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第24章 暖通空调系统及其监控(2)

(1)按系统风量调节方式分类

此种分类是按照风机风量是否保持恒定来划分类型的。如果空调系统的风机送风量一定,则此系统称为定风量系统。空调机组内的风机能耗在运行过程中也始终处于恒定状态,每个风口的风量在运行过程中也始终保持不变。它的特点是依靠送风温度的变化来调节房间的温度和湿度。

如果空调系统及系统内各个风口的风量均按一定的控制要求在运行过程中不断调整,以满足不同的使用要求,则此系统称为变风量系统。空调机组内的风机总是处于变参数运行状态,从风机理论中可知,在低风量时可节省部分风机的运行能耗。它的特点是通过改变风量的大小来适应室内负荷的变化,以达到调节室内所需参数的目的。

(2)按风道中的风速分类

按风道中风速分类,空调系统可分为低速系统和高速系统。低速系统是指主风道风速在10~15m/s之间,其特点是为保持整体送风量,风道截面积较大、占用建筑面积较多。高速系统是指主风道风速为20~30m/s,其特点是风道截面积小,占用建筑面积较小,但与低速系统相比,高速系统的能耗、噪声都较低速系统大。

(3)根据系统的控制精度分类

可以分为一般空调系统和高精度空调系统。

(4)根据系统的运行时间分类

可以分为全年性空调系统和季节性空调系统。

4.2.4空调的热、湿负荷

1.空调的热、湿负荷的概念

空气调节系统的任务是对空气进行加热、冷却、加湿、干燥等处理,然后将其输送到各个房间,以保持房间内空气的温度、湿度与洁净度等参数稳定在一定范围内,满足人们生产和生活的需要。对于建筑物来说,客观上总存在一些干扰因素,使空调房间内的温度和湿度发生变化。在空调技术中将干扰因素对室内产生的影响称为负荷。

在空调技术中,在某一时刻为保持空调房间内一定的温度条件而向房间内提供的冷量或热量称为空调系统的冷负荷或热负荷;为维持空调房间内的相对湿度所需要除去的湿量称为空调系统的湿负荷。空调系统的作用就是在排除室内热负荷的同时排除室内湿负荷,使房间内的温度和湿度维持在要求的参数范围内。

2.热湿来源分析

空调房间内的热湿负荷是由诸多因素构成的,其中热负荷主要由下述因素构成:

①通过房间的建筑围护结构传入室内的热流量;

②透过房间的外窗进入室内的太阳辐射的热流量;

③房间内照明设备的散热量;

④房间内人体的散热量;

⑤房间内电气设备或其他热源的散热量;

⑥室外空气渗入房间的热流量;

⑦伴随各种散湿过程产生的潜热量。

上述因素中,除通过房间建筑围护结构和太阳辐射的热量及室外空气渗入的热流量是室外热源负荷外,其他均为室内热源负荷。

空调房间内的湿负荷是由下述因素构成的:

①房间内人体的散湿量;

②房间内各种设备、器具的散湿量;

③各种潮湿物表面或液体表面的散湿量;

④各种物料或饮料的散湿量。

空调负荷还可以分为房间负荷和系统负荷两种。发生在空调房间内的负荷称为房间负荷。还有一些发生在空调房间以外的负荷,如新风状态与室内空气状态不同所引起的新风负荷、风管传热造成的负荷等,它们不直接作用于室内,但最终也要由空调系统负担。将这两种负荷统称为系统负荷。

3.空调负荷的估算

(1)夏季冷负荷的估算

①简单计算法

估算时,以围护结构和室内人员的负荷为基础,把整个建筑物看成一个大空间,按各面朝向计算负荷。室内人员散热量按每人116.3W计算,最后将各项数量的和乘以新风负荷系数1.5即为估算结果。

Q=(QW+116.3N)×1.5

QW=KAΔt

式中Q——空调系统的总负荷,W;QW——围护结构引起的总冷负荷,W;

N——室内人员数;

K——围护结构的传热系数,W/(m2·℃),计算时需查阅相关手册;

A——围护结构的传热面积,m2;

Δt——室内外空气温差,℃。

②单位面积估算法

单位面积估算法是一种将空调负荷单位面积上的指标乘以建筑物内的空调面积,得出制冷系统负荷的估算值。

(2)冬季热负荷的估算

可利用单位面积估算法,将空调负荷单位面积上的指标乘以建筑物内的空调面积,得出供暖系统负荷的估算值。

4.2.5空气处理设备

1.喷水室

喷水室可用于夏季时对空气冷却减湿或冬季时对空气加热、加湿。在喷水室中水与空气直接接触,喷入不同温度的水,可以实现对空气的加热、冷却、加湿和减湿。喷水室处理空气的主要优点是能够实现对空气的多种处理,冬夏季可以共用一套空气处理设备,具有一定的净化空气的能力,金属耗量小,容易加工制作。缺点是对水质条件要求高、占地面积大、水系统复杂、耗电较多。在空调房间的温、湿度要求较高的场合(如纺织厂等工艺性空调系统中),得到广泛的应用。

