空调系统

空调系统过去50年以来，空调得到了快速的发展，从曾经的奢侈品发展到可应用于大多数住宅和商业建筑的比较标准的系统。在1970年的美国，36%的住宅不是全空气调节就是利用一个房间空调器冷却；到1997年，这一数字达到了77%，在那年作的第一次市场调查表明，在美国有超过一半的住宅安装了中央空调(人口普查局,1999)。在1998年，83%的新建住宅安装了中央空调(人口普查局,1999)。中央空调在商业建筑物中也得到了快速的发展，从1970年到1995年，有空调的商业建筑物的百分比从54%增加到73%(杰克森和詹森,1978)。建筑物中的空气调节通常是利用机械设备或热交换设备完成.在大多数应用中，建筑物中的空调器为维持舒适要求必须既能制冷又能除湿，空调系统也用于其他的场所，例如汽车、卡车、飞机、船和工业设备，然而，在本章中，仅说明空调在商业和住宅建筑中的应用。商业的建筑物从比较大的多层的办公大楼到街角的便利商店，占地面积和类型差别很大，因此应用于这类建筑的设备类型比较多样，对于比较大型的建筑物，空调设备设计是总系统设计的一部分，这部分包括如下项目：例如一个管道系统设计，空气分配系统设计，和冷却塔设计等。这些系统的正确设计需要一个有资质的工程师才能完成。居住的建筑物（即研究对象）被划分成单独的家庭或共有式公寓，应用于这些建筑物的冷却设备通常都是标准化组装的，由空调厂家进行设计尺寸和安装。本章节首先对蒸汽压缩制冷循环作一个概述，接着介绍制冷剂及制冷剂的选择，最后介绍冷水机组。1.1蒸汽压缩循环虽然空调系统应用在建筑物中有较大的尺寸和多样性,大多数的系统利用蒸汽压缩循环来制取需要的冷量和除湿，这个循环也用于制冷和冰冻食物和汽车的空调，在1834年，一个名叫帕金斯的人在伦敦获得了机械制冷系统的第一专利权，在1857年，詹姆士和赛博生产出第一个有活力的商业系统，除了蒸汽压缩循环之外,有两种不常用的制冷方法在建筑物中被应用:吸收式循环和蒸发式冷却，这些将在后面的章节中讲到。对于蒸汽压缩制冷循环，有一种叫制冷剂的工作液体，它能在适当的工艺设备设计压力下蒸发和冷凝。每个蒸汽压缩制冷系统中都有四大部件，它们是压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器。压缩机提升制冷剂的蒸汽压力以便使制冷剂的饱和温度微高于在冷凝器中冷却介质温度，使用的压缩机类型和系统的设备有关，比较大的电冷却设备使用一个离心式的压缩机而小的住宅设备使用的是一种往复或漩涡式压缩机。冷凝器是一个热交换器，用于将制冷剂的热量传递到冷却介质中，制冷剂进入冷凝器变成过冷液体，用于冷凝器中的典型冷却介质是空气和水，大多数住宅建筑的冷凝器中使用空气作为冷却介质，而大型系统的冷凝器中采用水作为冷却介质。液体制冷剂在离开冷凝器之后，在膨胀阀中节流到一个更低的压力。膨胀阀是一个节流的装置，例如毛细管或有孔的短管，或一个活动的装置，例如热力膨胀阀或电子膨胀阀，膨胀阀的作用是到蒸发器中分流制冷剂以便当它到压缩物吸入口的时候,制冷剂处于过热状态，在膨胀阀的出口，制冷剂的温度在介质(空气或水)的温度以下。之后制冷剂经过一个热交换器叫做蒸发器，它吸收通过蒸发器的空气或水的热量，如果空气经过蒸发器在流通,该系统叫做一个直接膨胀式系统，如果水经过蒸发器在流通,它叫做冷却设备，在任何情况下，在蒸发器中的制冷剂不直接和空气或水接触，在蒸发器中，制冷剂从一个低品位的两相液体转换成在正常的工艺条件下过热的蒸汽。蒸汽的形成要以一定的足够速度被压缩机排出以维持在蒸发器中低压和保持循环进行。所有在生产中的机械冷却产生的热量必须经过冷凝器散发，在许多例子中，在冷凝器中这个热能被直接散发到环境的空气中或间接地散发到一个冷却塔的水中。在一些应用中，利用这些废热向建筑物提供热量是可能的，回收这些最高温度为65(150F)的废热可以减少建筑物中采暖的费用。