（机械电子工程专业论文）家用小型中央空调系统研究及应用.pdf

中文摘要 家用小型中央空凋，是一个小型化的独立空调系统。在制冷方式和基本结 构上类似大型中央空调系统：有一台土机通过风管式冷热水管连接多个未端出 风u 或装置，将冷暖空，i 运送到各个房f n j 或区域，以实现对多个房间调节温度 的目的。美国、日本早在七八十年代即已丌始大量应用家用小型中央窄调；9 0 年代中后期，我凼丹始了这方面的研究与丹发，并已有成功的工程应用。家用 小型中央空调的冷热量是由制冷主机提供的。制冷主机有单冷型和热泵型两 种。制冷方式有蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷。空调的目的是为了在。定的空 间内保持具有一定要求的空气温度、湿度、清洁度和流动速度。从本世纪2 0 年代丌始，人们系统地研究了人体和周围热环境件的关系，尤其是人体的新陈 代谢产热和周围热环境参数之间的天系。舒适性窄调的室内漫计参数，主要是 按满足人体的热平衡和舒适感要求确定。舒适的主要标志是人体维持正常的散 热量和散湿量。本课题主要研究空调制冷基本原理、各制冷元器件对系统性能 的影响、空气调节原理及常用设备。在选择调节方式后，对空调水系统、制冷 机组的设计，选型，经验证达到了较好的制冷效果。 关键词：家用小型中央空调空气调节空调压缩机蒸发器 冷凝器水泵 a b s t r a c t t h eh o u s e h o l ds m a l l s c a l ec e n t r a la i rc o n d i t i o n e r i sa ni n d e p e n d e n tm i n i t u r ea i r c o n d i t i o n e rs y s t e m i t ss i m i l a rt o l a r g e s c a l e c e n t r a la i rc o n d i t i o n e rs y s t e mo nt h e r e f r i g e r a t i o nw a ya n db a s i cs t r u c t u r e ：ac o m p r e s s o rc o n n e c t sal o to ft e r m i n d sa i r o u t l e to rt h ed e v i c et h r o u g ht h et u b e rp i p et y p ec o l da n dh o tw a t e r p i p e ，t r a n s p o r tt h e c o l do rw o r ma i ra m o n ge a c hr o o mo rt h ea r e a i no r d e rt or e a l i z et h a tr e g u l a t i o no f t h ep u r p o s eo f t e m p e r a t u r e i nal o to f r o o m s u s a ，j a p a nh a da l r e a d yb e g u n t ou s e t h eh o u s e h o l ds m a l l s c a l ec e n t r a la i rc o n d i t i o n e ri nal a r g ea m o u n tp r o m p t l ya sf a r b a c ka st h es e v e n t i e sm a de i g h t i e s ；o nl a t e rs t a g ei nt h e19 9 0 s o u rc o u n t r yb e g a nt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h i sr e s p e c t ，w i t hs u c c e s s f u lp r o j e c ta p p l i c a t i o n t h e c o l dh e a to ft h eh o u s e h o l ds m a l l s c a l ec e n t r a la i rc o n d i t i o n e ro f f e r e d b y t h e c o m p r e s s o r t h es i n g l ec o l dt y p ea n d h o tp u m p t y p eo fc o m p r e s s o r st w o k i n d s t h e r e a r es t e a mc o m p r e s s i n gt y p er e f r i g e r a t i o na n da b s o r b i n gt y p e r e f r