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第七章　空调中央机房设计
中央机房是整个中央空调系统的冷(热)源中心,同时又是整个中央空调系统的控制调节中心。中央机房一般由冷水机组、冷水泵、冷却水泵、集水缸、分水缸和控制屏组成(如果考虑冬季运行送热风,还有中央空调热水机组等生产热水装置)。本章介绍中央空调冷(热)源的特性及选择,以及中央机房设计与布置的要求。

第一节　冷水机组的技术参数、分类和选择
一、冷水机组的技术参数
冷水机组的技术参数主要有以下几项:
1.制冷运行工况。制冷系统在不同的工作状况下运行将产生不同的工作效果。运行工况一般以冷水和冷却水的进出口水温来表示。标准制冷运行工况通常标定为:冷水进出口水温12～7℃,冷却水进出口水温32～37℃。某些进口机组的标准工况会有所不同,但一般都在冷水进口水温10～12℃、冷水出口水温5～7℃,冷却水进口水温30～32℃、冷却水出口水温35～37℃的范围内。
2.制冷量。指冷水机组在标准工况下运行的满额冷量输出,它是衡量冷水机组容量大小的主要技术指标。
3.制冷工质及充注量。制冷工质又称为制冷剂。压缩式制冷通常使用的制冷剂有R-22、R-123、R-134a等。随着为了保护大气臭氧层而限制某些氟利昂类制冷剂使用的期限渐近,将会有更多、更新的制冷剂(氟利昂替代品)出现。吸收式制冷普遍采用溴化锂(Li　Br)和水的混合溶液作为制冷工质,其中溴化锂为吸收剂,水为制冷剂。制冷工质充注量是指冷水机组制冷系统维持正常运转所需制冷剂的多少。
4.冷量调节范围。指冷水机组冷量输出的调节能力。一般用标准工况制冷量的百分率表示,无级调节则表示为有效调节范围。
5.机组输入功率。压缩式制冷指压缩机电机功率,吸收式制冷则是机内各类泵的电机功率总和。
6.冷水和冷却水流量。指在标准工况下流经冷水机组的冷水量和冷却水量。
7.水路压头损失。指冷水和冷却水分别流经冷水机组蒸发器和冷凝器时的阻力。
8.接管尺寸。指冷水系统和冷却水系统与冷水机组连接管的管径。
9.外形尺寸及重量。冷水机组外形尺寸指机组的长×宽×高,重量一般指其运行重量。
10.噪声。指冷水机组标准工况下稳定运行时产生的噪音大小,一般用L　A声级或N(NR)评价曲线表示。
二、冷水机组的分类及特征
1.常用冷水机组的分类。
常用冷水机组按其制冷原理不同,分为压缩式和吸收式两大类。压缩式冷水机组,根据其压缩机类型不同,可分为活塞式、离心式和螺杆式三种;根据其冷凝器的冷却方式不同,又可分为水冷式和风冷式。吸收式冷水机组根据其获取热量的途径不同,分为蒸汽热水式和直燃式两种。
冷水机组分类及其工作原理
分类
工　　作　　原　　理
压缩式

离心式
通过叶轮离心力作用吸入气体并对气体进行压缩
螺杆式
通过转动的两个螺旋形转子相互啮合而吸入气体和压缩气体,利用滑阀调节汽缸的工作容积来调节负荷

活塞式
通过活塞的往复运动吸入气体和压缩气体
吸收式
蒸汽热水式
利用蒸汽或热水作为热源,以沸点不同而相互溶解的两种物质的溶液作为工质,其中高沸点组分为吸收剂,低沸点组分为制冷剂。制冷剂在低压时沸腾产生蒸汽,使自身得到冷却;吸收剂遇冷吸收大量制冷剂所产生的蒸汽,受热时将蒸汽放出,热量由冷却水带走,形成制冷循环
直燃式
利用燃烧重油、煤气或天然气等作为热源。分为冷水和冷热水机组两种。工作原理与蒸汽热水式相同

2.各种冷水机组的特征及优缺点比较。
各种制冷机的优缺点比较

压缩式
吸收式
活塞式
离心式
螺杆式