用喷水室处理空气时,可能仅发生显热交换;也可能既有显热交换,又有湿交换。当喷出的水珠表面空气边界层的水蒸气分压低于周围空气的水蒸气分压时,则起到吸湿作用,反之,则起到加湿作用。

在喷水室中,被处理的空气经过前挡水板,与喷嘴喷出的水滴接触进行热湿交换,处理后的空气经过后挡水板流出。前挡水板的作用是挡住可能飞溅出来的水滴,并使进入喷水室的空气能均匀地流过整个断面。后挡水板的作用是把空气中的水滴分离出来,减少空气带走的水量。

喷淋段通常设有1~3排喷嘴,喷水方向根据与被处理空气的流动情况分为顺喷、逆喷和对喷。

喷出的水滴与空气进行热湿交换后落入水池中。

立式喷水室占地面积小,空气是从下而上流动,水则是从上向下喷淋,因此,空气与水的热湿交换效果比卧式喷水室好,一般用于处理的空气量不大或空调机房的层高较高的场合。此外,根据空气热湿处理的要求,还有带旁通风道的喷水室和加填料层的喷水室。前者可使一部分空气不经喷水室处理,直接与经过喷水室处理的空气混合,达到要求的空气终参数,后者可进一步提高空气的净化和热湿交换效果。

2.表面式换热器

常用的表面式换热器包括空气加热器和空气冷却器两类。空气加热器是以热水或蒸气为热媒;空气冷却器则以冷水或制冷剂为冷媒。前者又称为水冷式表面冷却器,后者称为直接蒸发式表面冷却器。

用表面式换热器处理空气时,工作介质通过换热器的金属表面与空气进行热湿交换而不直接和被处理的空气接触。在表面式加热器中通入热水或蒸气,可以实现空气的等湿加热过程;通入冷水或制冷剂,可以实现空气的等湿冷却或减湿冷却过程。

为了增强传热效果,表面式换热器通常采用肋片管制作。表面式冷却器的下部应装设集水盘,以接收和排除凝结水。

表面式换热器具有构造简单、占地面积少、水质要求不高、系统阻力小等优点,因而,在机房面积较小的场合,特别是高层建筑的舒适性空调中得到了广泛的应用。

3.电加热器

电加热器是使电流通过电阻丝发热来加热空气的设备,具有结构紧凑、加热均匀、热量稳定、控制方便等优点。由于耗电费用较高,通常只用在加热量较小的空调机组中。在恒温精度较高的空调系统里,常作为控制房间温度的调节加热器,安装在空调房间的送风支管上。

电加热器分为裸线式和管式两种。它具有结构简单、热惰性小、加热迅速等优点,但电阻丝容易烧断、安全性差。它是把电阻丝装在特制的金属套管内,套管中填充有导热性好的不导电材料,其优点是加热均匀、热量稳定、经久耐用、使用安全性好,但它的热惰性大,构造也比较复杂。

4.加湿器

加湿器是用于进行空气加湿处理的设备,常用的有干蒸气加湿器和电加湿器两种类型。

(1)干蒸气加湿器

它是利用锅炉等加热设备产生的蒸气对空气进行加湿处理。为了防止蒸气喷管中凝结水的产生,蒸气先进入喷管外套1,对喷管中的蒸气加热、保温,然后经导流板进入加湿器筒体3,分离出产生的凝结水后,再经导流箱4和导流管5进入加湿器内筒体6。在此过程中,夹带的凝结水蒸发,最后进入喷管7,喷出的便是没有凝结水的干蒸气。

(2)电加湿器

使用电能产生蒸气来加湿空气的装置称为电加湿器。根据工作原理不同,有电热式和电极式两种。电热式加湿器是在水槽中放入管状电热元件,元件通电后将水加热产生蒸气。为避免发生断水空烧现象,依靠浮球阀自动控制补水。电极式加湿器则是利用三根铜棒或不锈钢棒插入盛水的容器中作电极,当电极与三相电源接通后,靠电流从水中流过产生的热量把水加热形成蒸气。电极式加湿器结构紧凑,加湿量易于控制,但耗电量较大,电极上容易产生水垢和腐蚀,因此,仅适用于小型空调系统。