i g e r a t i o n i nt h e r e f r i g e r a t i o nw a y t h ep u r p o s e o ft h ea i rc o n d i t i o n i n gi sf o rk e e p i n gh a v i n ga i r t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , c l e a n s i n gd e g r e ea n df l o w ss p e e ds u r et or e q u i r ei nc e r t a i n s p a c e s i n c e 19 2 0 s p e o p l eh a v es t u d i e dt 1 1 eh u m a n b o d ya n dr e l a t i o no fo n eo fh o t e n v i r o n m e n ta r o u n ds y s t e m a t i c a l l y , e s p e c i a l l yt h em e t a b o l i s mo ft h eh u m a nb o d y p r o d u c e st h eh o ta n dr e l a t i o nb e t w e e n t h eh o te n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa r o u n d t h e i n d o o rd e s i g np a r a m e t e ro ft h ea i rc o n d i t i o n e ro fc o n f o n a b l e n e s s i sm a i n l yf i x e d a c c o r d i n gt o h o tb a l a n c ea n dc o r n f o r tr e q u e s tf o rm e e t i n gt h eh u m a nb o d y t h e c o r n f o r t a b l em a i ns i g ni st h a tt h eh u m a nb o d ym a i n t a i n sn o n n a ld i s t r i b u t e s i n gh e a t a n dd i s t r i b u t e sw e tq u a n t i t y t h es u b j e c tm a i n l yr e s e a r c h e st h ei m p a c to fb a s i c p r i n c i p l eo fa i rc o n d i t i o n e r 0 ns y s t e m a t i cf u n c t i o no fr e f r i g e r a t i o nc o m p o n e n t s ，a i r r e g u l a t i o n ，d a i l ye q u i p m e n t a f t e rc h o o s i n gt h er e g u l a t i o nw a y ，i th a sb e e nv e r i f i e d t h a tt h ew a t e rs y s t e mo fa i r c o n d i t i o n e r , a n dd e s i g n a n d s e l e c t i n gt y p e o ft h e r e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r ，h a v er e a c h e db e t t e rr e f r i g e r a t i o nr e s u l t k e yw o r d ：t h e h o u s e h o l ds m a l l s c a l ec e n t r a la i rc o n d i t i o n e ra i rr e g u l a t ep r i n c i p l e a i rc o n d i t i o n i n g c o m p r e s s o re v a p o r a t o r c o n d e n s e r p u m p 独创性声i ! | 本人声明所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成采，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或捌写过的铆f 究成粜。也不包含为获得墨壅盘堂或其他教行机构的学位或证 书丽使j 过的材科。