

新风量m3/h

修正后冷量kW

型号

额定风量m3/h

制冷kW

制热kW

一

66.5926

2162

21.75

HDK-02

1500

26.5

27.4

二

61.307

1960

21.24

HDK-01

3000

15.6

三

45.297

1260

13.96

HDK-02

2000

26.5

27.4

四

51.427

1260

13.96

§5.3风机盘管的选择

1.选择要求

（1）明确所选用机组的型式、规格、风口位置等要求。

（2）明确所选用机组的接水管左出或右出方向（与管道布置等有关）。

（3）注意出水管的保温措施，以免夏季使用时产生凝露，污损室内建筑物。

（4）机组盘管最高处设置放气阀。

采用风机盘管加新风系统，根据负荷和风量，每个功能间先预选一个风机盘管，通过气流组织计算后，如果不能满足要求，再进一步更换风机盘管的数量或类型。

第6章气流组织计算

§6.1气流组织形式

侧送是空调房间中最常用的一种气流组织方式。

一般以贴附射流形式出现，工作区通常是回流。

对于室温允许波动范围有要求的空调房间，一般能够满足区域温差的要求。

因此，除了区域温差和工作区风速要求很严格，以及送风射程很短，不能满足射流扩散和温差衰减的要求以外，通常宜采用这种方式。

在本设计中，房间符合侧送风的特点，因此，房间均采用侧送风方式。

§6.1.2气流组织方案

典型的气流组织形式包括：

（1）上送上回方式

（2）上送下回方式

（3）侧送

侧送是另一种较多应用于高层民用建筑空调的送风方式（如图6-3），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，人员基本上处于回流区，因此舒适感好。

但它要求一个房间内有两个不同高度的吊顶（或者通过走道与房间隔墙上的风口送入）。

侧送方式

§6.2侧送风的计算

§6.2.1侧送的主要方式

通常采用贴附射流的型式有下列四种：

（1）单侧上送上回、下回、或走廊回风；

（2）双侧外送回风；

（3）双侧内送下回或上回风；

（4）中部双侧内送上下回或下回、上排风。

一般层高的小面积空调房间宜采用单侧送风。

当房间长度较长，用单侧送风射程不够或当空调房间中部顶棚下安装风管对生产工艺影响不大时，可采用双侧外送的方式一高大厂房上部有一定余热量时宜采用中部双侧内送，上下回风或下回上排风的方式。