单效或双效
动力来源
以电能为动力
以热能为动力
蒸汽式或热水式
直燃式
主要优点

1.在空调制冷范围内,其容积效率比较高
2.系统装置较简单
3.用材为普通金属材料,加工容易,造价低
4.采用多机头、高速多缸、短行程、大缸径后容量有所增大,性能可得到改善
5.模块式冷水机组系活塞式的改良型,采用高效板式换热器,机组体积小,重量轻,噪声低,占地少,可组合成多种容量,调节性能好、部分负荷时的COP保持不变(COP约为3.6)。其自动化程度比较高,制冷剂为R-22,对环境的危害程度小,且安装简便
1.COP高
2.叶轮转速高,压缩机输气量大,单机容量大,结构紧凑,重量轻,相同容量下比活塞式轻80%以上。占地面积小
3.叶轮做旋转运动,运转平稳,振动小,噪声较低。制冷剂中不混有润滑油,蒸发器和冷凝器的传热性能好
4.调节方便,在15%～100%的范围内能较经济地实现无级调节。当采用多级压缩时,可提高效率10%～20%和改善低负荷时的喘振现象
5.无气阀、填料、活塞环等易损件,工作比较可靠

1.与活塞式相比,结构简单,运动部件少,转速高,运转平稳,振动小。中小型密闭式机组的噪声较低。机组重量轻
2.单机制冷量较大,具有较高的容积效率,压缩比可达20,且容积效率的变化不大。COP高
3.螺杆式易损件少,运行可靠,易于维修
4.对湿冲程不敏感,允许少量液滴入缸,无液击危险
5.调节方便,制冷量可通过滑阀进行无级调节
6.制冷剂为R-22的制冷机产品,危害臭氧层的程度低,温室效应小

1.加工简单,制冷量调节范围大,可实现无级调节
2.运动部件少,噪声低、振动小。溴化锂溶液无毒,对臭氧层无破坏作用
3.热水蒸汽式可利用余热、废热及其他低品位热能
4.直燃式吸收式制冷机与单效蒸汽热水式比较,燃料消耗减少10%。机组可直接供冷和供热。一次投资、占地面积以及运行费用都比其他少。安全性比锅炉高,没有锅炉要求严格。部分负荷下运行时,相对应的热效率不会下降,其调节性能比电动
式优越
主要缺点

1.往复运动的惯性力大,转速不能太高,振动较大
2.单机容量不宜过大
3.单位制冷量重量指标较大
4.当单机头机组不变转速时,只能通过改变工作气缸数来实现跳跃式的分级调节,部分负荷下的调节特性较差
5.模块式机组受水管流速的限制,组合片数不宜超过8片。价格昂贵
1.对材料强度、加工精度和制造质量要求严格
2.当运行工况偏离设计工况时效率下降较快。制冷量随蒸发温度降低而减少;随转数降低而急剧下降
3.单级压缩机在低负荷下,容易发生喘振
4.小型离心式的总效率低于活塞式
1.单机容量比离心式小
2.转速比离心式低。润滑油系统比较庞大和复杂,耗油量较大。噪声比离心式高(指大容量)
3.要求加工精度和装配精度高
4.部分负荷下的调节性能较差,特别是在60%以下负荷运行时,性能系数COP急剧下降,一般只宜在60%～100%负荷范围内运
1.使用寿命比压缩式短
2.热效率低。热力系数单效为0.6左右、双效为1.2左右、直燃式可达1.6左右
3.操作较复杂
4.溴化锂在有不凝性气体存在时对金属腐蚀严重
5.燃油直燃式吸收式制冷需设置贮油、运油装置,给防火安全带来隐患
注:制冷系数(COP)是冷水机组在标准工况下制冷量(单位为kW)与单位输入功率制冷量(单位为kW)的比值。热力系数是吸收式冷水机组在标准工况下制冷量(单位为kW)与输入热量(单位为kW)的比值。
3.各种冷水机组的经济性比较。
冷水机组的经济性比较
比较项目
活塞式
螺杆式
离心式
吸收式
设备费(小规模)
