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暖通空调设计基础

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暖通空调设计基础

一、暖通空调含义

采暖:又称供暖,指向建筑物提供热量,保持室内一定温度。

通风:用自然或机械的方法向空间送入和排除空气的过程。

空气调节:(简称空调),是为满足生产、生活要求,改善劳动卫生条件,用人工的方法使房间或密闭空间的空气温度、相对湿度、洁净度和气流速度等参数达到一定要求的技术。


暖通空调包括采暖、通风和空气调节这三方面的技术,缩写为HVAC(Heating,Ventilating,Air Conditioning)。


 物质状态:固态、液态、气态


液态汽化成气态过程:吸热;

气态液化成液态过程:放热;

固态熔化成液态过程:吸热;

液体凝固成固态过程:放热;

固态升华成气态过程:吸热;

气态凝华成固态过程:放热;

注:固态—液态转换在冰蓄冷系统将会用到;改变状态将会储存大量的能量:潜热。


比热:使1g的某种物质温度升高1℃所需的热量。

显热:当物体吸热(或放热)仅使物体分子的热动能增加(或减少),即仅是使物体温度升高(或降低),并没有改变物质的形态,那么它所吸收(或放出)的热量。

潜热:
当物体吸热(或放热)仅使物体分子的热位能增加(或减少),使物体状态发生改变,而其温度不变,那它所吸收的(或放出)的热称为潜热。


空调系统参数

2.1 参数定义

温度:温度是用来表示物质冷与热的程度。

分为干球温度:干球温度是温度计在普通空气中所测出的温度,即我们一般天气预报里常说的气温。

湿球温度:指同等焓值空气状态下,空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度,在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至100%相对湿度线上,对应点的干球温度。


用湿纱布包扎普通温度计的感温部分,纱布下端浸在水中,以维持感温部位空气湿度达到饱和,在纱布周围保持一定的空气流通,使于周围空气接近达到等焓。示数达到稳定后,此时温度计显示的读数近似认为湿球温度。

焓的定义:焓是热力学中表示物质系统能量的一个状态函数,常用符号H表示。数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积,即H=U+pV。焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量,也就是物质所带能量的多少。

湿空气的焓:为干空气的焓和相应水气的焓之和,也常用干空气为计算基准。 一般规定0℃时干空气和液态水的焓和,相对应水气的焓值为零。

露点:将湿空气在总压和湿度保持不变的情况下冷却,当湿空气达到饱和时的温度即为露点。若湿空气的温度降到露点以下,则所含超过饱和部分的水蒸汽将以液态水的形式凝结出来。

湿度的定义:又称为含湿量,为单位质量干空气所带的水蒸汽质量。 单位:g/kg


绝对湿度:以单位体积空气中所含水蒸气的质量来计算,单位:kg/m3

相对湿度:为湿空气中水气的分压与同温度、同总压下饱和空气中的水气分压之比。

相对湿度是湿空气饱和程度的标志。相对湿度愈低,距饱和就愈远,该湿空气容纳水气的能力就愈强。当相对湿度为100%时,湿空气中的水气已达饱和,该湿空气不再能容纳水气,也就不能用途作干燥介质。绝对干空气的相对湿度为零。


2.2 暖通空调常用单位及换算

1US.rt=3.517kW

1P=735W;制冷量中的1P约为2500W.

1kcal=1.16W

华氏温度(℉)=32+(9/5)摄氏温度(℃)

1kg(kg力/cm2)=105Pa=1bar

1MPa=10kg力

1bar=14.5psi

流量(Q):1m3/h=16.67L/Min

能效比(EER:Energy Efficiency Ratio) =制冷量/输入功率。能效比反映空调机组性能的重要指标,数值越大代表机组匹配性能越好,运行越经济。


