空调基础与系统设计.ppt

,空调基础&系统设计,制冷与空调,制冷 指的是降低和维持某一空间或一种物质的温度，使其低于周围环境温度的过程。空调 指的是对空气进行处理，以便对其温度、湿度、洁净程度以及气流分布同时进行控制，使其满足调节空间要求的过程。,空气调节,空气调节(air-condition)是一种根据舒适或工艺的需要,对自然状态下的空气在局部范围内对其状态参数进行调控的工程技术空气调节的研究对象湿空气空气状态参数:温度,压力,比重,湿度,比焓等描述空气状况的物理量,空调的四要素,温度，湿度，清洁度与气流分布是所谓空调的四大要素，对四个要素加以调节，能够控制室内环境以达到舒适的要求。,空调的四要素,舒适的环境,左图为一认可的人体舒适的条件范围，不过随不同人群的需求，在设定的时候有不同的标准。,冷冲击：夏日制冷时，室内外温度差达到10度，从室外进出时会强烈感受到冷气与热气，使身体感到不适，这种不适称为“冷冲击”。制冷时室内外温度为37度（标准为5度）无论在何种场合温度差绝对不要超过10度。,温度:反映物体冷热程度的物理量,制冷术语(温度和湿度),制冷术语(温度和湿度),压力是单位面积所受的力，以P表示。它的单位为公斤/平方厘米。,一标准大气压：1.03公斤/平方厘米绝760毫米汞柱10.3米水柱,制冷术语（压力）,制冷术语（压力）,表压,压力是单位面积所受的力，以P表示。它的单位为公斤/平方厘米。,绝对压力（公斤/平方厘米绝对或公斤/厘米绝对）以绝对真空条件下的压力为零所测得的,表压（公斤/平方厘米G或公斤/平方厘米表压）压力表测得的压力为表压，标准大气压的表压为零。,制冷术语（压力）,真空状态:表压低于大气压的状态,0MPa.G,-0.1MPa.G,绝对真空:绝对压力=0,相对真空:大气压绝对压力0,制冷术语(热与功),SI制单位:W(瓦)KW(千瓦)英制单位:HP(马力)Btu/h(冷吨/小时)其他单位:Kcal/h(千卡/小时),制冷术语（制冷量）,制冷量又称冷量，是单位时间里由制冷机（空调器）从低温物体向高温物体所转移的热量。单位时间内由空调器产生的热量（电热型）或空调器从外界吸热后向室内输送的热量（热泵型）称为制热量，单位与制冷量相同。,单位：标准单位:瓦（W）或千瓦（KW）1W=0.86Kcal/h或1KW=860kcal/h冷吨:1吨0度的水在1昼夜(24小时)内变为0度的冰所对应的制冷能力。冷吨分为美国冷吨和日本冷吨。1美国冷吨=3024kcal/h=3.526kw1日本冷吨=3320kcal/h=3.860kw,制冷量的国际标准单位为W、KW,米制单位为千卡/小时（Kcal/h），英制单位为英热/小时（Btu/h）1W=0.86Kcal/h=3.412Btu/h 1KW=860Kcal/h 1Btu/h=0.252Kcal/h,制冷术语（显热与潜热）,热量本是为改变温度的东西,这种起改变物体温度的作用，由普通温度计测得的热称之为显热。熔化热蒸发热(汽化)热，升华热统称为状态变化的潜热。,制冷术语（显热与潜热）,制冷原理,12:气态制冷剂在压缩机中进行压缩，使制冷剂变成高温、高压的压缩气体。23：制冷剂放出冷凝热，制冷剂由气体转化成液体。34：制冷剂在膨胀阀中急剧地节流减压。41：中低温、低压的吸取热量制冷剂从液态变为气态。,压缩机,压力升高,温度升高,冷凝行程,放出热量,节流机构,压力降低,蒸发行程,吸出热量,制冷原理 基本循环,制冷循环,作为热泵的制冷机,通常将热的物体同冷的物体放再一起，热的物体变冷，冷的物体变热。