将上部的热量由上部排风口排走。

本系统中，小型的标准间等房间采用侧送风的形式。

第7章风管、水管的布置及水力计算

常用的水力计算方法有假定流速法、压损平均法和静压复得法等。

假定流速法的基本步骤：

（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最不利环路。

（2）合理确定最不利环路各管段的管内流速。

（3）根据各管段的流量和确定的流速，确定最不利环路各管段的断面尺寸。

（4）计算最不利环路各管段的阻力。

（5）平衡并联管路（确定并联管路的管径，使各并联管路的计算阻力与各自的资用动力相等），这是保证流量按要求分配的关键。

若并联管路计算阻力与各自的资用动力不相等，在实际运行时，管网会自动调整各并联管路流量，使并联管路的实际阻力与各自的资用动力相等。

这时各并联管路的流量不是要求的流量。

计算管网的总阻力。

计算不平衡率。

压损平均法的基本步骤：

（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最不利环路。

（2）根据确定的最不利环路的资用动力，计算最不利环路单位长度的压力损失。

（3）根据最不利环路单位管道长度压力损失和各管段流量，确定其各管段半径。

（4）确定各并联支路的资用动力，计算单位管长的压力损失。

（5）根据各并联支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管段管径。

静压复得法的基本步骤：

（1）确定管道上各孔口的出流速度。

（2）计算各孔口处的管内静压Pj和流量。

（3）顺着管内流向，确定第一孔口处管内流速，计算此处管内全压Pq1，和管道断面尺寸。

（4）计算第一孔口到第二孔口的阻力ΔP1~2。

（5）计算第二孔口处的动压Pd2=Pq1-ΔP1~2-Pj。

（6）计算第二孔口处的管内流速，确定该处的管道断面尺寸。

（7）以此类推，直到确定最后一个孔口处的管道断面尺寸。

一.空调风管的水力计算步骤

（1）确定空调系统风道形式,合理布置风道,并绘制风道系统轴测图,作为水力计算草图；

（2）在计算草图上进行管段编号,并标注管段的长度和风量,管段长度一般按两管件中心线长度计算,不扣除管件（如三通,弯头）本身的长度；

（3）选定系统最不利环路，一般指最远或局部阻力最大的环路；

（4）选择合适的空气流速

根据给定风量和选定流速，逐段计算管道断面尺寸，并使其符合矩形风道统一规格。

然后根据选定了的段面尺寸和风量，计算出风道内的实际流速。

（5）计算风道的沿程阻力；

（6）计算各管段的局部阻力；

（7）计算系统的总阻力；

（8）检查并联管路的阻力平衡情况。

一．冷冻水系统的水力计算方法

用假定流速法计算，相关计算公式及依据如下：

水流量的计算：

风机盘管、新风机组和空气处理机组的水流量按照产品样本取。

（1）空调水系统管径的确定

在求的各管段的设计秒流量后，根据流量公式，即可求定管径

（7-3）

式中：

mw—计算管段的设计秒流量，m3/s；

d—计算管段的管径，m；

—管段中的流速，m/s。

必须指出：

水系统中管内水流速可按下表的推荐值选用，经试算来确定其管径。

管内水流速推荐值/（m/s）

管径/mm

闭式系统

0.4-0.5

0.5-0.6

0.6-0.7

0.7-0.9

0.8-1.0

0.9-1.2

1.1-1.4

1.2-1.6

开式系统

0.3-0.4

0.4-0.5

0.5-0.6

0.6-0.8

0.7-0.9

0.8-1.0

0.9-1.2

1.1-1.4

管径/mm

100

125

150

200

250

300

350

400

闭式系统

1.3-1.8

1.5-2.0

1.6-2.2

1.8-2.5

1.8-2.6

1.9-2.9

1.6-2.5

1.8-2.6

开式系统

1.2-1.6

1.4-1.8

1.5-2.0

1.6-2.3

1.7-2.4

1.6-2.1

1.8-2.3

（2）沿程阻力的确定

水在管道内的沿程阻力：

（7-4）

式中：

—单位长度沿程阻力，Pa/m;

—管段长度，m。

（3）局部阻力的确定

水流动时遇到弯头、三通及其其他部件时，因摩擦及涡流耗能而产生的局部阻力计算公式为：

（7-5）

（4）水管总阻力水流动总阻力

（Pa）包括沿程阻力

和局部阻力

，即：

（7-6）

二、水力计算实例

以一层水系统为例进行水力计算：

一层水系统图：

一层水系统图

三层水力计算表

（1）水力计算草图。

（2）确定最远环路为1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-26；确定最近环路为1-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23-24-25-26。

（3）计算1管段阻力。

1管段承担负荷70.97kW，可定管内流量12206.8kg/h。

取管径DN65，水流速1.02m/s；查比摩阻为13.07Pa/m，1管段长度1.5m，则1段摩擦阻力为19.61Pa。

1管段有局部阻力直流三通0.1、弯头0.3，总阻力系数为0.4，可得局部阻力为209Pa。

1管段总阻力为228.6Pa。

其他管段阻力计算同此。

详细数值见表7-5.

（4）计算平衡率。

最远环路阻力为9235.3Pa，最近环路阻力为9978.4。

不平衡率=7.4%<15%

满足要求。

二、三、四层水系统图见下图7-4：

图7-4一层和四层水系统图

从机房出来到十层的最远环路为：

总供水立管——供水立管1层-10层——10层——总回水管。