2.3 常用术语

名称

英文缩写

名称

英文缩写

中央空调系统

HVAC

洁净室

CR

制冷机

CH

补风机

MAU

蒸发器

EVA

变风量

VAV

冷凝器

COND

变制冷剂量

VRV

冷冻泵

CHWP

精密空调

CRAC

冷却泵

CWP

分体空调

ST

冷却塔

CT

窗式机

WT

风柜

AHU

两管制

TPS

新风柜

PAU

四管制

FPS

风机盘管

FCU

免费冷却(空调)

FC


2.4 各种建筑冷热负荷概算

序号

建筑类型

冷负荷/

(W/m2)

热负荷/

(W/m2)

01

客房

80~110

60~70

02

酒吧、咖啡屋

100~180

03

西餐厅

160~200

04

中餐厅、宴会厅

180~350

05

中庭、接待

90~120

06

小会议室(允许少量吸烟)

200~300

07

大会议室(不允许吸烟)

180~280

08

办公室

90~120

09

超高办公楼

105~145

70~85

10

商场、百货楼

首层

250~300

60~80

11

二层、以上层

200~250

12

医院

高级病房

80~110


13

一般手术室

100~150

65~80

14

洁净手术室

300~450

15

x、CT、B超室

120~150

16

剧院

观众厅

180~350

80~90

17

舞台

250~350

18

休息厅

300~350

19

体育馆

120~300

120~150

20

展览馆

130~200

90~120

21

图书馆

75~100

50~75

22

公寓、住宅

80~90

45~70


三、空调功能的分类

按室内空气环境要求以及功能的不同可以分为:舒适性空调及工艺性空调。

3.1 舒适性空调

能够向人们提供一个适宜的工作环境或生活环境,从而提高工作效率或维护良好的健康水平的空调系统。

服务对象为:人。

适用场合:写字楼、商场、剧院、酒店等等。


空调舒适性影响因素有哪些?

人体的冷热感与温度、湿度、风速、内表面温度、活动量、衣着、年龄、性别、身体状况等因素有关;湿度的影响与温度有关。为满足不同的需求,国家出台空调舒适性的评价方法:


热舒适性指标:

PMV:预计平均热感觉指数,7级:+3~3;代表热、温暖、较温暖、适中、较凉、凉、冷

PPD: 预期不满意百分率;

PMV=0相当于PPD=5%;

规范要求:PMV=±1


PPD≯27%

注:PMV是同一环境中大多 数人的冷热感觉平均值。


3.2 工艺性空调

是能够满足室内生产、科研等工艺过程所要求的特定空气参数的空调系统。

服务对象为:生产、科研、设备等工艺。

适用场所:研发实验室、医院手术室、纺织车间、电子产品车间等等。







四、空调系统组成





冷热源








热泵



制冷系统








4.1 空调是怎样制冷制热的?为什么会制冷制热?

低温低压的制冷剂蒸汽被吸入压缩机,通过压缩机进行压缩,变成高温高压的制冷剂蒸汽被输送到冷凝器,通过冷凝器进行冷凝(放热),变成高温高压的制冷剂液体(热量通过载热剂进行释放)。高温高压的制冷剂液体在通过节流阀(膨胀阀)降压后,变为低温低压的制冷剂液体进入蒸发器,通过蒸发器进行蒸发(吸热),变为低温低压的制冷剂气体(冷量通过载冷剂进行能量释放),进行再次制冷循环,周而复始。