5.空气过滤器

空气过滤器是对空气进行净化处理的设备,通常分为初效、中效和高效过滤器三种类型。

为了便于更换,一般做成块状。

此外,为了提高过滤器的过滤效率和增大额定风量,可做成抽屉式或袋式。

初效过滤器主要用于过滤粒径在10~100μm范围的大颗粒灰尘,通常采用金属网格、聚氨酯泡沫塑料及各种人造纤维滤料制作。中效过滤器用于过滤粒径在1~10μm范围的灰尘,常用玻璃纤维、无纺布等滤料制作。高效过滤器用于对空气洁净度要求较高的净化空调,通常采用超细玻璃纤维、超细石棉纤维等滤料制作。

空气过滤器应经常拆换清洗,以免因滤料上积尘太多,风管系统的阻力增加。对中、高效过滤器,其前后应加设压差测试报警装置。

6.除湿机

除湿机是一种对空气进行减湿处理的设备,常用于对湿度要求低的生产工艺、产品储存及产湿量大的地下建筑等场所。空调系统中常用的除湿机是冷冻除湿机。

当潮湿空气流过蒸发器时,由于蒸发器表面的温度低于空气的露点温度,空气温度降低,处于过饱和状态,此时有部分水分凝结出来,达到除湿的目的。降温减湿后的空气再流过冷凝器,吸收高温气态制冷剂凝结放出的热量,空气温度升高、相对湿度减小,最后进入室内。

从冷冻除湿机的工作原理可知,它的送风温度较高。因此,适用于既要减湿,又不需要降温的场所。但当相对湿度低于50%或空气的露点温度低于4℃时,不可使用。这时应采用液体吸湿剂或固体吸附剂去湿。

7.组合式空调箱

把各种空气处理设备、风机、消声装置、能量回收装置等分别做成箱式的单元,按空气处理过程的需要进行选择、组合而成的空调器称为组合式空调箱(Air Handler Units,AHU),也称为空调机组。空调箱的标准分段主要有回风机段、混合段、预热段、过滤段、表冷段、喷水段、蒸气加湿段、再热段、送风机段、能量回收段、消声器段和中间段等。

分段越多,设计选配就越灵活。民用建筑舒适性空调系统中最常用的是由混合段、过滤段、中间段、表冷段、送风机段五段组合成的空调机组。

4.3空调系统的冷、热源设备及其监控

空调系统工作所需的冷量和热量是由冷源和热源提供的。冷源设备包括冷水机组、冷冻水系统和冷却水系统;热源设备包括锅炉机组(城市热网)、热交换器等,可作为空调、采暖、生活热水的供应设备。冷热源设备是建筑设备系统中最核心、最具经济价值的设备之一,保证其安全、高效运行具有重要意义。

4.3.1空调系统的冷源

空调系统的冷源就是向空气处理装置提供冷量的装置,也称为冷冻站。要提供冷量,就必须制冷;要实现制冷,就必须有冷源,必须有制冷系统。夏季供给表冷器的冷水就是由制冷系统提供的。空调制冷系统主要有压缩式制冷、吸收式制冷和蓄冰制冷3种。压缩式制冷以消耗电能作为补偿,通常以氟利昂或氨为制冷剂;吸收式制冷以消耗热能作为补偿,以水为制冷剂,溴化锂溶液为吸收剂,可以利用低位热能和高温冷却水;蓄冰制冷是让制冷设备在电网低负荷时工作,将冷量储存在蓄冷器中,在用电负荷的高峰期向空调系统提供冷源,因而可以调节电网负荷,起到削峰填谷、缓和供电紧张状况的作用。

1.天然冷源和人工冷源

冷源有两类:天然冷源和人工冷源。

天然冷源一般是指深井水、山涧水等温度较低的水。这些温度较低的水可直接用水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。由于天然冷源往往难以获得,在实际工程中,通常使用人工冷源。

人工冷源是指采用制冷设备制取的冷量。空调系统在采用人工冷源制取的冷冻水或冷风来处理空气时,制冷机是系统中消耗能量最大的设备。蒸气压缩式制冷机组在空调系统中是应用最广泛的制冷设备。中央空调常用的载冷剂是水,在一些要求特殊的场所,也有采用水溶液,如盐水、乙二醇水溶液等。

2.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、节流阀等设备及电气控制设备组装在一起,专门为空调系统提供冷水的设备,也可以为其他工艺过程提供不同温度的冷水。

冷水机组配备有较完善的控制保护设备,运行安全。它以水为载冷剂,可进行远距离输送分配并可以满足多个用户的需要。此外,它具有结构紧凑、占地面积小、机组产品系列化、冷量可组合配套等优点,便于设计选型、施工安装和维修操作。

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