正好象水从高初向低处流那样，热从热的物体往冷的物体传递。可是，使用制冷机就会把热从冷的物体转移至热的物体。制冷机恰似水泵。,制冷机是一种不吸水而吸热的泵。从这个意义上讲，制冷机可以认为是热泵。,水泵与制冷机的对比,压缩机,室内热交换器,室外热交换器,热泵循环,压缩机,室内热交换器,室外热交换器,制冷时四通阀的状态,制暖时四通阀的状态,热泵循环,空调主要部件,TC-2315A P18,系统部件-压缩机,各种压缩机结构,系统部件 涡旋式压缩机,涡旋式压缩机,全封闭活塞式压缩机,半封闭活塞式压缩机,旋转式压缩机,四通阀解剖照片,系统部件 四通换向阀,系统部件 热交换器,节流装置,节流装置的功能是调整液体管路进入蒸发器的高压液态制冷剂的流量，并保持系统高压侧和低压侧的压力差，以保证制冷剂能在蒸发器内，处在期望的低压下蒸发，与此同时也能在高压状况下在冷凝器内凝结。节流装置种类：电子膨胀阀热力膨胀阀毛细管,节流机构 电子膨胀阀,压力开关,系统部件 高压开关,系统部件 低压开关,系统部件 消音器,分配器(散流器),系统部件 分配器,系统部件 气液分离器,气液分离器安装在蒸发器和压缩机之间，起到防止液态制冷剂进入压缩机的作用。气液分离器可容纳液态制冷剂，而只把气态的制冷剂送回压缩机。混合在制冷剂的里的油在气液分离器的底部被分离出来，并同吸入的气体一起通过吸气管道内的小孔返回到压缩机内。,截止阀,安全阀及单向阀,在高压开关没有正常动作而导致异常高温时，易熔塞或安全阀会防止机组发生意外事故。易熔塞用于小型机组，安装在冷凝器内或冷凝器和调节装置之间的液体管路上。,贮液器,贮液器器被安装在冷凝器和节流器装置之间，并暂时保存着被冷凝器液化之后、被送到膨胀阀之前的制冷剂才会被提供给节流装置。贮液器也被用作过剩制冷剂储存的容器，因为在以下的几种情况里循环的制冷剂量是各不相同的。冷凝（室外）机组和风机盘管（室内）机组之间的连接管道长度。各种运行条件的改变。,系统部件-风扇,系统部件-电脑板,大金家用VRV制冷循环图,空调分类,按目的分类:舒适型工艺型按形式分类:房间空调器(分体式空调器)单元式空调机(小型中央空调系统)中央空调(集中式空调系统)按传热媒质分类:全空气方式全水方式水-空气混合方式冷媒(制冷剂氟利昂)方式,空调的分类（按传热介质分）,空冷式VS水冷式,空调箱,制冷机的分类及允许范围,离心式冷水机,吸收式冷水机,吸收式冷水机工作原理,相信专业相信大金,4、空调系统设计方法,4-1 工况设计与过程设计,得热量与冷负荷的关系得热：某时刻在内外扰作用下进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热0，意味着房间失去热量。,4-1 工况设计与过程设计,冷负荷：维持室内空气热湿参数为某恒定值时，在单位时间内从室内除去的热量，包括显热负荷和潜热负荷两部分。如果把潜热负荷表示为单位时间内排除的水分，则又可称作湿负荷。得热量和冷负荷相等吗？,负荷的大小与去除热量的方式有关,常规的送风方式空调需要去除的是进入到空气中的得热量。,冷辐射板空调需要去除的热量除了进入到空气中的得热量外，还包括部分贮存在热表面上的得热量。