4.2 冷媒输配管道

冷媒输配送管道(水系统)的功能是输配冷热能量,满足末端设备或机组的符合要求。根据配送热量的不同分为冷却水系统和冷冻水系统。


空调水系统组成



4.2.1 空调冷却水系统由冷却水管道、冷却泵、冷凝器、冷却塔组成。









冷却塔平衡管



冷凝器




冷却水供水方式分类

空调冷却水系统按照供水方式,可以分为:直流供水、循环供水。



直流式供水系统

冷却水经冷凝器等用水设备后,直接排入下水道或河道,利用后的冷却水可以综合利用:比如生产、生活用水。



循环水冷却系统:可分为自然通风冷却循环系统与机械通风冷却循环系统。

机械通风冷却循环系统:采用自然冷却或机械通风冷却塔或喷射式冷却塔,使冷却水与机械通风接触进行热量交换。

冷却塔水箱容积:不应小于系统流量的1.2倍。冷却系统补水量一般为1%~2%系统流量。






4.2.2 空调冷冻水系统



空调冷冻水系统由冷冻水管道、冷冻泵、蒸发器、末端空调设备组成。









蒸发器


水系统分类

根据配置形式、水泵配置、调解方式等不同,可以分成不同的类型。


冷冻水系统分类

(1)按照水系统是否与大气相通,可以分为开式系统和闭式系统。


开式与闭式系统比较


开式系统:冷却系统、水、冰蓄冷系统、生活供水等场合。

闭式系统:冷冻、供暖系统等场合。


(2)按照空调水系统的回水布管方式,可以分为同程式和异程式两种回水方式。


同程系统:系统较大、热负荷分散不均等场合。

异程系统:系统较小、热负荷分散较均匀的场合。


(3)按照水系统管道配置的多少,可以分为两管制、三管制、四管制以及分区两管制方式。






各管制系统比较


多管制系统实用场所

两管制系统:适用于同一热源,采暖供冷不同时使用的场合;如地 源热泵、北方地区。

三管制系统:能量损耗较大,采用该种方式较少。

四管制系统:采用两个热源(冷机+锅炉)存在同时供冷供热场所。如办公室和实验室混用的建筑场所等。

分区空调系统:采用两个热源(冷机+锅炉)存在同时供冷供热场所。如建筑物单层面积较大的商场等。


(4)可以分为定流量和变流量


定流量和变流量系统比较


定流量系统:热负荷变化较小的车间、洁净室、商场、车站、剧院等等场所。该系统节能空间较小。

变流量系统:适用于热量变化较大酒店、客房等场所。该系统存在较大节能空间。


(5)按照能源侧与负荷侧是采用合用同一循环系统还是采用两个循环系统,可以分为单式泵和复式泵两种系统。









单式泵和复式泵的比较


单式泵:适用于系统较小、热负荷均匀的场所。如:洁净室、车间等场所。

复式泵:适用于系统较大、各区域系统需求较大的场所。如:市政热力、科技园区等。


4.3 水系统设计参数

管道沿程阻力一般为100~300Pa/m,通常最大值不应超过400Pa/m,局部阻力因设备不同而不同:

冷水机组蒸发器阻力:30~80kPa




冷凝器阻力:50~80kPa

吸收式机组蒸发器阻力:40~100kPa

冷凝器阻力:50~100kPa

风机盘管阻力表冷器阻力:10~20kPa

热交换器阻力:20~80kPa

热交换器阻力:20~50kPa

冷却塔阻力:20~80kPa

自动控制阀门阻力:30~50kPa


系统流速选择:

水泵吸水管:1.2~2.1m/s

水泵出水管:2.4~3.6m/s

一般供水管:1.5~3.0m/s

排水管:1.2~2.0m/s

自来水供水管:0.9~2.0m/s


冷却水管道流速:

管径:DN≤250 流速:1.5~2.0m/s

管径:250 <DN <500 流速:2.0~2.5m/s

管径:DN≥500 流速:2.5~3.0m/s


4.4 空调水系统的水质管理

严格控制和管理水系统中的水质,控制和管理水系统中的水在运行中不被污染,采取合理的水处理方法和防止污染的措施。

1. 管道和设备表面沉淀的水垢和水渣,影响导热;

2. 腐蚀金属,缩短系统寿命;

3. 不溶解杂质在管道内沉积,减小通流面积,增大水流阻力,增及运行费用;

4. 开式系统水与空气接触,空气中的杂质、细菌会进入水系统。引起空气污染,影响人的身体健康、促进腐蚀、产生粘泥和水藻可堵塞管路。


闭式水系统的水质控制:冷冻水系统多为闭式水系统,该系统不与空气接触,只有补给水会给循环水带入溶解氧而引起腐蚀。冷冻水温比较低(7℃/12℃),腐蚀速度很慢,只要向系统系统中投入腐蚀抑制剂作为防腐蚀的水处理技术措施,就可以满足防腐要求。系统停止运行时,系统要充满水。该系统不需要为防止结垢和抑制水藻而进行添加药剂。