空调的制冷能力常用冷吨或千瓦(千瓦)来表示，冷吨是一个度量单位，它与制冰厂在24小时内使1吨(907公斤)的水结冰的能力有关，其值是3.51千瓦(12,000Btu/hr)，空调的冷却能力不要和产生冷量所需的电能相互混淆。2.1制冷剂的使用和选择直到20世纪80年代中叶，制冷剂的选择在大多数的建筑物空调设备中不是一个问题，因为在制冷剂的使用上还没有统一的的标准，在以前，用于建筑物空调设备的大多数制冷剂是氟氯碳化物和氟氯碳氢化物，且大多数的制冷剂是无毒的和不可燃的，然而，最近的美国联邦的标准(环保署1993a；环保署1993b)和国际的协议(UNEP,1987)已经限制了氟氯碳化物和氟氯碳氢化物的制造和使用，现在，氟氯碳化物和氟氯碳氢化物在一些场合依然被使用，对制冷剂的理解能帮助建筑物拥有者或者工程师更好的了解关于为特定的设备下如何选择制冷剂，这里将讨论不同制冷剂的使用并给出影响它们使用的建筑空调设备和标准。美国社会的供暖、制冷和空调工程师学会(ASHRAE)有一个标准的限制系统(表4.2.1)用来区分制冷剂，许多流行的氟氯碳化物，氟氯碳氢化物和氟碳化物的制冷剂是在甲烷和乙烷的制冷剂系列中，因为卤素元素的存在他们被叫作碳化卤或卤化的碳化氢，例如氟或氯。Zeotropes和azeotropes是混合二种或更多不同的制冷剂，一种zeotropic混合物能改变饱和温度在它在不变的压力蒸发(或冷凝)。这种现象被称温度的移动，在大气压力下，R-407C的沸点(沸腾)是44C(47F)和一个凝结点(露点)是37C(35F),产生了7C的温度移动(12F)，一个azeotropic混合物的性能像单独成份制冷剂那样，它在不变的压力下蒸发或冷凝它们的饱和温度不会有少许变化。R-410有微小的足够温度滑动(少于5.5C,10F)，可以认为接近azeotropic混合制冷剂。ASHRAE组制冷剂(表4.2.2)根据它们的毒性和易燃性(ASHRAE,1994)划分的。A1组合是不燃烧的和最没有毒的，而B3组是易燃的和最有毒的，以空气为媒介的制冷剂最高安全限制是毒性，如果制冷剂在少于每百万分之400是无毒的，它是一个A级制冷剂，如果对泄露少于每百万分之400是有毒的,那么该物质被称B级制冷剂，这几个级别表示制冷剂的易燃性，表4.2.1的最后一栏列出了常用的制冷剂的毒性和易燃的等级。因为他们是无毒的和不燃烧的,所以在A1组中制冷剂通常作为理想的制冷剂能基本满足舒适性空调的需求。在A1中的制冷剂通常用在建筑空调设备方面的，包括R-11，R-12，R-22，R-134a,和R-410A。R-11，R-12，R-123和R-134a是普遍用在离心式的冷却设备的制冷剂，R-11，氟氯碳化物,和R-123,HCFC,都有低压高容积特性，是用在离心式压缩机上的理想制冷剂。在对氟氯碳化物的制造的禁令颁布之前,R-11和R-12已经是冷却设备的首选制冷剂，在已存在的系统维护中，现在这两种制冷剂的使用已经被限制，现在，R-123和R-134a都广泛的用在新的冷却设备中。R-123拥有的效率优势在R-134a之上(表4.2.3)。然而，R-123有B1安全等级，这就意谓它有一个比较低的毒性而胜于R-134a，如果一个使用R-123冷却设备在一栋建筑物中被用，当使用这些或任何其他有毒的或易燃的制冷剂时候，标准15(ASHRAE,1992)提供安全预防的指导方针。制冷剂22属于HCFC，在多数的相同设备中被用，也是在多数往复和螺旋式冷却设备和小型商业和住宅的集中式设备中的首选制冷剂，它可以在一个更高的压力下运行，这一点要优于R-11或R-12中的任何一个。从2004开始，HCFCs的制造将会受到限制。在2010年，R-22不能在新的空调设备中被使用。2020年之后，R-22不允许生产(环保署,1993b)。R-407C和R-410A是HFCs的两种混合物，两者都是R-22的替代品，|R-407C预期将很快地替换R-22，在空调设备中，它的蒸发和冷凝压力接近R-22(表格4.2.3)。