1 工程概述

本工程为杭州市××学院办公楼，砖混结构共三层，建筑面积1381m2。底层为教室和机房，二、三层为办公室、会议室等。业主已给出建筑平面图和各个房间的功能，要求设计本办公楼的中央空调系统，实现每个有人员房间的夏季空调供冷。

2 设计依据

2.1设计任务书

<<空调制冷课程设计提纲>>

2.2设计规范及标准

（1）采暖通风与空气调节设计规范(GBJ19-87 2001版)

（2）房屋建筑制图统一标准（GB/T50001－2001）

（3）采暖通风与空气调节制图标准（GBJ114-88）

3 设计范围

(1)中央空调系统选型，空气处理过程的确定。

(2)组合式空气处理机、空调箱、风机盘管、送风口、回风口的选型，风管布置。

(3)冷冻机组、冷却塔、水泵、膨胀水箱的选型及水系统设计。

4 设计参数[1]

4.1室外空气计算参数

4.2室内空气设计参数及有关指标

5 空调冷负荷计算

5.1相关参数的选取

围护结构参数见下表[3][4]

其它的冷负荷相关参数:

注: (1)电脑房、设备间、设备按实际发热量估算。

(2)室内保持正压，不考虑空气渗透引起的冷负荷。

(3)教室、会议室工作时段取上午8：00到12:00，下午13:00到16:00，办公室工作时段取上午8：00到晚上21:00。

(4)除机房外全部房间和走道都设置了空调，不考虑内围护结构的传热。

5.2 冷负荷计算中所用到的公式

5.2.1人体冷负荷

人体显热散热形成的计算时刻冷负荷Q，按下式计算：

Qτ=φnq1Xτ-T

式中 φ—群体系数；

n—计算时刻空调房间内的总人数；

q1—一名成年男子小时显热散热量，W；

T—人员进入空调房间的时刻，点钟；

τ-T—从人员进入房间时算起到计算时刻的时间，h；

Xτ-T—τ-Ｔ时间人体显热散热量的冷负荷系数。

人体散湿形成的潜热冷负荷Q(W)，按下式计算:

Q=φnq2

式中 q2—一名成年男子小时潜热散热量，W；

φ—群体系数。

5.2.2人体湿负荷

人体散湿量D(kg/h)按下式计算:

D=0.001φng

式中 n—房间人数；

g—一名成年男子的小时散湿量，g/h。

5.2.3灯光冷负荷

照明设备散热形成的计算时刻冷负荷Qτ(W)，应根据灯具的种类和安装情况分别按下列各式计算：

1.白只灯和镇流器在空调房间外的荧光灯

Q=1000n1NXτ-T

2.镇流器装在空调房间内的荧光灯

Q=1200n1NXτ-T

3.暗装在吊顶玻璃罩内的荧光灯

Q=1000n0NXτ-T

式中 N—照明设备的安装功率，kW；

n0—考虑玻璃反射，顶棚内通风情况的系数，当荧光灯罩有小孔， 利用自然通风散热于顶棚内时，取为0.5-0.6，荧光灯罩无通风孔时，视顶棚内通风情况取为0.6-0.8；

n1—同时使用系数，一般为0.5-0.8；

T —开灯时刻，点钟；

τ-T—从开灯时刻算起到计算时刻的时间，h；

Xτ-T—τ-T时间照明散热的冷负荷系数。

5.2.4设备冷负荷

设备散热引起的冷负荷Q(W)按下式计算:

Q=10000qX

式中 q—设备散热量，kg/h；

X—设备散热量的冷负荷系数g/h；

其中设备散热量按每平米的设备散热量与空调面积估算。

5.2.5新风冷负荷

新风全冷负荷Qq(W)按下式计算:

Qq=mdmx(iw - in)/3.6

式中 　md -- 夏季空调室外计算干球温度下的空气密度，1.13kg/m^3；

mx -- 新风量，m^3/h；

iw -- 夏季室外计算参数下的焓值，kJ/kg；

in -- 室内空气的焓值，kJ/kg。

其中新风量 = 空调房间人数 * 房间中的人均新风量

5.2.6新风湿负荷

新风湿负荷Dx(kg/h)按下式计算:

Dx=mdmx(dw-dn)0.001

式中　 mx -- 新风量，m^3/h；　

dw -- 夏季空调室外计算参数时的含湿量，g/kg；

dn -- 室内空气的含湿量，g/kg。

5.2.7外墙和屋面冷负荷

外墙和屋面冷负荷CL(W)按下式计算:

CL=FK((tl+td)Ka-tn)

式中　　F -- 外墙或屋面的面积，m2；

K -- 外墙或屋面的传热系数，W/（m2·℃）；

tl-- 冷负荷计算温度的逐时值，℃；

td-- 温度的地点修正值, ℃；

Ka-- 温度的由于外表面放热系数不同引起的温度修正系数；

tn-- 室内设计温度，℃。

2.3.8 外窗冷负荷

该冷负荷可分为三部分: 直射冷负荷CL(W),散射冷负荷CL(W),传热冷负荷CL(W),其中:

直射冷负荷 CL=FzCzDj,maxCcl

式中　　　　Fz -- 窗玻璃的直射面积，m^2；

Cz -- 窗玻璃的综合遮挡系数；

Dj, max -- 日射得热因数的最大值，W/ m^2；

Ccl -- 冷负荷系数。

散射冷负荷 CL=FsCzDj,maxCcl

式中　　　Fs -- 窗玻璃的散射面积，m^2。

传热冷负荷 CL=FK(tl -tn)。

5.3冷负荷计算

使用鸿业冷负荷计算软件对各个房间进行冷、湿负荷计算。由于篇幅有限，附录1只列出101教室的逐时负荷构成。下表列出同层面负荷最大出现时刻的各个房间负荷数据。

6 系统方案及风量的确定

一层房间空间大，人员密集，冷负荷密度大，室内热湿比小。选择一次回风的定风量单风道全空气系统。为节约能源和资投，只进行单参数的露点送风。二、三楼人房间较小，选择风机盘管加新风系统，新风处理到同室内点等焓的状态，然后同风机盘管的送风混合后送入室内[2]。

6.1全空气系统的空气处理过程

一层全热冷负荷为57.651kW，人体的散发的湿负荷为6.77g/s(24.385kg/h)。热湿比8516，查焓湿图得送风温度为17.4℃。

送、回风点的焓值分别为hs=46.18kJ/kg,hn=58.85kJ/kg。焓差12.67kJ/kg。

总送风量＝3600 * 冷负荷/焓差＝16381kg/h(13651m3/h)。

总新风量为5935m3/h，新风比43.5%，回风量为7716m3/h。混合点干球温度30.3℃，湿球温度24.2℃，焓值hm=73.5kJ/kg。由于新风比很大，一层在某些部位应设排风系统，本设计说明书中暂不涉及。

6.2风机盘管加新风系统的空气处理过程

考虑到卫生和能效，选择处理后的新风和风机盘管处理过的空气混合后送入室内的方案[2]。采用新风不负担室内负荷的方式，即将送入室内的新风处理到90%相对湿度的室内等焓点l(见焓湿图)。即

下面以201为例计算风机盘管的处理状态和风量，201房间在下午14点出现最大负荷，此时参数为：全热1207W,湿负荷304g/h。取新风量为90m3/h，分析空气处理过程。

室内的热湿比为14293kJ/kg，取送风温差为8℃，室内状态点沿热湿比下降到26－8＝18℃即为送风状态点S。hs=48.8kJ/kg,焓差10.05kJ/kg。(送风温差也可按混合点相对湿度90%选取，本例选择先确定送风湿差，后效合相对湿度的方法)

总送风量＝3600 * 冷负荷 / 焓差＝432kg/h(360m3/h)。

风机盘管送风量＝总送风量－新风量＝270m3/h（276kg/h）。

风机盘管空气出口温度为16.8℃，可以处理。风机盘管的冷量即为房间的冷负荷1.207kw。由于没有找到给出显热比(SHF)的风机盘管样本，暂不对风机盘管处理的热湿比进行效合。

二层和三层各个房间的送风状态及送风量列于下表:

注：对于304活动室，由于湿负荷太大，降低湿度要求来确定送风状态。

7 空调设备的选型及布置

7.1全空气系统

7.1.1各房间风量确定及风口的选型

按负荷计算各房间风量，确定风口数量及尺寸。送风选择四面吹方形散流器。回风选择单层百叶回风口。送风散流器吼部风速取3～3.5m/s，回风百叶风口风速取4～5m/s。卫生间不回风。按房间大小及形状布置风口（见图纸）。按各房间负荷出现最大时刻选型，列于下表:

注：口型指吼部尺寸。

7.1.2送、回风管的布置和管径的确定

风管用镀锌钢板制作，用带玻璃布铝箔防潮层的离心玻璃棉板材（容量为48kg/m3）保温，保温层厚度δ＝30mm。按房间的空间结构布置送回风管的走向（见图纸），并计算各管段的风量。吊顶中留给空调的高度约为1050mm。由于建筑空间的局限，回风管干管安置在送风干管上部。根据教室内允许噪声的要求，风管干管流速取5～6.5m/s，支管取3～4.5m/s来确定管径(见图纸)。

7.1.3最不利管路的压力损失

绘制全空气系统最不利环路的轴测图，标出各段标号、长度、流量、管径。镀锌钢板粗糙度K取0.15。列表计算压力损失(见附2)[7]，以来决定空气处理机组的余静压。

相关计算公式及依据如下：

当量管径＝2 * 管宽 * 管高 / (管宽 ＋ 管高)；

流速＝秒流量/管宽/管高*1000000；

单位长度沿程阻力由流速，管径，K查设计手册阻力线图；

沿程阻力＝管段长度 * 单位长度沿程阻力；

局部阻力系数根据局部管件的形状查设计手册；

动压＝流速＾2 * 1.2/2；

局部阻力＝局部阻力系数 * 动压；

总阻力＝沿程阻力＋局部阻力。

计算得沿程阻力为59.98Pa，局部阻力为143.30Pa。取法兰，软接头等其它阻力约50Pa，则组合式空气处理机组的余静压应为250Pa。

7.1.4全空气系统空调机组的选型

全空气系统的总送风量为13651m3/h。总冷量为：

1.1*（房间内的冷负荷＋新风冷负荷）＝1.1 * 121.438＝133.6kW

根据“清华同方”组合式空调机组样本选型，选择ZKW15-JT-Z6。额定风量15000m3/h，左式，六排管额定冷量94.4kW，按新、回风混合温度为30.3℃，进水温度7℃进行修正，冷量为145.4kW。风量和冷量分别有9%，和8%的富余量。

机组取混合段＋板粗过滤＋袋中过滤＋表冷段＋垂直风机段的组合形式。机组全长3040mm。宽×高＝1660mm×1510mm。风口尺寸及定位尺寸见图纸。

7.2风机盘管加新风系统

7.2.1 各房间风机盘管的选型

选用卧式暗装风机盘管，因各房间所需处理的热湿比不同，实际选型中不可能配齐所有满足湿度要求的风机盘管。所以参考某厂家产品样本，主要通过冷量对风机盘管进行选型。吊顶中留给空调的高度约为650mm。

注：以上机外余压都为20Pa。

7.2.2风管的布置和管径确定

选择方型四面吹散流器作为送风口、单层回风百叶作为回风口。统计如下：

各个房间安装独立的风机盘管，负荷大的房间安装2个。新风管干管布置在走道中，新风支管在风机盘管的第一个出风口前与风管汇合。以新风干管风速取 4～6m/s，房间中管道取风速为2～3m/s，来确定管径。走道中风机盘管安置在新风干管下面，房间内的风机盘管与新风管同标高。具体定位尺寸见图纸。

7.2.3 新风机组的选型

二层新风量为1870m3/h，新风所需冷量20097W。根据某厂样本选择BFD－2DX吊顶式变风量系统作为新风处理机组。额定风量为2000m3/h,额定冷量25060W,风量和冷量分别有6.5%，20%的余量。机外余压180Pa。

三层新风量为2540m3/h，新风所需冷量为27300W。根据样本选择BFD-2.5DX型。额定风量2500，额定冷量31320W,风量比较接近，冷量富余13%。机外余压200Pa。

以上两机安置在走道西边的尽头，机组选择上出风型（即BFP-DIII型）,以便在干管下布置走道中的风机盘管。机组高度都为650mm,与吊顶式空余的高度正好相当，风口和定位尺寸见图纸。