,各种得热进入空气的途径,潜热得热、渗透空气得热 得热立刻成为瞬时冷负荷 通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室内显热源散热 对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷 辐射得热部分先传到各内表面，再以对流形式进入空气成为瞬时冷负荷，因此负荷与得热在时间上存在延迟。,4-1 工况设计与过程设计,以普通玻璃的玻璃窗进入的太阳辐射热为例。,4-1 工况设计与过程设计,由于各围护结构内表面和家具的蓄热作用，冷负荷与得热量之间就存在着相位差和幅度差，冷负荷对得热的响应一般都有延迟，幅度也有所衰减。,4-1 工况设计与过程设计,照明得热与实际冷负荷之间的关系,由于灯光照明散热比较稳定，灯具开启后，大部分的热量被蓄存起来，随着时间的延续，蓄存的热量就逐渐减小。,得热与冷负荷的关系,得热与冷负荷的关系,冷负荷与得热有关，但不一定相等 决定因素 空调形式 送风：负荷对流部分 辐射：负荷对流部分辐射部分 热源特性：对流与辐射的比例是多少？围护结构热工性能：蓄热能力如何？如果热容为0呢？如果内表面完全绝热呢？房间的构造（角系数）注意：辐射的存在是延迟和衰减的根源！,4-1 工况设计与过程设计,一、空调负荷的特点空调冷负荷一般包括有建筑围护结构的传热量、室内照明散热量、人体散热量、动力设备散热量、新风带入的热量及各类散湿量。建筑传热量和新风带入的热量，随着室外气象条件的变化而变化。人体散湿量与建筑的使用性质、使用条件等许多因素有关，无时不在变化。对空调系统而言空调房间也不一定同时都使用。可以看出空调负荷变化的复杂性。,某地区旅馆建筑夏季从5-9月2880h的运行中，空调部分负荷时的时间频率，说明了该地区旅馆建筑夏季有80以上的时间的空调负荷，只占总设计负荷的50，只需要冷源系统设备的50投入运行，空调负荷在90以上的时间还不到1。,某地区空调部分负荷时间频率,绝大部分时间段，空调系统在部分负荷下运行。,二、过程设计暖通空调设计方法一般是以夏季或冬季室外空气设计参数为依据的典型工况进行设计的。空调冷、热负荷是按最不利工况进行计算的。因此，空调设备的选型、管道输水系统的能力可以满足最不利工况空调系统的使用要求。这种设计方法，我们称之为“工况设计”，也就是“静态设计”。按此设计方法进行工程设计，往往会出现如：空调负荷变化时，空调系统和设备不能进行相应的调节或调节性能比较差，出现大马拉小车现象。,某空调系统选择两台同型号的冷水机组，单台机组供冷量为Q，相应选择两台同型号冷水泵并联运行，单台水泵流量为G，扬程为H，如图所示。,“工况设计”条件下运行时，两台水泵并联工作点m，流量为2G，扬程为H。H=(Rl+Z)a-b-c-d+(Rl+Z)d-e-a图中曲线为系统管道特性曲线，图中曲线为两台水泵并联工作的特性曲线。,当空调负荷率为50时，只需开一台水泵即可，此时系统的阻力为H。H=(Rl+Z)a-b-c-d+0.25(Rl+Z)d-e-a设计的水泵性能是：流量为G时，扬程为H，I为一台水泵工作时管道的特性曲线。,如果要满足系统供水量G时，水泵的实际工作点为n点，则需要对管网进行节流，将特性曲线变成为。很显然，水泵的工作是很不合理的，因为水泵的扬程为H 即可，而节流损失为HH段，长期运行则会浪费大量的能量。,在低负荷情况下单位制冷量的耗电量增大。,两台相同的冷水机组，部分负荷时的耗电指标,“过程设计”也就是“动态设计”。“过程设计”就是在“工况设计”的基础上考虑空调系统的设计和设备的选型都能满足空调系统运行处于良好的状态，以达到最大程度节约能量的目的。