与我一耐工作的剐志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了l 则确的说 w j j ：农示了谢意。 学位沦姚者躲帆城签铷期：渺细诸日 学位论文版权使用授权书 本4 依沦义 1 ：荇究个了解苤注盘茎f f 天雠宵f 、使j | j 学f c i ：论文的规j _ i 三 受仪厶韭盘望ji j , ：i ! i k f 、7 沧迁们1 、鄙l 戈i l ：分j q 7 i 编八，j 父数州 ：姐 j ：捡 京。j 砭川彬印锚阳；! t * 等砭捌于& f 聚存、 i 编以供a 1 i 街和f 持1 街同意学 校向幽家：f ! 关部门或机构送交论文的复印件和磁搬。 ( 仪懈的学位论义在解密后适j h 夺授杈泌i 蚋 一化沦艾f 1 ：行簪瓠：知4 盈宝l 州i 够轧： 签字f | j 叭雠z 月形只 笔。一f i 期 朋红 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研制开发家用小型中央空调意义 同其他家电行业一样，中央空涧从起步丌始，就面临着国际化的竞争。国 外的一些相关牛广企业、公司目前都己在我国设厂，比如，关国的开利、约克、 麦克维尔，德国的比泽尔、日水的同立、三洋、大金及韩国的l g 等。我国是 幅员辽阔的国家，拥有多种多样的气候类型。这就必然要求我们的家用小型中 央空调具有多样性的特点，要根据不l 刊的气候特征选择合适的空调型式。我国 经济发展水平地区差异性大，存不同的地区人们对家用空调的需求不。样。即 使在同一地区，由于人们的收入水平不样，住宅形式也千差万别，而且生活 习惯也不尽相同，因此对家用空调的需求也是多层次的，因此必须针对不1 一j 层 次的用户设计不同形式的家用空调。从能源的角度来看，我国虽然能源总量很 大，但由于入口众多，人均能源拥有量不高，能源供应相对较为紧张。而住宅 空调在当前的能源消耗结构中所占的比蕈是非常大的。这就要求我国的家用小 型中央空调的发展必须注重节能性，一方面注重提高机组本身的能效比，另一 方面应当注重能源的综合利用。这样也就对变流技术、蓄能技术、能源综合利 用技术等提出了更高的要求。从环境的角度来看，目前我国环境污染的问题较 为突出，许多城市出现了诸如“热岛”效应、空气污染等现象。考虑卜述问题， 一方面是要求所开发的家用小型中央空调必须具有环保特点，把对环境的影响 尽量减少到最小，另一方面是要充分考虑到环境污染对空调系统本身的性能带 来的影响，针对它进行一些相应的设计。 从整个市场来看，目前推向用户的家用小型中央空调( 有的企业称之为户 式中央窄调) 产品主要有两大类型，一种是以前称为商用中央空调机组的产品， 该类机组的优点是问世时间较氏，机组质量稳定，但同时存在冷量凋节不便， 噪音较大，机组运行费用较高，舒适性不好的缺陷。应该说，该种机型仅仅是 划“家剧小型中央空调”概念的借用。如果不能积极调整这种做法，势必对家用 小型中央空调产品真正走进用户造成消极的影响。另外一种类型是按照中央空 调完整功能进行配置设计的全新机型，这种机组的优点在于其达到和实现了中 央空调系统的全部内在功能。机组在运行过程中能够自动进行负荷调节，运行 噪音较小，使用成本较低。 第一章绪论 在我国空调产业白诞生以来的2 0 年中，中央空调的适用对象是现代化的 大型建筑，如宾馆、写字楼、大型商场等，而家用空调基本上被分体、壁挂、 立式三种垄断，因此长期以米两者一直“井水不犯河水”地平行发展着。 然而近年来，商品房面积超过1 0 0 平方米以上的住宅以及复式住宅的增 加，介于大型中央空调系统与家用空调之间的空白点便显露出来，一些空调公 司瞄准这一机会，如清华同方、海尔和美的，开始将注意力放到小型中央空凋 的生产上。 小型中央空调融合了传统中央宅调和家用空调的优点，与传统的中央空调 相比，在空间利用、安装方便和节能等方面都具有优势。在空间利用方面，小 型中央空调由于是一户一套，免去了大型中央空调需要机房和逐层分布的送风 管道。在安装方面，小型中央空调只有大小相当于一个普通家用空调室外机的 主机，安装比较方便。 在节能方面，小型中央空调能够灵活控制，往往比大型的中央空调节能4 0 到5 0 。作为一个产业，这几年，小型中央空调市场在国外的发展已经比较 成熟，而在国内市场却还只是刚刚起步。人均收入较高的大城市如北京、上海 等地，已经有相当一部分消费者接受了户式中央空调这一概念。据 二海市浦东 的一家空调经销商反映，他们公司近来接到许多要求购买小型家庭中央空调的 电话。、l k 内人士认为，小型中央空凋的市场已经处于启动阶段。 小型中央空调产品的适用面积大多在几百平方米左右。以清华同方人工环 境设备公司的户式中央空调为例，目前针对1 0 0 平方米至6 0 0 平方米的各种广， 型，有四个系列1 2 个型号的不同产品。因此，面积超过1 0 0 平方米的家庭住 宅、复式住宅和别墅都可以使用小型中央窄调。另外，写字楼也将是小型中央 空调的用武之地。 