8 水系统的设计

8.1　水系统方案的确定

水系统选择闭式等温变流量的形式，利用集水器和分水器之间的压差旁通阀调节负荷。冷冻水从制冷机组出来后进入分水器后分三路，分别为一楼组合式空调机组，二、三楼新风机组，二、三楼风机盘管。集分器回水后再由冷冻水泵泵入冷冻机组的蒸发器。冷冻水泵前连接膨胀水箱。新风机组和风机盘管选择垂直异程，水平同程的供回水方式。同层面的风机盘管水管从南向房间到北向房间绕一个回路同程设置。

8.2　管路的布置和管径的确定

根据二、三层风机盘管布置，连接风机盘管的供、回、凝水管路(见图纸)。冷冻水供回水管0时采用镀锌钢管；≥50时采用无缝钢管。空调凝结水管采用UPVC管。

按冷冻水供回水7/12℃计算流量,水泵压出口流速取2.4~3.6m/s，吸入口取1.2~2.1m/s，主干管流速取1.2~4.5m/s，一般管道取1.5~3m/s，闭式系统选表面当量绝对粗糙度K＝0.2mm，确定主要管段流量、流速、管径。相关公式及依据如下:

冷量(W)＝1.1 * 实际冷负荷(W)；　1W＝0.86kcal/h；

流量(kg/s)＝冷量（kcal/h）/3600(s/h)/5(℃)；

流速(m/s)＝4*流量(kg/s)/0.001/3.14/管径（mm）^2；

比摩阻(Pa/m)根据K、流速、管径查设计手册水力计算表。

凝结水管径按下表选取：

各主要管段冷冻水管及凝水管管径确定列于下表：

注：1.风机盘管干管冷量按最大负荷*1.1计算。2.风机盘管供水环路管径由大到小渐缩，回水环路由小到大渐扩，流速控制在2m/s以内计算。篇幅有限，这里不再列出。

8.3水管保温层厚度的确定

冷冻水管及冷凝水管都采用泡沫塑料保温材料(λ=0.034w/m·K)，按下列公式计算保温层厚度：[8]

式中 　t—空气干球温度，以最热有室外空气平均温度计算，℃；

tn—管道或设备内介质的温度，℃；

tw—保温层表面温度，比最热月室外空气的平均温度高2℃左右，℃；

α—空气与保温层外表面的表面传热系数，一般取5.8W/(m2·K)；

δ—保温层厚度，m；

λ—保温材料的热导率，W/(m·K)；

d0—圆形设备或管道外径，m。

按上式代入本工程数据：

由于上式为超越方程，使用数学计算软件Matlab对其数值求解，按供水管、回水管、冷凝水管tn分别取7℃、12℃、20℃来计算，绘出不同温度下的d0—δ的曲线。由于实际当中保温材料厚度是有规格的，所以实际选用要取整。根据曲线，下表列出不同水管保温层厚度的建议取值（精确到1mm）：

*此类为无缝钢管。

8.4水环路阻力损失的计算

由于水系统垂直异程，水平同程，选择三层的一条主计算环路进行水力计算[2]。绘制计算环路的轴测图，标出各段标号、长度、流量、管径，列表计算沿程和局部损失（见附3）[7]，以来决定所需水泵的扬程。

计算得管道沿程阻力和局部阻力约为226kPa，取蒸发器阻力50kPa,风机盘管阻力取30kPa，集水器，分水器及其它阻力取10kPa。总阻力约为316kPa。

9 制冷机组的选型

全楼室内冷负荷和新风负荷总计225891W。考虑机组本身和介质在泵、风机、管道中升温及泄露的损失，取1.1系数，制冷系统总制冷量取250kW。取冷冻水进出口温度为12℃、7℃时，冷冻水流量为11.94kg/s(43T/h)。取冷却塔排走热量为制冷机负荷的1.3倍[5]，冷凝器的负荷约为325kW（280kcal/h）。取冷却塔进水35℃、出水30℃，温差5℃。则冷却水流量为

(56T/h)。

根据德国“能博士”家用/商用中央空调样本选型，选择水冷半封闭螺杆式冷水机组。型号为NBSW270S，配置如下：

电源：　380－3－50　　名义冷量：270kW

能量调节：　50－75－100% 启动为25%

压缩机：数量1台　Y－Δ启动　150W油加热器

冷冻油：SUNISO5 GS

制冷剂：R22　60kg 感温式外平衡热力膨胀阀控制

蒸发器：干式壳管式　水头损失54kPa 水管接口：DN100Flg

冷凝器：卧式壳管式　水头损失55kPa 水管接口：DN100Flg

外形尺寸：长×宽×高＝3090×1100×1590mm

机组重量：1500kg　　　运转重量：1650kg

噪音：68dB(A)

