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辽宁工程技术大学硕士学位论文1第一章绪论1.1课题提出的背景1.1.1目前室内环境的主要处理方式[1]①现有空调系统的分类目前的空调系统，根据传输冷（热）量介质的种类来分类，可以分为：冷媒直接蒸发系统、全空气系统、全水系统和空气－水系统。冷媒直接蒸发系统：将制冷系统的蒸发器直接安装在室内来处理空调房间热、湿负荷的空调系统。其主要的系统形式为：分体式空调器系统、单元式空调器系统，智能多联空调系统。这样的空调具有除湿模式，因为在除湿模式下，制冷剂蒸发温度较正常制冷模式的工作状态低，从压焓图上可以看出，降低蒸发温度，要想有相同的制冷量，能耗会增加。全空气系统：空调房间内的室内负荷均由经过处理的空气来负担的空调系统。其主要的处理形式有：全新风系统、一次回风系统或者二次回风系统。夏季，在消除室内余热余湿后，使室内的温湿度达到设计要求的范围内；冬季，在保证室内的采暖要求的同时，保证室内有舒适的湿度。因为空气的比热容较小，消除余热、余湿所需的风量大，风道的断面尺寸大，需要占据室内的空间较大。全水系统是指空调房间的热、湿负荷全靠水作为冷、热介质来负担。其主要形式为：风机盘管机组空调系统。风机盘管承担空调房间的全部负荷，该系统有这样的缺点，室内空气品质较差；在湿度大的地区或季节，除湿能力显得较弱，同时应用常规铝合金风口的时候，风口表面容易结露。空气－水系统：空调房间的热、湿负荷主要由冷（热）水来负担，各空调区域输送经过处理的新风加以改善空气质量。该系统是新风加风机盘管机组的空调系统。夏季供给风机盘管7-12℃的冷水，对室内空气进行降温、除湿；冬季供给风机盘管50-60℃热水(如主机用水、地源热泵，受自然环境的影响，供水温度会低一些)，加热室内空气，满足采暖的需求。风机盘管所需的冷水和热水，由制冷机房和换热站集中供给。供给新风是为了改善室内空气品质。由于新风仅负担部分房间负荷或不负担房间负荷，因此风量远小于全空气系统，新风风道的断面尺寸较小，占据室内的空间相对小一些。②室内温、湿度环境的处理方式现有的空调系统，多用温、湿度耦合的处理方式。夏季，采用冷凝除湿方式（采用7℃的冷冻水或冷媒直接蒸发）实现对空气的降温与除湿处辽宁工程技术大学硕士学位论文2理。经过冷凝除湿后，虽然空气的湿度（相对湿度）满足了要求，但温度过低，在温度要求精度高的时候，还需要对空气再热才能满足送风温度的要求。在要求不高的舒适性空调系统中，通常不对空气进行加热处理，而是将冷却除湿后的空气直接送到空调房间，即房间的湿度仅是由冷凝除湿的方式进行控制。送风参数的控制主要采用温度控制，即通过调节送风量与送风温度，以满足室内的温度要求。以下给出了几种常用的空气处理过程。③常用的空气处理过程在常规空调系统中，利用制冷机制备出7℃冷冻水（或制冷剂直接蒸发），用于去除空调房间所有的潜热负荷和显热负荷。制冷主机有用电力驱动的，如涡旋式制冷机、螺杆式制冷机、离心式制冷机等；也有利用热能驱动的，如溴化锂吸收式制冷机等。对于一次回风的全空气系统，典型的空气处理过程如图1.1所示。室外新风W和室内回风N混合到状态点C，经过冷凝去湿后到达状态点L，状态点L也称为机器露点，其相对湿度一般在90﹪～95﹪之间，再从状态点L加热到状态点O，然后送入空调房间。图1-1一次回风的全空气系统的空气处理过程Figure1.1Airhandlingofprimaryreturnintotalairsystem对于新风加风机盘管的半集中式空调系统，典型的空气处理过程如图1.2所示，新风被处理到室内相对湿度值与温度值，送入空调房间。目前国内常用的形式是新风机组和风机盘管均采用7℃冷冻水为冷源，对空气进行温、湿度处理，整个系统简单容易操作。新风机组主要负担新风的热、湿负荷和部分室内显热负荷，风机盘管主要负担室内的热、湿负荷（从室内N点处理到L′点）。