有关专家认为，小型中央空调将会向家用空调和中央空调抢夺市场，并在 相当程度上取代目前的家用空调。不少传统的家用空调生产商看到了小型中央 空调的诱人前景，纷纷扩展产品空间。另外，国外如日本、韩国的一些空调厂 商也纷纷看准这一时机，抢占中国市场。 家用小型中央空凋的优点： 1 送新风： 家用小型中央空调可以向室内补充新风，分体空调则没办法补充，但全部 送风用新风是不现实的，因为这样耗电会很大，一般保证l5 左右的新风量， 这样就解决了一般家用空调宅气品质著的问题。 2 气流分布均匀： 家用小型中央空调可通过管道的规范设计和风【_ _ | 的合理布置来达到气流的 第一章绪论 均匀分布，这样可以避免分体空调送风不均，狭小空间难以配置空调的缺憾。 3 易于配合家庭装潢： 和家用分体空调相比，家用小型中央空调消除了装潢中的不和谐因素，如 挂壁式室内机，沿墙的连接管，墙卜，或窗上的孔等，配合房间整体装潢设计， 将管道和机组隐藏在吊顶或其它暗柜中，可以提高家庭装潢的品位。 1 2 国内外户式中央空调研究动态： 家用户式中央空调与分体式家用宅调相比具有节能、舒适、温度调节方便、 噪声低、振动小、不破坏建筑物外观等突出优点。美国、f 1 本早在七、八十年 代即已开始大量应用家用户式中央空调，9 0 年代中后期丌始，我国开始了在这 方面的研究与开发，并已有成功的工程应用。目前，国外和国内的发展路线并 不相同。一个困家家用户式中央空调的发展，与该国地理气候条件、经济发展 水平、人民，毛活水准、居住住宅形式及社会人文环境等因素密切相关。美国家 用户式中央空调技术路线主要走的是“全空气系统”的道路，以风管式系统为 主。另个是燃气炉式。日本走的是“直接蒸发式系统”道路。从窗式空调器 到定速分体式空调节器再到变频分体式空调节器。厂了本的家用小型中央空调以 冷剂式空调即v r v ( 包括一拖多) 为主，强调节能。我国在这方面的研究起步 晚，技术还不完全成熟，我国主要走水系统道路，发展的是冷热水机组的型式 占总量的7 0 。风管式及v r v 式较少且技术不成熟，成本高，多个房间的独 立控制，调节解决的不好。随着制冷技术应用信息技术的高速发展及相关专业 的突破性进展带来制冷技术的重大变革。随着电机、润滑、化工、材料等学科 的技术引进和技术创新，制冷技术也将获得长足的发展。压机效率将进。步提 高，系统的能效比随之增加。变频技术的应用，高效的直流变频压缩机结合先 进的控制技术，极大降低了空调产品启动时大电流的冲击；先进的软件设计， 总体内部流量的精确控制与自动优化，使整个系统中压缩机、换热器以及电予 控制元器件等达到最为准确合理的配置和运作，产品节能性将出现明显的进 步。模糊控制f l c ( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 技术在中央空调中也将得到广泛的运 用。在控制目标方面从早期的温度控制发展到以p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 作为控制基准；在控制策略方面，从基于查询表方法的简单模糊控制发展到与 其他人 二智能领域相结合的智能模糊控制。耐腐蚀、而j 高温、传热效率高、传 热面积大、加_ r l = 工艺性好的高效亲水铝箔与高效主传热铜管及材料的研究与运 用也将对中央空调产品的使用性能产生较大的推进作用。由于中央空调行业广 泛采用的c f c 与h c f c 类制冷剂对臭氧层的破坏和大气温室效应的产生有消极 第一章绪论 作用，就使得绿色制冷剂的研究和开发成为今后几年世界空调制冷行业的热点 问题。o d p 值为0 ，g w p 值低，热工性能好，具有节能效果且充流量少的环保 型制冷剂将是窄调行业制冷工质替代物的发展目标和方向。目前国内家用空调 的研究向舒适性、健康性发展，节能技术也是行业内的主要课题。 1 3 课题的提出和研究内容： 家用小型中央空调，是+ 个小型化的独立空调系统，在制冷方式和基本结 构上类似大型中央空调系统，有。台主机通过风管或冷热水管连接多个末端出 风口或末端装置将冷暖空气运送到各个房间或区域，以实现对多个房间调节温 度的目的。随着我国经济不断发展，住宅业也高速发展，同时住房贷款政策的 进一步完善，个人购房的规模将继续增犬，另外，人民生活水平的提高和支付 能力的上升，高档住宅纷纷出现，为家用小型中央空调提供了广阔的市场前景。 本课题家用小型中央空调的控制冷却方式的研究主要研究内容： l 、对户式中央空调的冷却方式进行研究。广i 式中央空调冷却系统主要有三 种基本系统：风管式系统、家用多联v r v 系统( 又叫直接蒸发系统) 、 冷热水机组( 又叫全水系统) 这三种系统各有优势。本课题研究的目的 就是对以上系统进行研究分析，并选定采用何种制冷方式。 2 、对户式中央空调空气调节进行研究，选用合适的空气调节方式。使室内 空气品质舒适、新鲜、健康。 