在冷冻水进出水温为12－7℃、冷却水进出水温30－35℃工况下性能参数如下：

制冷量：273kW(2.35×103kcal/h) 运转电流：104A

压缩机输入功率：60.5kW,

冷冻水流量：47m3/h. 冷却水流量：60m3/h

按以上工况计算，本工程选择改机型将有8.5%冷量余量。冷冻水流量和冷却水流量也满足要求。

10 水泵的选型

10.1冷冻水泵选型

取冷冻水供回水温差5℃计算，冷冻水流量约为11.94kg/s，取1.1安全系数。冷冻水泵流量选择13.13kg/s，即47.3T/h。

扬程按下式计算[5]：

式中hf、hd-水系统总的沿程阻力和局部阻力损失，Pa；

hm-设备阻力损失，Pa；

本工程Hp=226+90=316kPa，取1.1安全系数水泵扬程选择348kPa，即35.5 mH2O。

选择ISG80-200B型立式管道离心泵，性能参数如下：

冷冻水泵选择一用一备的方式安装。

10.2冷却水泵的选型

按冷却水温差5℃计算，冷却水量为15.56kg/s。取1.1安全系数，冷却泵流量选择17.1kg/s，即61.6T/h。

水泵扬程按下式计算[5]：

式中hf、hd-冷却水系统总的沿程阻力和局部阻力损失，mH2O；

hm-设备阻力损失，mH2O；

hs-冷却塔中水的提升高度（从盛水池到喷嘴的高差），mH2O，约为1.2m；

h0-冷却塔喷嘴喷雾压力，mH2O，约为5m H2O。

本工程冷却塔设在冷冻机房屋顶，冷却水系统沿程和局部阻力损失约为80kPa，冷凝器阻力约为60kPa，Hp=8＋6＋1.2＋5＝20.2 mH2O。取1.1安全系数，冷却水泵扬程选择22.2 mH2O。

冷却水泵选择ISG100－160B立式管道离心泵，性能参数如下：

冷却水泵也选择一用一备的方式安装。

11 冷却塔和膨胀水箱的选型

11.1冷却塔选型

按冷却水温差5℃计算，冷却水量为15.56kg/s(56T/h)。选择精亚牌圆型逆流玻璃钢冷却塔，型号为5BNP60，处理水量为60T/h,富余量6.7%。功率1.5kW，噪音63dB(A)，高度3400mm，直径2215mm。

11.2膨胀水箱选型[5]

计算系统内冷冻水总容量时，按全空气系统每平米建筑0.4L取，空气－水系统按每平米建筑1L取。则总冷冻水容量

取最大水温变化为值大约为28.5-5.5=23℃。体积膨胀系数取/℃。

则膨胀水箱容积:

L

按采暖通风图集T905（二）选用规格型号圆型－2。规格尺寸和配管的公称直径如下：

公称容积0.3m3; 有效容积0.33m3;内径DN800mm; 高DN800mm;

溢流管DN40mm; 排水管DN32mm; 膨胀管DN25mm;

信号管DN20mm; 循环管DN20mm。

膨胀水箱安置在三楼屋顶，水箱自重127kg。

12 参考资料

[1] 采暖通风与空气调节设计规范（GBJ19－87） 北京：中国计划出版社. 2001

[2] 陆亚俊，马最良，邹平华等. 暖通空调. 北京：中国建筑工业出版社. 2002

[3] 杨善勤. 民用建筑节能设计手册. 北京：中国建筑工业出版社. 1997

[4] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册. 北京：中国建筑工业出版社. 1993

[5] 赵荣义等. 简明空调设计手册. 北京：中国建筑工业出版社. 1998

[6] 蔡增基　龙天渝.　流体力学泵与风机. 北京：中国建筑工业出版社. 1999

[7] 付祥钊　王岳人等. 流体输配管网. 北京：中国建筑工业出版社. 2001

[8] 彦启森. 空气调节用制冷技术. 北京：中国建筑工业出版社. 1985

[9] 姜丽荣，崔桂香，柳锋. 建筑概论. 北京：中国建筑工业出版社. 1995

办公楼空调制冷设计计算