设备费(大规模)
运行费
容量调节性能
维护管理的难易
安装面积
必要层高
运转时的重量
振动和噪声　
B
B
D
D
B
B
B
B
C
A
A
C
B
A
B
B
B
B
D
D
B
B
B
C
B
C
B
C
C
A
A
D
D
C
D
A
　注:表中A、B、C、D表示有利至不利的顺序。
4.关于制冷剂的特别说明。在诸多氟利昂类制冷剂中,R-11和R-12对大气臭氧层的破坏最大,相对温室效应最为明显。鉴于此,我国将逐步停止生产以R-11、R-12为制冷剂的制冷机。中近期将以R-22作为替代R-12的过渡性制冷剂。现正加速研究新的替代物,如R-123、R-134a等。
三、冷水机组的选择
冷水机组是中央空调系统的心脏,正确选择冷水机组,不仅是一桩工程设计成功的保证,同时对系统的运行也产生长期影响。因此,冷水机组的选择是一项重要的工作。
(一)选择冷水机组的考虑因素
1.建筑物的用途。
2.各类冷水机组的性能和特征。
3.当地水源(包括水量、水温和水质)、电源和热源(包括热源种类、性质及品位)。
4.建筑物全年空调冷负荷的分布规律。
5.初投资和运行费用。
6.对氟利昂类制冷剂限用期限及使用替代制冷剂的可能性。
(二)冷水机组的选择注意事项
在充分考虑上述几方面因素之后,选择冷水机组时,还应注意以下几点:
1.对大型集中空调系统的冷源,宜选用结构紧凑、占地面积小及压缩机、电动机、冷凝器、蒸发器和自控元件等都组装在同一框架上的冷水机组。对小型全空气调节系统,宜采用直接蒸发式压缩冷凝机组。
2.对有合适热源特别是有余热或废热的场所或电力缺乏的场所,宜采用吸收式冷水机组。
3.制冷机组一般以选用2～4台为宜,中小型规模宜选用2台,较大型可选用3台,特大型可选用4台。机组之间要考虑其互为备用和切换使用的可能性。同一站房内可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案,以节约能耗。并联运行的机组中至少应选择一台自动化程度较高、调节性能较好、能保证部分负荷下能高效运行的机组。选择活塞式冷水机组时,宜优先选用多机头自动联控的冷水机组。
4.选择电力驱动的冷水机组时,当单机空调制冷量Φ>1163kW时,宜选用离心式;Φ=582～1163kW时,宜选用离心式或螺杆式;Φ<582kW时,宜选用活塞式。
5.电力驱动的制冷机的制冷系数COP比吸收式制冷机的热力系数ε高,前者为后者的三倍以上。能耗由低到高的顺序为:离心式、螺杆式、活塞式、吸收式(国外机组螺杆式排在离心式之前)。但各类机组各有其特点,应用其所长。
6.选择制冷机时应考虑其对环境的污染:一是噪声与振动,要满足周围环境的要求;二是制冷剂CFCS对大气臭氧层的危害程度和产生温室效应的大小,特别要注意CFCS的禁用时间表。在防止污染方面吸收式制冷机有着明显的优势。
7.无专用机房位置或空调改造加装工程可考虑选用模块式冷水机组。
8.尽可能选用国产机组。我国制冷设备产业近十年得到了飞速发展,绝大多数的产品性能都已接近国际先进水平,特别是中小型冷水机组,完全可以和进口产品媲美,且价格上有着无可比拟的优势。因此在同等条件下,应优先选用国产冷水机

第二节　中央空调热源的技术参数、分类和选择
中央空调系统在冬季状况运行,可利用已有的中央空调冷水系统,通过冷热源的切换,变夏季工况的冷水循环为冬季工况的热水循环,由空调末端装置向室内供热。这样处理,不但能改善室内供热的效果,而且使空调末端一机两用,简化了系统,节省了投资,提高了系统的利用率,还使得室内采暖具有传统方式所不具备的调节自控能力。利用中央空调系统向空调房间供暖,不失为一种高效、清洁、安全、经济的现代化供暖方式。