4 第二章空调系统设计选择 第二章家用小型中央空调系统设计基础 2 1 空调制冷基本原理 2 1 1 家用小型中央空调制冷理论循环： 家用小型中央空调的冷热量是由制冷主机提供的。制冷主机义单冷型和热 泵型两种。家用小型中央空调采用的制冷剂主要是蒸汽压缩式制冷，还可采用 吸收式制冷。蒸汽压缩式制冷属于相变制冷，即利用制冷剂由液态变为气态时 的吸热效应来获取冷量的。为使制冷连续进行，必须组成一个如图一所示的循 环系统。它是由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四大器件组成。它们之间由 管道依次连接，形成一个封闭系统。压缩机吸入蒸发器的低温、低压的制冷剂 蒸汽，向冷凝器排出高温高压的制冷剂气体：在压力不变的情况下，高温高压 气体在冷凝器中被冷却介质( 水或空气) 冷却，放出热量，温度降低，并进一 步冷凝成液体，从冷凝器中排除：高压制冷剂液体经过节流阀降压，导致部分 制冷剂液体气化，吸收气化潜热，使其本身温度降低，成为低压、低温下的湿 蒸汽，进入蒸发器i 在蒸发器中，制冷剂液体在压力不变下吸收被冷却介质 ( 水或空气) 的热量而气化，而后变成低温低压蒸气被压缩机吸走。如此循环 进行。 图2 - 1 ：单级蒸气压缩制冷系统 1 压缩机2 一冷凝器3 一节流阀4 一蒸发器 单级蒸气压缩制冷系统的理论制冷循环在压焓图上如图2 - 2 所示，循环线路 是由两条等压线、一条等熵线和。条等焓线组成。这说明制冷剂在蒸发器和冷 凝器内流动没有阻力，制冷剂在压缩机中的压缩过成为可逆等熵过程；制冷剂 离开蒸发器的状态和压缩机的吸气状态均为饱和蒸气，制冷剂离开冷凝器和节 第二章空调系统设计选择 凝温度t c 对应的冷凝压力等压线的交点来确图2 。2 ：理论制冷循环的压焓图 定。点2 处于过热蒸气状态。点3 表示制冷 剂出冷凝器时的状态，也是进节流阀时的状态。他是冷凝压力p c 对应的饱和液 体，位于等压线p c 与饱和液体线的交点。过程线2 2 、3 表示制冷刹在冷凝器中 冷却( 2 - 2 1 ) 和冷凝( 2 、，3 ) 过程。点4 表示制冷剂出节流阀的状态。过程3 - 4 表示制冷削通过节流阀是的节流过程。由于节流前后制冷刻的比焓不变。点4 是过点3 的等焓线和等压线p 。的交点。由于节流过程为不可逆过程，所以过程 3 - 4 往往用虚线表示。过程4 1 表示制冷剂在蒸发器中的气化过程，制冷剂吸取 被冷却物体的热量而不断气化，制冷剂的状态沿等压线p 。向干度增大的方向进 行直到全部变成饱和蒸气为止。这样制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的 状态，从而完成了一个理论制冷循环。 2 1 ，2 家用小型中央空调制冷实际循环： 事实上，家用小型中央空调的时剂制冷循环不可避免与理论制冷循环之 间存在许多差别，如流动阻力、换热温羞、压缩机偏离等滴压缩、冷凝其中有 制冷剂过冷、蒸发器中有制冷剂过热、制冷剂液体管和气体管问有回热等情况。 这些差别又对制冷循环性能产生不同的影晌。简述如下： 1 、液体过冷对循环性能的影响： 在实际循环中，饱和液体在冷凝器和节流阀之涮的管道流动时，因流动阻 力引起的压力降低时制冷剂部分气化，这种现象影响了节流阀工作的稳定性， 因此需要液体在进入节流阀前有定的过冷。具有液态过冷的循环如图2 3 所 示，1 - 2 3 3 1 4 、一1 位过冷循环，其中3 3 、p 表示制冷剂的过冷过程。温度差 t 。= t ，- l 3 t 称为过冷度。过冷循环单位制 冷量增加，单位压缩功不变，提高了 整个循环制冷系数。 h 2 、吸气过热对循环性能的影响： 图2 - 3 ：过冷、过热及同热循环的压焓幽 在实际循环中，蒸发器的出口和压缩机的吸气通常控制在过热状态。吸气 过热循坏如图三1 - 2 、一2 34l - 1 1 所示。过热度a t 。= t ，- t l ，若这部分过热发生在 第一二章空调系统设计选择 蒸发器中称为“有效过热”，相反若发生在吸气管路中，散失在大气环境中称 为“无效过热”。“无效过热”循环单位功增大，单位制冷量不变，单位冷凝热 增大，循环的单位体剂制冷量下降，制冷系数下降，压缩机的排气温度升高。 “有效过热”循环单位功增火，单位制冷量增大，单位冷凝热增大，循环的 单位体剂制冷量下降，制冷系数可能增加或下降，压缩机的排气温度升高。对 实际运行的压缩机，希望吸入的蒸气具有一定的过热度，否则压缩机就有可能 吸入未蒸发的制冷剂液滴而引起压缩机冲缸现象。对于r 2 2 制冷系统通常希望 有5 1 0 。c 的过热度。 3 、【旦i 热循环： 在系统巾增加一个气液换热器，使节流前的液态制冷剂和从蒸发器出来的 低温制冷剂蒸气进行内部交换，是制冷剂液体冷，低温蒸气过热，这样的循环 称为回热循环。幽四为具有回热循环的系统图，图三1 1 、2 - 3 3 4 - 4 1 即为回 热循环。1 1 、和3 3 、表示在回热器巾的回热过程。采用回热循环后，制冷系数 可以增加也可以减少。