第六章空气调节

第六章空气调节空气调节是一门采用人工方法，创造和保持满足一定温度、相对湿度、洁净度、气流速度等参数要求的室内空气环境的科学技术。空调技术在促进国民经济和科学技术的发展、提高人们的物质文化生活水平等方面都具有重要的作用。第一节空调系统的组成和分类一、空调系统的组成空调系统是指需要采用空调技术来实现的具有一定温、湿度等参数要求的室内空间及所使用的各种设备的总称。如图6-1所示，空调系统由下面几部分组成：图6-1空调系统原理图1.空调房间或空调区空调房间对温度和湿度的要求，通常用空调基数和空调精度两组指标来规定。空调基数是指室内空气所要求的基准温度和基准相对湿度，空调精度是指在空调房间内温度，相对湿度允许的波动范围。例如在N=20±1ºC和N=50±10%中，20ºC和50%是空调基数，±1ºC和±10%是空调精度。空调系统根据服务对象的不同，可分为工艺性空调和舒适性空调。工艺性空调是为工业生产或科学研究服务的空调，其室内空气参数主要是按照生产工艺或科学研究对工作区温、湿度的特殊要求确定，同时兼顾人体热舒适的要求。而舒适性空调的任务是创造一个舒适的室内空气环境，其室内空气参数主要是根据满足人体热舒适的需求确定，对空调精度没有严格的要求。2.空气的处理设备由各种对空气进行加热、冷却、加湿、减湿、净化等处理的设备组成。3.空气的输送和分配设施主要由输送和分配空气的送、回风机，送、回风管，送、回风口等设备组成。4.处理空气所需要的冷热源指为空气处理提供冷量和热量的设备，如锅炉房、冷冻站、冷水机组等。5.消声和减振设备消声和减振设备有消声器和减振器等。二、空调系统的分类随着空调技术的发展和新空调设备的不断推出，空调系统的种类也日益增多，空调系统的分类方法也很多，如按处理空气的来源不同分、按输送承担空调负荷的介质不同分等。我们这里重点介绍按空气处理设备的设置不同分，有集中式空调系统、半集中式空调系统和分散式空调系统。1.集中式空调系统集中式空调系统的特点是：系统中的所有空气处理设备，包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等都设置在一个集中的空调机房里，空气经过集中处理后，再送往各个空调房间。集中式空调主要用于工艺性空调。2.半集中式空调系统半集中式系统的特点是：除了设有集中的空调机房外，还设有分散在各个空调房间里的二次设备（又称为末端装置）来承担一部分冷热负荷。如一些办公楼、宾馆中采用的风机盘管系统就是一种半集中式空调系统。它是把空调机房集中处理的新风送入房间，与经过风机盘管处理的室内空气一起承担空调房间的热湿负荷。在半集中式系统中，空气处理所需的冷、热源也是由集中设置的冷冻站、锅炉房或热交换站供给。因此，集中式和半集中式空调系统又统称为中央空调系统。3.分散式空调系统（空调机组）分散式空调系统又称为局部空调系统。它是把空气处理所需的冷热源、空气处理和输送设备、控制设备等集中设置在一个或两个箱体内，组成一个紧凑的空调机组。可按照需要，灵活地设置在需要空调的地方。空调房间通常所使用的窗式和柜式空调器就属于这类系统。工程上，把空调机组安装在空调房间的邻室，使用少量风道与空调房间相连的系统也称为局部空调系统。第二节空调系统的冷源一、空调系统的冷源空调系统的冷源分为天然冷源和人工冷源。天然冷源一般是指深井水、山涧水、温度较低的河水等。这些温度较低的水可直接用泵抽取供空调系统的喷水室、表冷器等空气处理设备使用，然后排放掉。采用深井水做冷源时，为了防止地面下沉，需要采用深井回灌技术。由于天然冷源往往难以获得，在实际工程中，主要是使用人工冷源。人工冷源是指采用制冷设备制取的冷量。空调系统采用人工冷源制取的冷冻水或冷风来处理空气时，制冷机是空调系统中耗能量最大的设备。二、蒸气压缩式制冷的工作原理及设备按照制冷设备所使用的能源类型的不同，制冷机可划分为压缩式制冷机、吸收式制冷机和蒸汽喷射式制冷机，它们的主要特性和用途如教科书中的表6-2所示。图6-2液体气化制冷原理示意图图6-3蒸气压缩式制冷系统蒸汽压缩式制冷机组是空调系统使用最多、应用最广的制冷设备，这里就其工作原理和主要设备做些简要介绍。