空调制冷站设计的设计方法和流程丨行有嘉

当下大型制冷空调机组在各类建筑中的应用越来越普遍，其作为空调系统的冷源部分，承担着为空调系统提供冷冻水的任务。空调制冷站主要由冷水机组、冷冻水系统、冷却水系统和管路附件等组成，它的设计是整个中央空调系统设计的重要组成部分。

在实际建筑工程设计中，通常把设计过程分为三个阶段：方案设计、初步设计和施工图设计。对于不同阶段，所要求的设计深度也是不一样的。

方案设计阶段是根据工程项目需求，提出相应的解决方案。针对工程项目的共性需求和可能的个性特点，提出满足室内需求的暖通空调整体方案和解决方式。

初步设计是结合工程项目更详细的工艺资料、设计条件和工程需求，对前期设计方案进行优化，从技术上确保优化后的方案具有可实施性。

施工图设计是把所有经初步设计落实的技术和系统等，以详细的建造用图纸表达出来，确保施工建造过程的完整性、准确性和实施性。

1.1　设计基本流程

（1）明确设计任务，收集原始资料

原始资料是设计工作的重要依据。原始资料的正确性与完整性，将直接影响设计的正确性与合理性，比如设备的选型、订货、运输、安装、运行与管理。在进行空调制冷站设计之前，应进行一系列的调查研究，准确地收集和掌握所需的各种资料。设计者需掌握的资料主要有以下方面：

①冷负荷资料

冷负荷资料是确定冷水机组容量的重要条件，是设计工作中一项重要的原始资料。空调制冷站的冷负荷一般通过空调系统设计人员在工程计算中得出。

②工程概况

在空调制冷站设计之前，应了解供冷建筑物的使用功能，是否为扩建工程，是否已预留站房位置，以及水文、工程地质及地震资料等。

③发展规划资料

在某些工程建设中，特别是对于工厂或分期建设的工程中，应考虑其近期和远期发展规划资料，并根据发展规划资料，预留由于冷负荷增加所需的扩建位置，考虑空调冷冻站的扩建问题。

④当地的气象资料

气象资料指工程所在地大气的各种参数，包括夏季空调室外计算干球温度和湿球温度、冬季空调室外计算干球温度和湿球温度、大气压、全年主导风向等。通过查阅有关手册获得。

⑤水质资料

水质资料指确定使用的冷却水及冷冻水水源的水质资料，其中应包括水源种类、供水压力及温度、水的碳酸盐硬度和酸碱度（pH值）、水中Fe、Mn含量等，以便为冷却水、冷冻水的处理提出要求。

⑥地质资料

地质资料包括工程所在地的土壤等级、土壤酸碱度、土壤耐压能力、地下水位、地震烈度等，主要由土建专业掌握。

⑦电源、热源及油、气源资料

应了解建设地区电源、电价、增容等问题；供热的可能性及供热介质种类及参数；油、气源供应的可能性及参数。

⑧有关空调工程设计规范、制图标准图集、设计辅助资料等

⑨各种设备的样本资料

包括冷水机组样本、水泵样本、冷却塔样本、水处理器和水过滤器样本、各种管件、阀门样本等。

⑩相关专业的资料

在设计时需要各专业共同协作，并提供设计中必需的条件、图纸和档案资料。对于改扩建的空调冷冻站，除需了解上述资料之外，还必须了解原有制冷设备的数量、使用年限、产品名称、制造商、产品结构特点、产品技术性能、运行情况、曾发生的事故及处理情况，原有厂房改建或变动情况，厂区有关地带的综合管线变更情况、厂区道路变更情况，空调冷冻站原有的设计图纸档案和有关专业的设计图纸档案，以及目前还存在的问题等。