采用r 2 2 制冷循环的单位体积制冷量和制冷系数均有所 提高。 4 、压缩机效率对循环性能的影响： 实际制冷循环中，由于气体制冷剂在压缩机内部的热交换和流动阻力等一 系列损失，造成压缩机的输气量下降、耗功量增加、压缩终了制冷剂温度提高， 从而使循环性能下降。通常压缩机中的不可逆损失约占系统中不可逆损失的 3 0 - 4 0 。 5 、交换和压力损失对循环性能的影响 1 ) 吸气管道从蒸发出口到压缩机入口之间称为吸气管道。吸气管道中 的热交换及压力损失直接影响到压缩机的吸气状态。压缩机的输气系数降低、 单位压缩功增大、制冷系数下降。在实际工程中，可以通过减小制冷剂的流速 的方法来降低阻力，即通过增加吸气管道的直径来减低压力降，但为了确保润 滑油能顺利返回压缩机，这一流速不能太低。 2 ) 排气管道 从压缩机出口到冷凝器之间管道称为排气管道。压缩机排 气管路向环境散热，可减低冷凝气的热负荷。管路的压力降则增加压缩机的压 力比，使压缩机的输气系数下降，制冷系数降低。在实际工作中，由于排气管 道的阻力相对于吸排气压力差要小得多，因此，它对系统的影响比吸气管道的 阻力也小得多。 3 ) 液体管道从冷凝器出口到膨胀阀之间的管路内的制冷剂为液体状 态。引起管道压力降的因素有管路流动阻力和液体高度差。液体管路的热交换 通常是向环境散热，产生过冷效应，使系统制冷量增大。管路中的压力降引起 第二章空调系统设计选择 部分制冷剂气化，将减少系统制冷量。显而易见，冷凝器出【：_ 】的制冷剂须有一 定的过冷度，一般不小于3 5 。 4 ) 两相管道从节流装置到蒸发器之间的管道中流动着气液两相制冷 剂，称之为两相管道。通常这一管道的长度很短，而且它引起的压力降对系统 的性能几乎没有影响。但是对于多个蒸发器共用一个节流阀或一个蒸发器多路 蒸发时，则要尽量保证从液体分配器到各个蒸发器之间的阻力相等，否则会出 现制冷剂分液不均匀，影响制冷效果。 5 ) 蒸发器蒸发器中阻力对循环性能的影响，必须注意到它的比较条件。 如果假设蒸发器 口的状态不变，为了克服蒸发器中的流动阻力，必须提高制 冷剂进入蒸发器的压力。即提高蒸发器的起始蒸发温度。在这种情况下，制冷 剂的节流前后的比焓不变，压缩机的吸排气状态不变，故对制冷系统的性能没 有影响。它使蒸发器的平均传热温差减小，要求的传热面积增大。如果假定蒸 发器的平均传热温差不变，那么蒸发器出中的制冷剂压力会稍有些降低，其结 果和吸气管道的阻力影响一样。 6 ) 冷凝器冷凝器内压力损失都将使压缩机的压力比增大，输气系数减 小，降低制冷系统的性能。冷凝器阻力的存在将减小换热器的传热温差，需要 增大换热器的传热面积。 6 、冷凝温度变化对循环性能的影响 假设蒸发器温度不变，当冷凝温度升高刚，冷凝压力升高，制冷剂的循环 量下降，机组的制冷量下降，理论压缩功增大，制冷系数下降；同理，当冷凝 温度下降时，机组的制冷量升高，压缩功下降，制冷系数增大。 7 、蒸发温度变化对循环性能的影响 假设冷凝温度不变，当蒸发温度升高时，蒸发压力升高，制冷剂的循环量 上升，单位制冷量增大，单位压缩功下降，制冷机的制冷量升高。功率消耗有 一个最大值，该最大值约在压力比等于3 时。因此，驱动压缩机的电动机的功 率选配应考虑这一最大功率情况。至于制冷系数，则总随蒸发温度升高而增大。 同理，当蒸发温度下降时，机组的制冷量下降，制冷系数降低，压缩功也存在 一个最大值。 2 1 3 其他几种循环： 非共沸制冷剂循环、热泵循环、吸收式制冷循环。 非共沸制冷剂r 4 0 7 c 有望成为家用小型中央空调中j 、。泛使用的制冷剂。应 用非共沸制冷剂的制冷系统及其循环与纯制冷剂的基本相同，只是由于非共沸 制冷剂在向变过程中温度是变化的，因此该系统的冷凝器和蒸发器宜采用逆流 第二章空调系统设计选择 式布置。图2 - 4 给出了非共沸制冷剂循环 的温熵图。图中2 - 3 4 位制冷剂在冷凝器 l，一、2 中的等压放热过程，其中t 3 为冷凝开始 l二一￥ 温度，t 4 为冷凝终了温度。在这过程中 l4 詹y 制冷剂的温度是逐渐降低的。图中5 - l 为l 7 j ： 1 制冷剂在蒸发器中的等压吸热过程，在l _ _ + 这过程中，制冷剂的温度是逐渐升高的。图2 4 ：非共沸制冷剂制冷循环的温熵图 在变温热源条件卜i ，利用非共沸制冷剂相变是的变温特性，叮以减小冷凝或蒸 发过程中的传热温差，从而提高制冷循环的性能。 热泵循环和制冷循环在热力学上并无区别，因为他们的工作循环都是逆向 循环，区别就在于两者目的不同和工作温度区不同。家用小型中央空调大多为 冷暖型，供暖火多采用热泵循环。热泵得制热系数e 。是供热量与热泵的耗功之 比值。热泵的制热系数e 、与制冷系数e 关系为 8 f 1 + ( 2 1 ) 上式表明了热泵供热系数永远大于1 ，所以用热泵供热在经济二比消耗电能更 为合算。热泵循环系统通过改变制冷剂的流动方向来实现制冷制热。夏季制冷 时，室内换热器为蒸发器，从室内吸热，室外换热器为冷凝器，向环境放热； 冬季制热时，室外换热器为蒸发器，从室外吸热，室内换热器为冷凝器，向室 内供热。