LONCWL’LONW辽宁工程技术大学硕士学位论文3图1.2风机盘管加新风系统的空气处理过程Figure1.2AirHandlingthroughFan-CoilUnitwithFreshAirSupplyingSystem1.1.2现有空调系统存在的问题①温湿度联合处理有能源损失从健康与热舒适角度考虑，要求对室内温、湿度进行全面处理。夏季，人体感知的温度舒适区为25℃左右，相对湿度60﹪左右，此时露点温度为16.6℃。空调降温、除湿的过程可以看成是从25℃室内环境中向室外排放热量，在16.6℃的露点温度的室内环境下向室外排放水分。目前空调系统的降温、除湿都是通过表冷器对空气进行冷却或冷凝除湿，再将冷却干燥的空气送入空调房间，实现降温、除湿的目的。如果空调系统仅需满足室内降温的要求，则冷源的温度只要低于室内空气的干球温度（25℃）即可，考虑到传热温差与介质的输送温差，冷源的温度只需要15～18℃。空调系统为了满足室内除湿的需要，由于采用冷凝除湿方法，冷源的温度必须低于室内的露点温度（16.6℃），考虑5℃传热温差和5℃介质输送温差，实现冷凝除湿要达到的16.6℃的露点温度，需要冷源温度达到6.6℃的，这就是现有系统采用5～7℃的冷冻水或房间中采用直接蒸发的空调器中制冷剂的蒸发温度多在5℃的原因。在空调系统对空气处理过程中，显热负荷（排热）约占总负荷的50﹪～70﹪，而潜热负荷（排湿）约占总负荷的30﹪～50﹪。占总负荷一半以上的显热负荷部分，本可以采用高温冷源除去的热量，却与除湿一起共用5～7℃的低温冷源进行处理，造成能量利用品位上的浪费，这种浪费在空气湿度较大的热湿地区尤为突出。而且，经过冷凝除湿后的空气，虽然湿度（含湿量）满足要求，但对于有些场合温度过低（此时相对湿度约为90﹪）需要对空气进行再热处理，使之达到送风温度的要求，这又造成了能源的浪费。②难以适应温湿度比的要求建筑物的显热负荷由围护结构传热、室内灯具、人员和设备发热量等组成。潜热负荷由室内人员散湿、敞开水面散湿、植物蒸发散湿等构成。通过冷凝除湿的方式对空气进行冷却和除湿，其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化，如图1.3所示中N、B、W围成的三角形区域（其中室内空气的状态点N，对应的露点为B，冷水的状态点为W）。而建筑物实际需要的热湿比却在较大的范围内变化。一般室内的湿负荷主要产生于人体，当室内人数不变时，产生的潜热量不变。但显热却随室外气温、室内设备状况等的变化发生大幅度的波动。而有些场合，室内人数可能有辽宁工程技术大学硕士学位论文4较大的变化，但是潜热量的变化很难与显热量的变化成正比。这种变化的显热与潜热比与冷凝除湿的空气处理方式的基本固定的显热、潜热比相差很大。对于这种情况，一般是降低湿度的处理精度，主要满足室内温度的要求。这样会产生相对湿度过高或过低的问题。湿度过高人体感觉不舒适，进而降低室温设定值，通过降低室温来提高舒适度，造成能耗不必要的损失；室内空气相对湿度过低，会导致由于与室外的焓差增加使处理新风的能耗增加。在一些情况下为了使温、湿度都满足舒适性要求，还需要对降温除湿后的空气进行加热，这更造成了能源的消耗。冷凝除湿的原理就是靠降温使空气冷却到露点以下而实现除湿，因此降温与降湿必然同时进行，很难随意改变二者之比。因此，要解决空气处理的显热与潜热比与室内热湿负荷相匹配的问题，就必须采用新的除湿方法。图1.3冷凝除湿的处理范围Figure1.3Treatmentrangeofcondensationdehumidification③对外部环境及室内空气质量的影响上个世纪末是制冷空调业迅速发展的时期，空调在改善人民生活质量和提高生产效率的同时，也带来了许多环境问题，现在人类正面临着越来越严峻的能源与环境危机。众所周知，当今世界十大环境问题中的第二大问题是温室效应，第三大问题是臭氧层被破坏。压缩式制冷中氟利昂被大量排放进入大气层后，几乎全部浮升到03层，在紫外线的作用下，CFCs产生的Cl-，与03进行化学反应，从而消耗了大气层中的臭氧，使臭氧层的厚度减薄或出现臭氧层空洞。臭氧层被破坏，增加了太阳对地球表面的紫外线辐射强度，紫外线辐射变强会使人的免疫系统受到破坏，人的抵抗力下降，导致皮肤癌、白内障等患者增多。