（2）确定空调冷冻站的位置

空调冷冻站的位置，应该由工艺设计人员按照有关标准、规范、负荷情况及用户的要求等因素综合确定。

①空调冷冻站的位置，应尽可能靠近冷负荷的中心位置，这样便于管路布置及减少冷量损失，使室内外官网布置更加合理、经济，便于日常管理。

②氟利昂压缩式制冷机组和溴化锂吸收式机组可设置在建筑物内，也可以根据具体情况布置于地下室内及楼层上。

③空调冷冻站应尽可能靠近电源、压缩空气站等，以便节省占地面积及初投资，并利于运行、管理和维护。

（3）确定冷源方案

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.1.1条规定：供暖空调冷源与热源应根据建筑物规模、用途、建设地点的能源条件、结构、价格以及国家节能减排和环保政策的相关规定等，通过综合论证确定，并应符合下列规定：

①有可供利用的废热或工业余热的区域，热源宜采用废热或工业余热。当废热或工业余热的温度较高、经技术经济论证合理时，冷源宜采用吸收式冷水机组；

②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限制无法保证时，应设置辅助冷、热源；

③不具备本条第1、2款的条件，但有城市或区域热网的地区，集中式空调系统的供热热源宜优先采用城市或区域热网；

④不具备本条第1、2款的条件，但城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；

⑤不具备本条第1款～4款的条件，但城市燃气供应充足的地区，宜采用燃气锅炉、燃气热水机供热或燃气吸收式冷（温）水机组供冷、供热；

⑥不具备本条第1款～5款条件的地区，可采用燃煤锅炉、燃油锅炉供热，蒸汽吸收式冷水机组或燃油吸收式冷（温）水机组供冷、供热；

⑦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；

⑧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并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；

⑨全年进行空气调节，且各房间或区域负荷特性相差较大，需要长时间地向建筑物同时供热和供冷，技术经济比较合理时，宜采用水环热泵空调系统供冷、供热；

⑩在执行分时电价、峰谷电价差较大的地区，经技术经济比较，采用低谷电价能够明显起到对电网“削峰填谷”和节省运行费用时，宜采用蓄能系统供冷供热；

夏热冬冷地区以及干旱缺水地区的中、小型建筑宜采用空气源热泵或土壤源地源热泵系统供冷、供热；

有天然地表水等资源可供利用或者有可利用的浅层地下水且能保证100%回灌时，可采用地表水或地下水地源热泵系统供冷、供热；

具有多种能源的地区，可采用复合式能源供冷、供热。

（4）确定冷水机组的型号、台数

冷水机组型号、台数的选择计算主要依据总制冷量的大小，具体步骤如下。

1）确定冷水机组总制冷量

冷水机组总制冷量可按下式计算：

Q0=A1A2A3A4QAC

式中：　

Q0——电动冷水机组总制冷量，kW；

QAC——空调设计负荷，kW；

A1——同时使用系数，建筑物的同时使用系数与建筑物使用性质、功能、规范、等级及经营管理等多种因素有关，一般在0.6～1.0范围内；

A2 ——冷损失系数，可取1.05～1.15；

A3 ——事故备用量修正系数，当只有2～3台冷水机组时，需考虑在高峰负荷期间有一台机组因故障停机时，还可维持75%左右的负荷，即两台机组时，A3取1.24，三台机组时，A3取1.12，四台机组以上时A3取1.0；

A4 ——考虑设备传热及出力效率降低的系数，有的厂家样本上已提供。

但是，对国内空调工程的总结与调查表明，空调工程中存在冷水机组对于单栋建筑物的装机容量偏大的现象，因此《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.2.2条规定：电动压缩式冷水机组的总装机容量，应根据计算的空调系统冷负荷值直接选定，不另作附加；在设计条件下，当机组的规格不能符合冷负荷的要求时，所选择机组的总装机容量与计算冷负荷的比值不得超过1.1。

2）确定冷水机组类型

根据制冷量大小、冷冻水水温要求、国家能源政策和当地能源条件、当地水源条件、空调工程初投资及运行费用等多方面情况，确定冷水机组类型。目前空调系统常用的冷水机组有电动压缩式冷水机组和溴化锂吸收式冷水机组两大类，其特点如表1所示。