过程设计是一个比较复杂的设计过程，设计要考虑工程各方面特点及运行方式。同时，还要了解暖通空调设备的特性，工程规模，空调负荷的变化规律及运行管理方式，都直接影响到设计方案和设备选型,旅馆建筑，空调负荷基本上属于全日型的连续负荷。负荷变化范围大，低负荷时，可能低于设计负荷的10。选择冷水机组时，要求机组能处于高效率下运行。因此，许多工程选择了离心式冷水机组和螺杆式冷水机组大、小匹配方案，充分利用离心机高负荷运行时节能的特点，又发挥了螺杆机低负荷运行时负荷调节的优势。对水泵的节能，根据空调负荷变化的特点，考虑运行调节的灵活性，水泵选型可以选择大、小泵匹配。对于大型空调系统可采用二级泵及变频调速形式。,4-2 空调冷、热负荷计算,在方案设计和初步设计阶段，一般采用冷负荷指标估算空调冷负荷。在施工图设计阶段，空调冷负荷计算所需的基础资料和数据基本齐全，冷负荷应该进行详细计算。由于围护结构都有一定的蓄热性，对负荷具有延迟和衰减作用，在进行冷负荷计算时采用非稳态计算法进行。,4-2 空调冷、热负荷计算,空调房间或区域夏季冷负荷应包括下列各项内容：（1）通过建筑围护结构传入的热量（2）通过外窗进入的太阳辐射热（3）人体散热量（4）照明散热量（5）设备散热量（6）食品或物料的散热量（7）新风带入的散热量（8）伴随各种散热量产生的潜热,4-2 空调冷、热负荷计算,空调房间或区域夏季散湿量包括下列各项内容：（1）人体散湿量（2）新风带入的湿量（3）液面或湿表面的散湿量等,4-2 空调冷、热负荷计算,1、围护结构的传热量的计算（1）外墙和屋顶传热形成的逐时冷负荷：CL=KF(twi-tn)（2）外窗内外温差形成的逐时冷负荷：QCL=KCFCC1C2(tc+td)-tn KC外窗的传热系数（W/）FC外窗面积（）；C1不同类型窗框的传热系数修正值；C2有内遮阳设施的传热系数修正值；tc玻璃窗的逐时冷负荷计算温度（）；td外窗逐时冷负荷计算温度的地点修正值（），,4-2 空调冷、热负荷计算,2、通过外窗进入的太阳辐射热形成的逐时冷负荷QCZ=C3C4C5FCJCCC_+(FC1-FC)JSCCN C3玻璃窗的遮挡系数；C4窗内遮阳设施的遮阳系数；C5窗的有效面积系数；FC窗上受太阳直接照射的面积（）；JC透过标准玻璃窗的太阳总辐射照度（W/）；CC冷负荷系数；CCN北向冷负荷系数，参见有关设计手册或设计措施；FC1外窗面积（包括窗框）（）；JS透过标准玻璃窗的太阳散射辐射强度（W/）。,4-2 空调冷、热负荷计算,3、热负荷计算冷负荷须按非稳态方法计算；热负荷可以按稳态方法计算。为什么？,冬季为什么采用稳定计算方法，而夏季采用非稳定计算方法？,比较：tw,和 t=tw-tn,CLQwinter=HG=KwFw(tw-tn),采暖热负荷计算采暖热负荷计算应包括：围护结构的传热量、渗入室内冷空气的加热量及各种修正值和附加值，室内各种稳定散热量应扣除。围护结构的基本耗热量按稳态传热计算：Q=KF（tn-twd）冷空气渗透耗热量按下式计算：Qs=0.28L（tn-twd）,空调热负荷计算空调热负荷包括：围护结构的传热量和新风的加热量，室内稳定的散热量应扣除。空调热负荷计算，主要是用于确定空调系统热源容量，空调房间末端设备的选择，一般是按夏季供冷工况时选择。在南方地区，当末端设备满足供冷工况要求时，一般都可以满足供热工况要求。