开式系统的水质控制:开式水系统与空气接触容易产生结垢、腐蚀、粘泥和水藻。对开式系统要采水处理技术措施。

防结垢水处理方法:排污法、酸化法、软化水以及投入阻垢剂。

防腐蚀水处理方法:系统中投入腐蚀抑制剂的药物,如:有机磷酸盐、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚磷酸盐等。

防水藻、粘泥处理办法:常用药剂有氧化型和非氧化型两大类。比如:液氯、次氯酸钠和二氧化氯。


4.5 水系统设备日常维护

冷却塔的检修;

检查风机功能,调整轴承和皮带松紧度;

检查散水和喷雾状态是否正常;

检查流入冷却塔的水是否均匀;

检查填料是否完好;

检查水质是否合格;

检查水滴是否飞溅,漂移量是否过大;

检查水箱浮球或继电器是否正常;

水箱底部是否漏水。


水泵

检查水泵的联轴器、止回阀、轴承是否正常;

检查水泵的减振器、软连接是否正常;

检查水泵运转是否有噪音或震动

检查水泵的排气旋塞、启动旋塞、密封垫是否正常

检查电机绝缘是否正常。


冷冻机日常维护

检查节油器浮子功能是否正常。

检查压缩机、蒸发器、冷凝器、油泵以及冷媒管道的密封性。

检查系统制冷剂的压力是否正常。

检查油位是否正常。

电机绝缘电阻是否正常。

检查各继电器是否运转正常。


冷水机组定期保养

对机组的密封部件进行检查、鉴定和调整。

对温度计、压力表、油压计进行检测。

对冷凝器进行清洗。

压缩机油更换。

对电机绝缘进行检测等。



4.6 空调通风系统


空调通风系统由空气处理设备、空气分配装置以及配调节对象组成。


4.6.1 空气处理

等湿降温:

用表面式冷却器或直接蒸发式表冷器对空气进行冷却时,如果表冷器的表面温度低于空气温度但又没有达到露点温度时,就可以使空气冷却降温而保持其含湿量不变,因而表冷器上没有冷凝水出现,这个过程叫等湿冷却过程,也叫干冷过程。


等湿加热:

利用加热器(热水加热器、蒸汽加热器、电加热器)加热空气使空气的温度升温,但在升温过程中空气的含湿量d没有发生变化,这就是等湿加热过程。


等焓加湿:

在绝热过程中,空气的温度和湿度发生变化,而焓值近似不变 的过程。湿膜加湿或超声波加湿、高压喷雾加湿等型式都是等焓加湿过程。

等温加湿:

空气温度基本保持不变的加湿过程。如干蒸汽加湿、电极加湿。等温和等焓加湿就是看加湿过程有没有相变。






4.6.2 空气处理设备


空气(过滤)处理



注:粉尘浓度:大0.4~7.0mg/m3,中0.41~0.6mg/m3,小0.3mg/m3以下。


表冷器(冷热)



加湿器



热回收装置(转轮)