（一）蒸汽压缩式制冷原理蒸汽压缩式制冷是利用液体气化时要吸收热量的物理特性来制取冷量，其原理如图6-2所示。图中点划线外的部分是制冷段。贮液器中高温高压的液态制冷剂经膨胀阀降温降压后进入蒸发器，在蒸发器中吸收周围介质的热量气化后回到压缩机。同时，蒸发器周围的介质因失去热量，温度降低。点划线内的部分称为液化段。其作用是使在蒸发器中吸热气化的低温低压气态制冷剂重新液化去制冷。方法是先用压缩机将其压缩为高温高压的气态制冷剂，然后在冷凝器中利用外界常温下的冷却剂（如水、空气等）将其冷却为高温高压的液态制冷剂，重新回到贮液器去用于制冷。由此可见，蒸汽压缩式制冷系统是通过制冷剂（如氨、氟利昂等）在如图6-3所示的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等热力设备中进行的压缩、放热、节流、吸热等热力过程，来实现一个完整的制冷循环。(二)蒸汽压缩式制冷循环的主要设备1.制冷压缩机制冷压缩机的作用是：（1）从蒸发器中抽吸气态制冷剂，以保证蒸发器中具有一定的蒸发压力；（2）提高气态制冷剂的压力，使气态制冷剂在较高的冷凝温度下被冷却剂冷凝液化。制冷压缩机的型式很多，根据工作原理的不同，可分为容积式和离心式两类。容积式制冷压缩机是靠改变工作腔的容积，把吸入的气态制冷剂压缩。活塞式压缩机、回转式压缩机、螺杆式压缩机等都属于容积制冷压缩机。离心式制冷压缩机是靠离心力的作用，连续地把吸入气态制冷剂并压缩。2.冷凝器冷凝器的作用是：把压缩机排出的高温高压的气态制冷剂冷却并使其液化。根据所使用冷却介质的不同，可分为水冷冷凝器、风冷冷凝器、蒸发式和淋激式冷凝器等类型。3.节流装置节流装置的作用是：（1）对高温高压液态制冷剂进行节流降温降压，保证冷凝器和蒸发器之间的压力差，以便使蒸发器中的液态制冷剂在所要求的低温低压下吸热气化，制取冷量；（2）调整进入蒸发器的液态制冷剂的流量，以适应蒸发器冷负荷的变化，使制冷装置更加有效地运行。常用的节流装置有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力式膨胀阀和毛细管等。4.蒸发器蒸发器的作用是：使进入其中的低温低压液态制冷剂吸收周围介质（水、空气等）的热量气化，同时，蒸发器周围的介质因失去热量，温度降低。（三）制冷剂、载冷剂和冷却剂制冷剂是在制冷装置中进行制冷循环的工作物质。目前常用的制冷剂有氨、氟利昂等。为了把制冷系统制取的冷量远距离输送到使用冷量的地方，需要有一种中间物质在蒸发器中冷却降温，然后再将所携带的冷量输送到其他地方使用。这种中间物质称为载冷剂。常用的载冷剂有水、盐水和空气等。为了在冷凝器中把高温高压的气态制冷剂冷凝为高温高压的液态制冷剂，需要用温度较低的物质带走制冷剂冷凝时放出的热量，这种工作物质称为冷却剂。常用的冷却剂有水（如井水、河水、循环冷却水等）和空气等。三、冷水机组冷水机组是把整个制冷系统中的压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等设备，以及电气控制设备组装在一起，为空调系统提供冷冻水的设备。冷水机组的类型众多，主要分为压缩式和吸收式两类。其中，压缩式冷水机组又可分为活塞式、离心式、螺杆式等类型。冷水机组的主要特点是：（1）结构紧凑，占地面积小，机组产品系列化，冷量可组合配套，便于设计选型，施工安装和维修操作方便；（2）配备有完善的控制保护装置，运行安全；（3）以水为载冷剂，可进行远距离输送分配和满足多个用户的需要；（4）机组电气控制自动化，具有能量自动调节功能，便于运行节能。第三节空气调节系统一、集中式空调系统集中式空调系统属于全空气系统，它是一种最早出现的基本的空调方式。由于它服务的面积大，处理的空气量多，技术上也比较容易实现，现在仍然用的很广泛，特别是在恒温恒湿，洁净室等工艺性空调场合。1.集中式空调系统的组成集中式系统的特点是：所有的空气处理设备，包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等都设置在一个集中空调机房里。