室内外换热器功能的转换，依靠一只四通换向阀完成。 吸收式制冷循环已成功应用于中央空调的冷热水机组。由于燃气能源的品 位高，家用燃气中央空调主要采用双效吸收制冷循环。燃气空调的能源主要来 自燃气，同时系统需要配置冷却塔风机、燃烧器风机、冷却水泵、冷冻水泵、 溶液泵、冷剂泵等，需要电力驱动。 在制冷剂的选用上，我国目前用于中小型空调领域的制冷剂主要是r 2 2 和 r 1 3 4 a 。 2 1 4 制冷换热器的换热原理 换热器是将两种或两种以上温度不同的流体进行热量传递的设备。用于制 冷系统的换热器主要有蒸发器、冷凝器、中间冷却器和过冷器等。蒸发器是指 制冷剂液体在较低的温度下，沸腾吸收被冷却介质( 空气或水) 的热量，达到 制冷的目的。冷凝器是制冷剂蒸气在较高的温度下，把热量传给环境介质( 水 或空气) ，进而冷凝成制冷剂液体，以继续节流循环制冷。因制冷剂与介质( 水 或宁气) 不能相混合，须用导热性能较好的金属( 通常是纯铜管) 将两者隔开， 在温差的作用下进行热量传递，这类换热器称之为问壁式换热器。 第r 二章空调系统设计选择 传热是指在有温差的情况下热量自发的从高温物体传向低温物体。两流体 间的热量传递是很复杂的，通常可分为导热、对流、辐射。 ( 1 ) 导热：导热是物体各部分直接接触而发生的热量传递。在导热这一物理 现象中，热导率 具有重要意义。表一是些常用材料的热导率。 表一常见材料的热导率( 2 0 ) 由上表可知：纯铜和铝的热导率很高，家用小型中央空调的冷凝器或蒸发 器均以纯铜管作传热管，在空气侧换热面用铝材作翅片，以获得较高的传热效 果。同时可见，空气等气体的热导率很低，而各种发泡塑料均是多7 l 性材料， 孔隙中都是热导率很低的空气，使发泡塑料的热导率也很低。现空调中需要保 冷隔热的部位，都是用各种发泡塑料制成管壳或板材组成。从表中还知霜层的 热导率也很低，因为它们是多孔性的，这在空调机组按热泵运行时，室外换热 器表面常结霜，它阻碍了室外换热器从环境空气吸收热量的能力，因而要经常 对室外换热器融霜。 制冷换热器通常由圆管制成，圆管的内外表面积不相等，对于单层圆管的 导热表达式经数学推导如f ： t 1 - t ： o = l ( 2 1 ) ( 1 2n ) h a ( d 2 d 1 ) 式中 一管壁材料的热导率( k w m k ) i - - - 圆管的长度 t t 2 - - - 圆管内外壁而温度( ) 且t 1 ) t ， d ，d l 一圆管内外直径( m ) ( 1 ，2nx ) l n ( d 2 d 1 ) 圆关闭导热热阻 圆管壁通常较薄，当管径( d 2 d ，) ( 2 时，工程上常按平壁导热公式计算 而所引起的误差不超过4 。 第一二章空调系统设计选择 q = 1 d 。( x 6 ) ( t 2 一t 】) ( 2 1 对流： ( 2 2 ) 单纯对流指液体内各部分之间发生相对位移时，各温度不同的流体微团相 互掺混所引起的热量传递。实际的换热器总是流体流过与其温度不同的固体壁 面时而发生热量传递，称之为对流换热。当流体流过固体壁面时，由于流体都 有粘性而在紧贴固体壁面上有层作层流运动的流体称之为“边界层”，在边 界层内热量的传递只是靠其自身的导热。在边界层外才发生单纯对流。流体与 固体壁面之间的对流换热要比导热复杂的多。影响对流换热的因素主要有： a ) 从流体运动发生的原因可分为自然对流( 由流体各部分的温度、密度差引 起) 和受迫流动( 由外力泵或风机等引起) ，同种流体的受迫流动对流换热 强度大于自然对流的对流换热强度。 b ) 从流体运动的状态可分为“层流”和“紊流”。层流运动时，流体内的热量 传递完全靠导热；紊流运动时，流体中心部分是“单纯对流”，仅边界层内 的层流底层才是导热，显然紊流时的对流换热强度要大丁层流时的，通常 流体流速较高时4 处于紊流区域。 c ) 流体的物理性质，如热导率 ，比定压热容c 。、动力粘度u 等，均对对流 换热器影响较大。上述“层流”状态和“层流底层”均是流体的导热，而 表一示出液体的热导率是气体的数十倍，因而液体与同体壁面间对流换热， 大于气体与固体壁面f 叫的刈流换热。 d ) 流体与吲体壁面的温度，这温度影n 向各物性参数，且蒸汽在固体壁面j 二冷 凝或液体在固体壁面上沸腾也属对流换热问题，而流体与固体壁面问的对 流换热温差对这类相变换热强度的影响极大。 e ) 固体壁面的形状和尺寸显然影响着对流换热强度，常见在翅片表面压成各 种波纹甚至冲断成缝，意在减少或破坏边界层的生成厚度，以增强对流换 热强度。 工程上以一简单式子计算对流换热量： q 2 q a ( t i t w ) ( 2 3 ) 式中q 对流换热量( k w ) ： q 一表面传热系数 k w ( r n 2 k ) 1 ； a 对流换热时的固体表面积( m 2 ) t l - - - 流体温度( ) ： t w 固体壁面温度( ) ，且t j t 。 