空调热负荷，原则上按采暖热负荷计算方法计算，但室外计算参数的选取不同，分别对应于冬季室外计算参数和采暖室外计算参数。外门附加，高度附加一般可以不考虑，冷空气渗透耗热量由新风加热重新考虑。,4、空调负荷估算由于空调冷负荷的影响因素繁多，作用方式复杂，计算非常繁琐，在不需要或无法非常精确的情况下，如对系统进行方案设计，或尚无详细的建筑图纸，此时，往往采用冷负荷指标对系统负荷进行估算。冷、热负荷指标：单位建筑面积或单位空调面积的耗冷（或热）量。由于冷负荷的影响因素比较多，通常资料中所推荐的冷负荷指标是给出一个范围。,5、设计负荷设计负荷是选择空调系统设备容量、决定系统能力大小的依据。设计负荷要尽可能接近实际负荷值，设备选得偏小满足不了实际需求，选得过大不仅系统的初投资增大，一些设备如冷热源很可能长期在低效率工况下运行。,4.3 空调系统设计方法步骤,仔细阅读原始设计资料、文件，如设计任务书、建筑图，充分了解设计对象的特点及室内环境或工艺工程对空调系统的要求；收集相关的设计参考资料，设计手册、设计措施、设计规范（标准）、甚至产品样本等；查取室内外设计气象参数，计算空调冷、热负荷；选择和确定空调方案：空调方式、冷热源方案、系统控制方案等（需要作经济技术分析、比较）；设备选型（主机、末端设备）；,4.3 空调系统设计方法步骤,系统布置（设备、管路等的布置）；系统水力计算；风机，水泵及附属设备等设备选型；防、排烟设计；施工图绘制。首页图、平面图、剖面图、系统图（系统轴测图）、原理图、机房布置图、大样图（详图）、首页图；整理设计、计算说明书。,4.4 方案选择,方案选择的重要性:关系到初投资、能耗、运行管理等；既要注意设备性能、更要注意系统性能。冷热源方案：压缩式制冷还是吸收式制冷，是热泵式机组还是单冷机加锅炉等空调方式与气流组织形式全空气系统 风机盘管加新风系统房间气流组织形式及末端设备等,三、空调水系统,1、特点与分类特点：投资较大、水泵能耗较大、对整个系统性能影响较大分类：按供、回水管道数量分为：双管制、三管制和四管制；按水在管道内的流程分为：同程式和异程式；按系统是否有与大气直接相通分为：闭式和开式；按流量是否可调分为：定流量和变流量;按水泵系统设置分为：一次泵系统和二次泵系统,空调水系统工艺流程图,2、水系统的压力分布,水系统处于静止状态时，系统内各处的压力等于水的静水压力，其大小只与该点至膨胀水箱水面垂直高度h有关。当水泵运转时，其系统内水压分布除与水泵在系统内所处位置有关外，还与膨胀管与系统连接位置有关。,2、水系统的压力分布,a、b、c点，是工程设计中常见的膨胀水箱连接的位置。在某些情况下，也可能将膨胀水箱连接在d点。,2、水系统的压力分布,a点是水系统中工作压力最低的地方，无论在静止状态和工作条件下，a点的压力均为h，即该点的静水压力。只要该点保持正压，水系统中各个地方都不会出现负压，冷水机组入口处压力Pb为：,水泵出口处压力Pl，为水系统内最大工作压力点：,最低层风机盘管的工作压力Pf为：,2、水系统的压力分布,当膨胀水箱接至b点时，b点为恒压点，并等于h。与连接a点比较，系统的工作压力提高了Pab。,水泵出口处压力Pl，为水系统内最大工作压力点：,最低层风机盘管的工作压力Pf为：,2、水系统的压力分布,膨胀水箱接至c点时，水泵入口的压力为h，水泵出口的压力Pl，Pl=H+h。