然而，用R-407C来替换R-22应该在和设备制造者商议之后才能进行，至少润滑油和膨胀装置将需要更换。在1998年，第一个使用R-410A的空调设备的住宅在美国出现。使用R-410A的系统运作中，压力大约比R-22高50%(表4.2.3)；因此，R-410A不能够用于当作速冻制冷剂来替代R-22。R-410A系统利用特定的压缩机，膨胀阀和热交换器来利用该制冷剂.氨广泛地被在工业的冷却设备和氨水吸收式制冷中用，它具有可燃性并且分毒性等级为B，因此在商业建筑物中使用受到限制，除非冷却设备的制造工厂独立于被冷却的建筑物之外。作为制冷剂，氨有许多良好的品质，例如，它有较高的比热和高的导热率，它的蒸发焓通常比那普遍使用的卤化碳高6到8倍，而且氨和卤化碳比较来看，它能提供更高的热交换量，而且它能用在往复式和离心式压缩机中。天然制冷剂的使用,例如二氧化碳(R-744)和碳化氢在空调和制冷系统中的使用正在研究之中，二氧化碳能在高于传统的HCFCs或HFCs的压力下工作和在超过临界点的典型的空调设备中工作。人们通常认为碳化氢制冷剂易燃且比较危险，但它在传统的压缩机中和有的工业设备中都可以被使用。R-290,丙烷,都有接近R-22的工作压力，并被推荐来替代R-22(Kramer,1991)。目前，在美国没有用二氧化碳或可燃的制冷剂的商业系统用于建筑部门。3.1冷水机组1995年，在美国，冷水机组应用在至少4的商用建筑中。而且，由于制冷机组通常安装在较大的建筑中，在同一年里，制冷机组冷却了多于28的商用建筑的地板空间（DOE，1998）。在商用建筑中普遍采用五种型式的制冷机：往复式、螺杆式、旋涡式、离心式和吸收式。前四种利用蒸汽压缩式循环来制得冷冻水。它们的不同主要在于使用的压缩机种类的不同。吸收式制冷机在吸收循环中利用热能（典型的是来自蒸汽或燃料燃烧）并利用氨水或水锂溴化物制得冷冻水。3.2总的系统大约86的制冷机和表所示的一样用在多台制冷机系统中（Bitondo和Tozzi，1999）。在冷冻水系统中，建筑物的回水通过每个蒸发器循环流动，在蒸发器中，回水被冷却到合意的温度（典型的为47）（3945）。然后，冷冻水通过各设备传送到水空气换热器。在换热器中，空气被冷冻水冷却和加湿。在这个过程中，冷水的温度升高，然后必须回送到蒸发器中。制冷机组是冷水机组。水通过每个机组的冷凝器循环，在冷凝器中，水吸收了来自高压制冷剂的热量。接着，水用水泵打到冷却塔中，水通过蒸发而降温。冷却塔将在后一部分讲述。冷凝器也可以是空冷式的。在这种循环中，冷凝器应是制冷剂空气热交换器，空气吸收来自高压制冷剂的热量。制冷机组名义制冷量为3018000kw（85100tons）。在美国，出售的大部分制冷机组是用电的，利用蒸汽压缩制冷循环来制得冷冻水。在设计中，这种系统所使用的压缩机也有往复式、螺杆式、旋涡式和离心式。一小部分的离心式制冷机利用内燃机或蒸汽机代替电来启动压缩机。在建筑中所使用的制冷机组类型根据应用场所来确定。对于大的办公室建筑或制冷机组需服务于多个建筑时，通常使用离心式压缩机。在所需制冷量小于1000kw（280tons）时，使用往复式或螺杆式制冷机组较合适。在小的应用场合，若低于100kw（30tons）时，使用往复式或旋涡式制冷机组。3.3蒸汽压缩式制冷机四种电启动的蒸汽压缩式制冷机组的名义制冷量范围。每种制冷机以所使用的压缩机类型来命名。各种系统的制冷能力范围从最小的旋涡式（30kw，8tons）到最大的离心式（18000kw，5000tons）。制冷机可使用HCFCs（R22，R123）或HFCs（R134a）制冷剂。制冷机的效率通常用输入功（用kw表示）与制冷量（用tons表示）的比值表示。1tons的制冷量等于3.52kw或1200btuh。用这种方法衡量效率，其数值越小越好。离心式制冷机的效率最高。而往复式是这四种类型中效率最低的。