臭氧层的耗减，使全世界农作物、鱼类等水产品减产；导致树木坏死；加速塑料制品老化；城市光化学烟雾的发生频繁等。CFC也是产生温室效应的气体，使地球的平均气温升高，使南北极与青藏高源冰雪融化，海平面上升，土地沙漠化加剧，危害地球上多种生物，破坏生态平衡。环境专家警告，如果任其发展下去，将BNW辽宁工程技术大学硕士学位论文5给人类赖以生存的环境造成巨大的破坏。世界各国不得不采取行动，先后签署了《保护臭氧层维也纳公约》、《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协议书》等，这是保护臭氧层而进行的全球合作开端。另外《京都议定书》确定CO2\HFCs等六种气体为受管制的温室气体，并且限制上述温室气体排放总量。我国也制定了《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质的国家方案》，逐步走淘汰工商制冷行业的CFCs的技术路线。减少这些有害气体的方法之一就是开发出新的无污染的制冷剂，研制氟利昂制冷剂的替代产品。美国杜邦公司率先研制出了氟利昂的代替产品SUVA新型制冷剂，它对臭氧的破坏比氟利昂减少98﹪；目前，虽然已有合成产品HFC-R134a制冷剂代替氟利昂，虽然减少了对臭氧层的破坏，但会产生温室气体，大量使用存在使全球气候变暖的问题。随着空调的广泛使用，空调病也越来越引起关注。尤其是经过非典后，人们对空调可能带来的健康问题越来越关注。空调引发的健康问题主要由霉菌、粉尘和室内散发的VOC（可挥发有机物）造成。大多数空调依靠空气通过冷表面对空气进行降温除湿。这就导致冷表面变得潮湿甚至产生冷凝水。空调停机后这样的潮湿表面就成为霉菌繁殖的最好的场所。空调系统繁殖和传播霉菌就会可能引起健康问题。可是空调的作用就是降温除湿。冷凝除湿的过程中不可避免地出现潮湿表面。用哪种方法实现空气除湿而不出现潮湿表面，成为实现无霉菌的健康空调的首先要解决的问题。为了提高空气品质，从室外引入室内的新风需要过滤除尘。目前我国大多数城市的大气污染物仍是可吸入颗粒物，因此有效的过滤引入室内的新风，对于保持室内健康环境显得尤为重要。然而过滤器内必然积累大量粉尘。如果再漂溅一些冷凝水，则过滤器上面也会繁殖各种微生物。频繁清洗过滤器既不现实，也不是根本的解决方案。过滤器的表面处理面积比较大，过滤粉尘过程中释放各种VOC、臭氧等，将严重影响室内空气品质（Fanger，2004）。排除室内装修与家具产生的VOC、排除人体散发的异味、降低室内CO2浓度，最有效的措施是加大室内通风换气量。然而大量引入新风需要消耗大量冷量（热量）去对新风进行降温除湿（加热）。当建筑物围护结构隔热性能良好，室内发热量不大时，处理新风需要的冷量占总冷量的一半甚至一半以上。要进一步加大新风量，就往往意味着增加空调的能耗。怎样才能加大新风量而又不增加空调能耗，是目前我们需要解决的一个问题。④能源供给问题城市化发展的加速，必然使建筑能耗的消耗急剧加大，日益加大了对国民经济发展和人民的日常工作生活的影响。我国建筑能耗所占社会商品能源总消费量逐年都在增长，2001年建筑能耗已经占全国能源消费总量辽宁工程技术大学硕士学位论文6的27.5﹪。建筑能耗中，暖通空调设备的能耗占有相当大的比例。随着人们生活水平的提高和生产高精度产品的增多，空调的应用越来越多，应用的范围也越来越广，因此空调的能耗也越来越多。随着能源问题的日益严重，通过采用新的空调方式来降低能耗，同时利用低品位热能作为夏季空调动力，显得迫切需要。⑤输送能耗使用空调就需要有相应的输送系统，带走余热、余湿、CO2、异味等。在中央空调系统中，风机、水泵的能耗占整个空调系统能耗的40﹪～70﹪。采用不同的输配方式、不同的输配媒介，输配系统的能耗存在着明显的差异。在常规中央空调系统中，多采用全空气系统的形式。所有的冷量全部用空气来传送，导致输配效率很低。下面对采用空气和水作为输送媒介在能源消耗方面做了对比。当两种媒介输送同样的冷量时，空气与水的质量流量比为：apwpw