空气输配管道



空气气流组织

侧向送风

气流组织方式:侧送上回;侧送下回。

适用场合:跨度有限、高度不太低的空间,如客房、办公室、小跨度中庭等一般空调系统。


散流器下送风

气流组织方式:上送下回或上送上回。

适用场合:大跨度、高空间,如购物中心,大型办公室,展馆等一般空调。


喷口送风

特点:出口风速高,射程长,一般同侧回风,工作区在 回流区。

气流组织方式:上送下回式 。

适用场合:空间较大的公共建筑物如影剧院、体育场馆、车站、中庭。


下送风

气流组织方式:下送上回。

适用场合:IT机房、等设备热量大的场合。

气流组织方式:上送下回或上送侧回。

适用场合:实验室、精密机房、洁净室等。


空调风系统日常维护

空气处理机组。

叶轮清扫。

轴承检查。

皮带松紧度调整以及更换。

空气过滤器的清洗和更换。

压力表、温度计的检查和检测。



风道、送回风口检修

送风口检修:送风口容易粘附灰尘,影响室内空气环境卫生,1次/年。

回风口检修:送风口容易粘附灰尘,影响室内空气环境卫生,2次/年。

风道检修:风道内积尘情况检查,风阀、导流片消声设备以及法兰检查。



4.6.3 通风系统VAV

全空气系统分为变风量系统(VAV)和定风量系统(CAV)。定风量系统的风量为空调房间的最大热负荷,当房间负荷小于最大值时,造成能量浪费。

变风量系统特点:

A、区域温度控制

B、运行费用低、装机容量小

C、有利于房间的灵活分割

D、湿度控制能力差

E、系统初投资较大



4.6.4 空气调节系统分类

集中式空气调节系统:

这种系统冷热源集中设置在冷冻站、锅炉房,空气处理设备集中组成空调箱设置在机房内,通过空气输送管道、空气分配装置、自动控制装置来分配空气,调节室内空气参数。

适用于商场、写字楼、机场、车站、剧院等

半集中式空调处理系统:

这种系统有集中设置的冷热源,集中设置的空调新风机处理新风。还有分散设置在空调房间内的二次处理装置独立处理室内空气或对来自集中处理设备的空气作进一步补充处理。如:风机盘管加新风系统;多联机加新风系统。适用场所:写字楼、实验室、IT机房等

分散式式空调处理系统:

该系统又称局部空调系统,是将冷热源、空气处理设备、空气输送管道集中在一个空调机组内,每个房间的空气分别有各自的整体式或分体式空调器独立处理。如:风机盘管、分体空调、柜式空调。适用场所:客房、住宅、IT机房等

全空气系统:

空调房间的热湿负荷全部由集中处理的空气来承担。通常此类空调系统占用较大的建筑空间。适用场所:商场、车站、剧院、机场、车间、洁净室等。

全水空调系统:

空调房间的热湿负荷全部由冷、热水来承担。这种系统本身无通风换气装置保证房间内的空气品质,需要另加换气装置。适用场所客房、酒店、医院住院部等。

空气水空调系统:

空调房间的热湿负荷由处理的空气和水共同承担。此类系统一般由处理的空气承担空调房间所需的通风换气的新风负荷,有处理的水承担空调房间内的热、湿负荷。适用场所实验室、写字楼、餐厅派餐区等。

制冷剂系统:

空调房间的热湿负荷由设置于空调房间的蒸发器(夏季)、冷凝器(冬季)内部的制冷剂直接承担。常见分体空调、柜式空调和多联机空调。适用场所住宅、客房、网络机房、配电室等。

封闭式系统:

这种系统空调箱所处理的空气全部来自空调房间的再循环空气。能量损耗少,空气质量差。适用于适用于地下等战备工程、无人场所以及很少有人进入的仓库等。


直流式系统:

这种系统空调箱所处理的空气全部来自室外,吸收余热余湿和室内有害气体后全部排至室外。适用于不允许采用回风的场所。如实验室、洁净室、核工厂、散发大量有害气体的车间。系统能量损耗大,空气质量好。可安装热回收装置。



回风式系统:

这种系统空调箱所处理的空气一部分为室外新风,一部分为室内回风,既满足卫生条件有经济合理,用途广泛。根据回次数的多少可分为一次回风和二次回风系统。适用于写字楼、商场、剧院等场所。


回风系统

一次回风系统是室外新风和室内回风在进入空调箱之前混合的空调系统。


二次回风系统顾名思义就是室内回风使用两次,在进入回风箱之前进行混合的是一次回风,在空调箱之后与一次回风混合的为二次回风。

二次回风可以代替再热器。但是机器的露点温度较低,制冷机效率下降。


新风量的确定

空调系统的新风量是指为了保证空调房间的空气品质,必须送入的一定量的室外新鲜空气。它的大小与室内空气品质和能量消耗有关。新风量送入的原则:


A、满足卫生条件

稀释CO2和室内污染物。

B、补充局部排风量

空调房间有局部排风时,补偿排风量。


C、保证房间的正压要求

为防止室外未经处理的空气在室外风压的作用下渗入空调房间干扰空调房间温湿度或破坏室内空气的洁净度,系统利用一定的新风来保证正压。一般不小于5~10Pa。5Pa时相当于门缝压出风速为2.85m/s,过大压力人体感觉不适。


D、空调系统的新风量标准

工业空调系统的新风量应补偿排风以及保证室内正压所需风量和保证人员所需最小新风量两者中的较大值。一般不小于30m3/(人·h)。


噪音的产生和传播

通风系统产生噪音的因素很多,如:

叶片形式、风量、风压等。

风管内气流压力发生变化引起风管振动。

风机、水泵运转振动等。


通风空调系统的风机、空调机组、水泵、制冷压缩机都是产生振动的振源。


消声设备


空调系统防火排烟


机械排烟系统基本要求

A、机械排烟量

1、机械排烟按部位排烟时(中庭除外),每平米地板面积不小于60m3/h。

2、只有一个排烟系统时或一个防烟分区时,系统最小排风量不小于7200m3/h。

3、当一个排烟系统负责多个防烟分区或房间或走道时,系统排烟量按照负担的最大面积房间的单位面积的排烟量不下于120m3/h。

排烟口风速不小于10m/s。

B排烟口位置

必须设在顶棚或靠近顶棚(800mm以内)的墙上,若顶棚超过3m时,可设在距地2.1m的高度上。

C、排烟风管材料

排烟风管应有一定的耐火、绝热性能。我国规定不然材料。

D、排烟风机

必须满足在280℃高温环境下,连续运行30min。


空调系统调试

空调调试测试仪器:

温度仪:水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计;

湿度仪:干湿球温度计、通风干湿温度计、湿敏电阻湿度计;

测压计:毕托管和液体压力计;

风速仪:叶轮风速仪、转杯式风速仪、热电风速仪去;

振动仪:轴承振动仪。


1、通风机单机空载试运转

运转前轴承加润滑油。

检查各项安全措施。

设备转动时,叶轮是否有卡摩现象。

检查设备运转方向是否正确。

设备减振器是否位移。

轴承温度是否过高(滑动轴承≤70℃;滚动轴承≤80℃)。


2、水泵单机无负荷试运转

水泵试运转前应注油并填满填料;

法兰连接并密封装置不得渗漏;

叶轮与壳体不应相摩擦;

各部分阀门应灵活;

叶轮旋转方向正确。


3、空调机内表冷器和喷水装置试运转

检查各管道水压正常,是否渗漏;

表冷器水排放是否通畅;

喷淋装置喷嘴是否齐全;

挡水板过水量是否正常;

加湿水泵是否运转正常。


4、空调过滤装置试运转是否按设计和产品说明书进行安装

5、制冷机组试运转

6、冷却塔试运转

检查风机转向是否正确;

布水器的布水是否均匀;

补水系统是否正正常。


空调系统空载联合运转

联合试运转是在系统无负荷的情况下,同时启动运行。在进入正常运行阶段,应进行以下项目测试和调整:

1、通风机的风量、风压、转速以及电流;

2、风系统以及风口的风量测试和平衡,偏差不应大于10%;

3、制冷系统压力、温度、流量和冷热量的测试与调整,各项参数符合相关技术文件。

注:系统联合调试运行不小于8h。


空调系统带生产符合综合性能调试

根据工艺和设计要求应进行以下测试和调整:

1、室内空气参数的测定和调整;

2、室内气流组织的测定;

3、室内洁净度和正压的测定;

4、室内噪声的测定;

5、BA参数整定和联动调试。



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