根据冷凝器冷却方式不同，电动压缩式冷水机组又可分为水冷式和风冷式两种。两种冷水机组对应的制冷站辅助设备也有所不同，如表2所示。风冷式冷水机组冷量相对较小，因为无需冷却水系统，故而机房设计相对简单。采用水冷式冷水机组，则必须要配套设计冷却水系统。本书主要以水冷式冷水机组为例介绍空调制冷站的设计方法。

表1　空调冷源种类及特点　

表2　水冷、风冷冷水机组对应制冷机房主要辅助设备　　

3）确定冷水机组台数

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.1.5条规定：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，应满足空调负荷全年变化规律，满足季节及部分负荷要求。机组不宜少于两台；当小型工程仅设一台时，应选择调节性能优良的机型，并能满足建筑最低负荷的要求。

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.1.6条规定：选择电动压缩式机组时，其制冷剂应符合现行有关环保的规定。

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.1.7条规定：选择冷水机组时，应考虑机组水侧污垢等因素对机组性能的影响，采用合理的污垢系数对供冷（热）量进行修正。

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.2.1条规定：选择水冷电动压缩式冷水机组类型时，宜按表3内的制冷量范围，经过性能价格综合比较后确定。

表3　水冷式冷水机组选型范围　　注：名义工况指出水温度7℃，冷却水温度30℃。

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.2.3条规定：冷水机组的选型应采用名义工况制冷性能系数（COP）较高的产品，并同时考虑满负荷和部分负荷因素，其性能系数应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189的有关规定。

根据《公共建筑节能设计标准》GB 50189的有关规定，电动压缩式冷水（热泵）机组，在额定制冷工况和规定条件下，性能系数（COP）不应低于表4的规定。

表4　冷水（热泵）机组制冷性能系数　　注：名义工况指出水温度7℃，冷却水温度30℃。

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，对空调用冷水机组，除离心机组和溴化锂机组外，一般应选用两台或两台以上；即使是选用溴化锂机和离心机，当所需较大冷量（如1160kW以上）时，也宜选用两台或多台。只有在很特殊的情况下，如工程较小、机房面积不够或投资有困难时，才可以考虑只设一台机组，但仍注意选用性能优良、生产厂商服务良好的机型。这样做具有以下优点：

①低负荷运转时，可通过运行台数的多少来达到既满足冷量的需求，又达到节能、节电和降低运行费用的目的。

②如对不同部门需要供给不同温度的冷水时，两台或多台机组可实现分区供冷，这有利于提高制冷机运行的热效率。

③选用两台或多台冷水机组时，从机房布置、零部件的互换和检修方便的观点出发，应选用同型号同冷量的制冷机组为好。当然，同一单位中不同部门所需制冷量相差较大时，也可选用不同制冷量的制冷机。

4）确定冷水机组型号

查阅冷水机组产品样本，根据制冷量选择机组型号。确定型号时需要注意以下问题：

①选择机组型号时，需要注意查看产品样本中冷水机组各种参数是在何种工况下测得的。如果其工况和设计工况一样，则直接根据制冷量选型即可。如果其工况和设计工况不一样，则需要进行换算，将设计工况下的制冷量换算成产品标注工况下的制冷量后，再进行选型。

②选择冷水机组时，制冷量必须满足设计要求。冷水机组在设计工况下的制冷量不是只要稍大于或远大于总制冷量即可，一般可以考虑10%～20%的裕量为宜，以免导致调节过程中冷量不足或产生大量浪费。

③冷水机组型号确定后，应记录所选冷水机组的各项参数，包括性能参数、尺寸、接管位置等。

各类电动压缩式冷水机组的性能参数和产品样本可参考本书第7章冷水机组部分。

（5）冷却水系统设计

冷却水系统的设计包括冷却塔的选型、冷却水泵的选型、水处理设备的选型和水力计算等。

（6）冷冻水系统设计

冷冻水系统的设计包括分水器集水器的设计、定压设备的选型、冷冻水泵的选型、水处理设备的选型和水力计算等。

（7）设备、管道布置

根据设备的选择情况和相关原则、规范进行设备布置和管道布置。

（8）选择管道、设备的保温材料并确定其厚度

（9）编制设计说明书

（10）绘制图纸