空气处理所需的冷、热源由集中设置的冷冻站、锅炉房或热交换站供给，其组成如图6-4所示。图6-4集中式空调系统示意图2.集中式空调系统的分类集中式空调系统根据所使用的室外新风情况分为封闭式、直流式和混合式三种，如图6-5所示：（a）(b)(c)图6-5普通集中式空调系统的三种形式(a)封闭式系统；(b)直流式系统；(c)混合式系统N-室内空气；W-室外空气；C-混合空气；O-冷却器后的空气状态封闭式系统处理的空气全部来自室内，没有室外新鲜空气补充。这种系统冷、热耗量最少，但卫生条件很差。直流式系统与封闭系统相反，系统处理的空气全部来自室外的新鲜空气，送入空调房间吸收了室内的余热、余湿后全部排放到室外，适用于不允许采用回风的场合。这种系统的冷、热耗量最大，但卫生条件好。在以上两种系统中，封闭式系统虽然因为冷、热耗量最少，很经济，但不能满足卫生条件要求；直流式系统虽然卫生条件好，但因冷、热耗量很大，不经济。因而，两者都只是在特定的情况下使用。对于绝大多数空调系统，为了减少空调耗能和满足室内卫生条件要求，是使用部分回风和室外新风，这种系统称为混合式系统。3.集中式空调系统的主要优缺点集中式空调系统的主要优点是：（1）空调设备集中设置在专门的空调机房里，管理维修方便，消声防振也比较容易；（2）空调机房可以使用较差的建筑面积，如地下室，屋顶间等；（3）可根据季节变化调节空调系统的新风量，节约运行费用；（4）使用寿命长，初投资和运行费比较小。集中式空调系统的主要缺点是：（1）用空气作为输送冷热量的介质，需要的风量大，风道又粗又长，占用建筑空间较多，施工安装工作量大，工期长；（2）一个系统只能处理出一种送风状态的空气，当各房间的热、湿负荷的变化规律差别较大时，不便于运行调节；（3）当只有部分房间需要空调时，仍然要开启整个空调系统，造成能量上的浪费。从上面阐述可知，当空调系统的服务面积大，各房间热湿负荷的变化规律相近，各房间使用时间也较一致的场合，采用集中式空调系统较合适。二、风机盘管空调系统集中式空调系统由于具有系统大、风道粗、占用建筑面积和空间较多、系统的灵活性差等缺点，在许多民用建筑，特别是高层民用建筑的应用中受到限制。风机盘管空调系统就是为了克服集中式空调系统这些不足而发展起来的一种半集中式空调系统。它的冷、热媒是集中供给，新风可单独处理和供给，采用水作输送冷热量的介质，具有占用建筑空间少，运行调节方便等优点，近年来得到了广泛的应用。1.风机盘管的构造风机盘管是由风机和表面式热交换器（盘管）组成，其构造如图6-6。由于机组要负担大部分室内负荷，盘管的容量较大（一般3~4排），通常是采用湿工况运行。风机盘管采用的电机多为单向电容调速电机，可通过调节输入电压改变风机转速，达到调节冷热量的目的。风机盘管除了采用风量调节外，还可在盘管回水管上安装电动二通（或三通）阀，通过室温控制器调节阀门开度，用改变进入盘管的水量（或水温）调节空调房间的温湿度。2.风机盘管空调系统的组成风机盘管可以独立地负担全部室内负荷，成为全水系统的空调方式。但由于这样解决不了房间的通风换气问题，因此，通常都是和新风系统共同运行，组成空气-水系统的空调方式。因此，概括地说，风机盘管空调系统是由风机盘管机组、新风系统和水系统三部分组成。此外，为了收集排放夏季湿工况运行时产生的凝结水，还需要设置凝结水管路系统。风机盘管机组通常设置在需要空调的房间内，对通过盘管的空气进行冷却、减湿冷却或加热处理后送入室内，消除空调房间的冷（热）湿负荷。新风系统是为了保证人体健康的卫生要求，给空调房间补充新风量的设施。对于集中设置的新风系统，还可以负担一部分新风和房间的热、湿负荷。水系统用于给风机盘管和新风机组提供处理空气所需要的冷热量，通常是采用集中制取的冷水和热水。图6-6风机盘管构造示意图(a)立式；(b)卧式1-风机；2-电机；3-盘管；4-凝结水盘；5-循环风进口及过滤器；6-出风格栅；7-控制器；8-吸声材料；9-箱体风机盘管空调系统的主要优点是:(1)布置灵活，节省建筑空间;(2)各房间可独立地通