表中所提供的效率是根据ASHRAEStandard30（ASHRAE，1995）在稳定状态下测得满负荷时的效率，这些效率中不包括辅助设备的能耗，比如泵，冷却塔的风机，而这些设备可以增加0.060.31kw/ton制冷机组在大部分时候是在部分负荷下运行的。只有在建筑物的最高热负荷时，制冷机才在额定制冷量附近运行。知道制冷机在部分负荷下效率是怎样变化的，这是很重要的。图4.2.3给出了往复式、螺杆式、旋涡式、带叶片控制的离心式制冷机组、压缩机频繁启动的制冷机组在满负荷时的百分比下相应的效率（用kw/ton表示）。往复式制冷机在占满负荷较小的百分比运行时，效率增加。相反地，带叶片控制的离心式的效率在负荷为额定负荷的60以后是基本不变的,它的kw/ton值随百分数的减小而增加到满负荷时的两倍.1998年，空调制冷学会提出了一项新的标准，用来划归在部分负荷下制冷机组的运行情况。部分负荷时的效率用综合部分负荷值（IPLV）这个简单的数值来表示。IPLV在数值上和图4.2.3相似。用25%，50%，75%，100%负荷时的效率来计算这个简单的综合效率。在这些负荷下的度量值分别为0.12，0.45，0.42，0.01。IPLV的计算公式为IPLV=1/（0.01/A+0.42/B+0.45/C+0.12/D）其中A100%负荷时的效率B75%负荷时的效率 C50%负荷时的效率 D25%负荷时的效率大多数的IPLV由满负荷的50%，75%时的效率决定的，根据要求，制造商部分负荷时的效率，还会提供IPLV值。以下对使用在蒸汽压缩式制冷机中的四种压缩机做简要的讲述。离心式和螺杆式压缩机主要应用在制冷机组上。往复式和旋涡式压缩机应用在整体式空调和热泵中。3.4往复式压缩机往复式压缩机是一种有确定排量的压缩机。在活塞的进气冲程时，一定量的气体被吸进气缸。在压缩冲程时，气体被压缩直到排气阀打开。在每个冲程被压缩的气体数量等于气缸的体积。在制冷机中使用的压缩机根据压缩机制冷能力不同有不同个气缸的。往复式压缩机使用的制冷剂具有较小体积和相对较高的压力。使用在建筑上的往复式制冷机组目前大多采用R22。现在高速往复式压缩机所限制的压力比大约为9。往复式压缩机基本上是具有固定容积可变压力的机器。从图4.2.4所示的最粗的一条线（16个气缸）可以看出：内容积流量发生较小的变化，压缩机的排气压力会发生各种变化。在一些制冷机中的冷凝器的运行情况与周围环境有关。比如，在制冷时，通过冷却塔后，冷凝压力会降低。当空调负荷降低时，所需的循环制冷剂流量会减少，这种结果负荷特性用实线表示了，从右上角指向左下角。压缩机必须要和系统压力和所需的流量相匹配。往复式压缩机在任何水平时会让排气压力达到它限定的压力比。不同制冷能力的需求可以通过卸载一个或多个气缸来实现。这种卸载又可通过阻止手动或自动开启的吸气和排气阀门来完成。制冷能力也可通过使用变速或多速电动机来控制。当控制好了压缩机的制冷能力，在部分负荷时的其他影响因素也应考虑，比如（a）压缩机震动的影响和卸载装置运行时的噪声；（b）较低的制冷剂流速需要较好的回油；（c）在较低制冷能力时膨胀装置正确的使用。在大多数往复式压缩机中，在正常运行时油从压缩机被打到制冷系统中。系统必须仔细设计使油能回到压缩机曲轴箱，以便连续润滑，同时也能避免对热交换器表面的污染。往复式压缩机通常是轻载启动的。一般转矩的电动机也能适用于启动。当蒸汽机用于往复式压缩机启动时，压缩机所需的转矩和蒸汽机的匹配问题必须仔细考虑。3.5螺杆式压缩机螺杆式压缩机，在1958年（Thevenot，1979年）第一次被提出，是一种有固定容积的压缩机。它的制冷能力是可变的，其范围与部分的往复式压缩机及较小的离心式压缩机一致。双螺杆和单螺杆这两种都有在制冷机中使用。双螺杆制冷压缩机也叫螺旋式压缩机。图4.2.5所示为双螺杆压缩机剖面图。它有两个转子（即螺杆），一个叫阳转子，另一个叫阴转子。压缩过程是通过螺杆的旋转运动减少制冷剂的体积来完成的。在压缩机的低压一侧，当转子开始不啮合时，形成一个空间。低压气体进入转子间的这个空间。随着转子继续旋转，气体被