与连接b点比较，冷水机组的工作压力增大，其增加值大约等冷水机组的压力降，同时，最低层风机盘管的工作压力增加到：,Pf的工作压力往往会超过盘管的工作压力，设计时，应引起注意。对于高层建筑，应尽量降低水系统的工作压力，膨胀水箱连接在a点或b点是比较有利的，连接在a点，膨胀水箱还可以起到排放空气的作用。,2、水系统的压力分布,膨胀水箱连接在d点，只是在特定情况下才采用。为了保证a点不产生负压，应提高膨胀水箱的安装高度，从a点的h2提高至h3，且满足：,膨胀水增加的高度要大于da段管道的总压降。很明显，这样提高了水系统的静水压力。另外Pd-a是随水量变化而改变的，如果该段管道的水量增加，则Pd-a也会增大，Pa会降低，也有可能造成该点的负压。,负压有何不利影响？,2、水系统的压力分布,水系统出现负压，会从排气阀或其它不严密处吸人空气而影响水系统的正常运行。,举例：,某空调系统，两台1163kW的冷水机组，两台空调循环水泵并联使用，水泵性能Q=200m3/h，H=32m。由于回水主立管端土建结构不允许设置膨胀水箱，因而，膨胀水箱的膨胀管接至水泵出口端的供水主立管上，见图所示，膨胀水箱水位高出顶层水平干管3m。开一台水泵时，系统运行正常，当两台水泵同时运行时，顶层空调效果不好，什么原因?,举例：,膨胀水箱的高度，应保证a点不出现负压，即定压点O处的压力应大于水平管段的压降P。当一台水泵时，水量小，水平管段压降P比较小，即P3m时，顶层水平回水干管出现负压使得风机盘管的排空气阀不但不能排除空气，反而有可能会吸入空气，使风机盘管内存有空气而影响水流畅通，造成房间空调效果不佳。,3、水系统的竖向分区,为什么要进行分区？,系统中的管路和设备均有承压极限。系统的压力不能超过设备的承压能力。如果层高不高，系统压力小，可仅有一个区，冷热源放在底层或地下室内。震动和噪声均易于处理。高层建筑水系统内所承受的水压比较大，通过系统水压分布分析，考虑到各种综合因素影响，当所选用设备和构件不能承受系统水压时，水系统竖向应该进行分区。,3、水系统的竖向分区,（1）中间设置二次换热装置为了减小底层设备的承压，中间设置二次换热装置。将系统分成低区I和高区两个独立的水系统。,3、水系统的竖向分区,缺点：高区系统供、回水温度升高，空气处理设备也要求相应增大，增加工程投资，部分（高区）循环水重复扬送，增加了电能消耗。另外，大楼内另增加了水泵噪声源和管理上的不方便。有些情况下也可以将中间换热装置和高区水泵也设在空调制冷机房，因为板式换热器承压一般比较高，只需要提高水泵的承压能力。,3、水系统的竖向分区,（2）分别设置冷源为了减小下部设备的承压，将空调水系统竖向分成两个或两个以上的完全独立的系统。低区冷源设备选择水冷冷水机组，一般设在大楼的地下层。高区选风冷热泵机组布置在屋面层。低区冷水机组布置在大楼的地下层，高区选择水冷冷水机组布置在大楼中间部位的设备层。高、低区冷水机组均设置在大楼的地下层，或均设置在大楼中间设备层。,设备投资相对高些，设备的备用率相对较低，管理也相应不方便。,3、水系统的竖向分区,设计中，考虑到综合影响因素，一般将水系统垂直高度100m（最大静水压力约1MPa）作为竖向分区的界线。在实际工程中，为了系统简单、节省投资和运行费，水系统虽然超100米，竖向也不必进行分区，采用一泵到顶的系统。提高低区设备的承压等级的做法，它在一些工程中得到了应用。水系统的竖向分区方案，应该考虑到建筑特点、使用性质、设备选型及其吊装条件、运行管理和噪声影响等因素，并进行技术经济比较后确定。,