一般情况下,中央空调系统是以夏季为设计工况的,系统和末端设备的容量也以满足夏季室内空气要求而确定。当系统在冬季运行时,只是工质由冷水更换成热水,其他部分并没有变化,这样系统的供热能力就受到一定的限制,而供热能力的不足必然使得在应用地域上受到局限。很显然,在高纬度的北方寒冷地区,单靠中央空调系统供热是不够的。因此,中央空调系统冬季供热主要应用于我国华南地区北部及长江流域地区。
本节主要介绍中央空调热源的技术参数、分类及选择。
一、中央空调热源的技术参数和分类
从目前实际使用情况看,中央空调热源主要是五大类,即中央热水机组、热交换式热水器、吸收式冷水机组采暖循环、热泵式冷水机组和电热热水锅炉。其中电热热水锅炉耗电量大,且用高品位电能量转换成低品位热能量,运行不经济,除了电力供应十分充足且便宜的地区采用外,大多数地区都弃而不用。
(一)中央热水机组
中央热水机组是为中央空调系统配套使用的专用热水供给设备,它相当于一台无压热水锅炉,主要由燃烧器、内部循环水系统、水-水热交换器和温控系统组成。机内燃烧器所产生的热量加热内部循环水,再通过机内的水-水热交换器使空调系统循环水加热,使之能源源不断地向空调系统供应热水。采用温控系统来实现自动控制,可以根据需要来改变热水的出水温度。机组适应的燃料有轻质柴油、重油、煤气、石油气等多种。标准状况下机组输出热水温度为60℃。
中央热水机组由于在实际使用中所表现出的多方面优越性而受到用户和厂家的欢迎,在近几年得到了迅猛的发展,产品质量也得到了飞速的提高。广州产“迪森”牌DSJ中央热水机组,按ISO(国际标准)进行设计制造,采用国际流行的火管三回程卧式布置,燃烧器和温控元件选用欧美进口产品,采用集中控制、联锁保护方式,具有燃烧效率高、操作维修简单方便、结构紧凑占地小、运行安全可靠稳定等优点。中央热水机组的技术参数主要有输出热量、热水流量、耗油量、电功率、进出水压降及结构尺寸等。
中央热水机组有以下特点:
1.机组采用开式结构,无压容器,符合国家劳动部门“免检”要求,运行安全。
2.机组自身备有燃烧器,不需外界提供热源,热量供应稳定可靠。
3.燃料适用种类多,可以燃用廉价的重油、废油来降低运行费用,取得较好的经济效益。
4.在非采暖季节,机组可用来生产生活热水,能实现一机多用,提高使用率。
5.机组结构集成程度高,占地面积小,与传统锅炉比较有很大优势。
6.多采用技术先进的燃烧器,燃料燃烧彻底,烟气的林格黑度可达到零级,属环保产品。
(二)热交换式热水器
热交换式热水器,实际上就是一台汽-水热交换器。它的工作原理很简单,外界锅炉所提供的高温、高压蒸汽与系统循环水在其中进行热交换,使循环水获得一定的温升,相当于系统循环水间接从锅炉获取热量。
热交换式换热器多为壳管式结构,即容积式热交换器。容积式热交换器适用于一般工业与民用建筑的热水供应系统,其热媒为高温高压的蒸汽。热交换器管程工作压力为≤0.4　MPa;壳程工作压力为0.6　MPa,出口热水温度不高于75℃。
容积式热交换器的选用需经过热力计算,然后按所需热交换面积来定型,外界所提供的蒸汽应满足热水器的设计工况要求。热水器的最终产出应该是符合中央空调设计要求的60℃热水。由于热交换式热水器仅仅只是一个热交换器,因而它的体积和占地面积均相对很小,这一点对于机房面积有限的中央机房是十分有利的。但是,由于热水器中需输入高温高压的蒸汽,故其属于压力容器类,对设备抗压能力和安全措施都有相当严格的要求,这一点务必注意。
(三)吸收式冷水机组
采暖循环吸收式冷水机组进行采暖循环时,冷却水泵及冷剂泵停止运转。吸收器的稀溶液进入高压发生器加热浓缩产生冷剂蒸气,产生的冷剂蒸气进入蒸发器,使蒸发器管内的温水吸热升温。同时冷剂蒸气凝缩成冷剂液,与经高温热交换器进入吸收器的浓溶液混合成稀溶液,再被送往高压发生器。如此循环不断,达到连续制取热水的目的。
采暖循环标准工况下,吸收式冷水机组热水进出口温度为55℃和60℃,其余技术参数参见附录Ⅲ。比较技术参数表中所列机组制冷量和供热量,以及冷水流量和热水流量,可知在标准工况下热水流量会略小于冷水流量,供热量也相应小于制冷量,这是由于机组采暖工况热力系数略小于制冷工况的缘故。这一技术特征使得用吸收式冷水机组采暖受到地域的限制,在北方地区单由吸收式冷水机组供热水会显得不够,必须辅以其他形式的热源来补充。但在南方地区特别是华南沿海地区,使用吸收式冷水机组冬季采暖就非常适合,因为华南地区冬季普遍热负荷偏小,且采暖周期短,单靠机组的产热量就足以满足采暖热量要求。
(四)热泵式冷水机组
与一般的压缩式冷水机组比较,热泵式冷水机组只是在压缩式制冷系统管路上多装了一个四通阀,其余部件无异。在冬季制冷系统运行时,通过四通阀的转换作用,使夏季运行时的蒸发器变成了冷凝器,相应地夏季运行时的冷凝器变成了蒸发器。冷凝器(冬季)中系统循环水通过对流换热,不断吸收制冷剂放出的冷凝潜热,获得一定的温升,从而可以向系统末端提供一定的热量,而达到冬季送暖的目的。由此可见,主机采用热泵式冷水机组,在系统不发生任何变化的情况下,仅依靠一个四通阀的转换作用,就能实现夏季供冷和冬季供暖。
用热泵式冷水机组供暖,其供热性能系数(供热量与输入功的比值)可达到3～4,也就是说,用热泵得到的热量是消耗电能热当量的3～4倍。供出同样数量的热,热泵远比电热器经济。
热泵式冷水机组供暖,不但热效率高,而且能避免锅炉供热和其他燃料燃烧供热对环境的污染。此外,能实现一机两用,对简化空调系统、节省投资和运行费用、方便运行管理和减少设备保养工作量都大有裨益。
考虑到冬季运行时,蒸发器(冬季)如果用水冷则可能结冻,一般热泵式冷水机组都设计成风冷式,即冷凝器(夏季)通过风扇的作用,与空气进行对流换热而将热量散发至大气中。由于冬季运行时蒸发器(冬季)的表面温度可能至0℃以下,空气通过时表面结霜,将降低热交换效率,并使翅片间空气阻力增大,故需对蒸发器(冬季)施以除霜处理,多采用热气除霜法。热气除霜时, 蒸发器(冬季)风扇停止运转,系统恢复制冷循环,启动压缩机,制冷剂高温高压蒸气进入蒸发器(冬季)管排内,待管排表面温度至8℃时即停止除霜,回复制热循环,继续供热。也有的采用热气旁通法、电加热法、热源喷淋法等办法除霜。
热泵式冷水机组所用压缩机,常用往复式或螺杆式,其与离心式压缩机相比,可以有高的压缩比,特别在室外气温低时,热泵压缩比增加且不会发生喘振现象。
目前采用往复式压缩机的容量为3～30kW(中小型)和17～80kW(大型)两类;而螺杆式压缩机的容量可达85～1000kW。室外气温高于-5℃时,宜选用往复式热泵冷水机组;当室外气温低至-10～-15℃时,则应选用螺杆式热泵冷水机组。
二、中央空调热源的选择
首先是型式的确定。综合分析中央热水机组、热交换式热水器和吸收式冷水机组供热水,各有其长也各有不足,应该根据其实际情况选用。选择中央空调热源应注意以下几点:
1.设有蒸汽源的建筑(如酒店等设有供厨房、洗衣房等使用的锅炉),可选用热交换式热水器,使一台(组)锅炉多种用途,提高锅炉使用效率,简化系统。没有蒸汽源的建筑或属加装冬季供暖热源,可选用中央热水机组。
2.中央热水机组一般以选用2～3台为宜,机组容量要大小搭配,组合方式为二大一小、或一大一小,机组之间要考虑能够互为备用和切换使用,以利于根据负荷变化来调节以及运行中的维修。
3.在有余热或废热的场所和电力缺乏或电力增容困难而燃料供应相对充足的地方,宜选用吸收式冷水机组供热水,实现一机多用,这不但能降低建设初投资,还能简化系统、减小机房占地面积、解决电力增容这一令人头痛的问题,长远来看还不受氟利昂类制冷剂禁用的影响。
4.在冬季室外气温不很低、建筑物又适合于安装风冷式冷水机组的情况下,可选用热泵式冷水机组。
5.在根据系统循环水量选择好中央热水机组的机型或根据冷量选择好吸收式冷水机组或热泵式冷水机组的机型后,通过热量校核计算,机组热量输出不够时,必须辅之以其他热源形式补充。可在系统内串接蒸汽热交换式热水器或电加热器。
然后是容量的确定。中央空调热源的作用是向系统提供热量,故整个系统的热负荷是选择中央空调热源的惟一技术指标。在进行热负荷计算,得到系统总热负荷之后,根据其大小来确定热源的容量。一般的定型产品都可以从其产品样本上直接找到有关数据。
第三节　中央空调机房的设计与布置
中央空调机房的设计与布置是一项综合性的工作,必须与建筑、结构、给排水、建筑电气等专业工种密切配合。
本专业的要求有如下几点:
1.机房应尽可能靠近冷负荷中心布置。高层建筑有地下室可资利用的,宜设在地下室中;超高层建筑根据系统划分,可设在中间楼层(技术设备层);空调改造工程或加装工程,亦可在空调建筑物外另建,或设在空调建筑物天面及其他位置,但必须保证建筑结构有足够的承重能力。
2.机房内设备力求布置紧凑,以节约占用的建筑面积。设备布置和管道连接应符合工艺流程要求,并应便于安装、操作和维修。
中央空调机房设备布置的间隔见表7-6。
兼作检修用的通道宽度,应根据设备的种类及规格确定。布置壳管式换热器冷水机组和吸收式冷水机组时,应考虑有清洗或更换管簇的可能,一般是在机组一端留出与机组长度相当的空间。如无足够的位置时,可将机组长度方向的某一端直对相当高度的采光窗或直对大门。
3.中央机房应采用二级耐火材料或不燃材料建造,并有良好的隔声性能。
4.机房高度(指自地面至屋顶或楼板的净高)应根据设备情况确定。采用压缩式冷水机组时,机房高度不应低于3.6m;采用吸收式冷水机组时,设备顶部距屋顶或楼板的距离,不得小于1.2m。
5.中央机房内主机间宜与水泵间、控制室间隔开,并根据具体情况设置维修间、贮藏室。如果机房内布置有燃油吸收式冷水机组或燃油式中央热水机组,最理想的方法是通过输油管路从另外设置的专用油库中获取燃料。如果燃油罐放置在机房内,则一定要严格按照有关消防规范进行平面布置,机房内再添置必要的消防灭火设备。
6.中央机房设在地下室时应设机械通风,小型机组按换气次数3次h计算通风量;离心式机组,当总制冷量为Φ时,通风量可按qV=36.54Φ23(m3/h)计算。
7.中央空调机房内应设给排水设施和厕所,尽量设置电话,并应考虑事故照明。
设备布置的间距
项　　目
间　距m
主要通道和操作通道宽度
制冷机突出部分与配电盘之间
制冷机突出部分相互间的距离
制冷机与墙面之间的距离
非主要通道
溴化锂吸收式制冷机侧面突出部分之间
溴化锂吸收式制冷机的一侧与墙面
>1.5
>1.5
>1.0
>0.8
>0.8
>1.5
>1.2