表二给出了家用小型中央空调的换热器中常遇到的表面传热系数a 值的大 致范围。 第二章空调系统设计选择 由表二可以看出，受迫运动的流体明显高于其自由运动：液体的明显高于 气体的：水高于制冷剂；r 2 2 高于r 1 2 。 3 ) 辐射： 物体的热能不断地以电磁波的形式向外发射，此能量称为热辐射能。当两 物体有温差时，它不需要两物体相互接触就能传递能量。当流体受迫流过固体 壁而州，对流换热很强，辐射换热所占比例较小，常忽略4 i 计；当流体沿固体 壁面呈自然对流时，对流换热量较小，辐射换热所占比例相对上升。 表二一些表面传热系数的大致范围 22 空气调节原理及常用分区处理系统： 2 2 1 空气调节原理 一般空调的目的总是归结于在一定的空间内保持具有一定要求的空气温 度、湿度、清洁度和流动速度。近来人们开始重视室内空气品质问题，除了传 统意义上的清洁度外，人们开始注重空气中悬浮的微粒的水平和有害气体的浓 度，而且对一些微量气体的综合作用和人体生物污染的影响也考虑在内。 从本世纪2 0 年代开始，人们系统地研究了人体和周围热环境件的关系，尤 其是人体的新陈代谢产热和周围热环境参数之间的关系。所谓热环境参数是指 空气的温度、湿度、风速和内表面平均辐射温度。以上参数的舒适性经常通过 p m v 来表示。见下表 热感觉热暖微暧中性微凉凉 冷 p m v+ 3+ 2 + 10123 舒适性空调的室内设计参数，主要是按满足人体的热平衡和舒适感要求确 定舒适的主要标志是人体维持：i _ f 常的散热量和散湿量。人体的散热( 湿) 途径， 主要通过皮肤与外界对流、辐射和表面汗液蒸发三种形式，也靠呼吸和排泄带 走部分热量。如果室内空气温度过高，人体热量散不出去，会产生“热”感； 空气温度过低，人体散热过多，会产生“冷”感。即使空气温度合适，若空气 2 第二章空调系统设计选择 相对湿度过高，汗液不易蒸发，人有闷热之感；相对湿度过低，汗液蒸发过快， 皮肤干燥甚至导致嘴唇开裂，影响健康。还有，空气流动速度液影响人体的舒 适感。在静止或流速很小的孔器环境中，由于人体的热量和湿量的不到正常的 散发，会有“沉闷”之感；流速过大，使人体散热、散湿过快，会产生“吹风” 之感。此外，室内墙面或家具表面的温度也影响着它们与人体问的辐射热交换。 总之，影响人体舒适感的丰要因素有窄气温度、相对湿度、空气流动速度、围 护结构内表温度等。通常人体的热舒适是指热感觉为中性p m v = 0 ，空气相对湿 度为5 0 及风速不大于o 1 5 r r d s 热环境下的心理反应状态。在确定室内设计参 数时，推荐p m v = 0 5 计0 5 ，低标准时可取p m v = 一1 + 1 。在我国采暖通风与 空气调节设计规范中规定，舒适性空调的设训参数为： 夏季：温度：2 4 2 8 相对湿度4 0 6 5 风速丰0 3 m s 冬季：温度 1 8 2 2 相对湿度4 0 - - 6 0 风速丰0 2 m s 选用室内设计参数关系到空调耗能量，按日本统计结果，改变室内设计参 数的节能效果如下表所示 夏季( k w ( m 2 年)冬季( k w ( m 2 年) 室内温度 2 42 62 82 22 01 8 新风负荷 2 31 71 2 23 2 6 2 1 71 3 5 其他2 5 82 31 8 76 65 14 总计4 8 84 03 0 3 9 22 6 81 7 5 节约率( ) o1 83 6 603 1 6 5 5 又上表可见，适当提高夏季的室内空气温度和降低冬季室内空气温度有显 著的节能效果。同时，长期处于由空调维持的相对“低温”热环境将使皮肤汗 腺和皮脂腺收缩，腺口闭塞，导致血流不畅，神经功能紊乱等症候群，称为“空 调适应不全症”。 为改善环境的舒适性，夏季在适当提高室内空气温度的同时，亦可适当增 加空气的流动性，尤其是采用周期性扫描式的送风口，不仅可以克服室内空气 的沉闷感，而且使人具有自然风掠过的新鲜感。研究表明：加大新鲜空气量是 解决室内空气品质问题的有效途径，但同时也增加了能耗。按国家住宅建筑 设计规范要求，住宅的卧审、起居室应有良好的自然通风。厨房和卫牛间自 第二章空调系统设计选择 然和机械通风应设有通风管道。按规定： 自然通风卧室、起居室1 次，j 、时 机械通风卫生间 l o 1 5 次，、时 厨房5 _ 8 次d , 时 从卫生角度讲，房间内要有一定的新风量，住宅按最小3 0 n 1 3 h 。另外由于 厨房和卫生间的机械通风，也会造成室外新风渗入室内，符合国标的住宅其自 然通风可满足卫生角度的新风要求。因而一般情况下住宅内无需加设新风系 统。 2 2 2 空气调节常用分区处理系统： 一般情况下都是一个空调系统为一个空调房间服务，或一个系统为几个条 件完全相同的房间服务。但实际工程中，常常需要空调的房间很多，每个房间 的室内设计要求、余热、余湿等不可能完全一样，为每个房间设计一个空调系 统又不经济，这就需要划分几个系统。因此将相近设计参数合并在一起控制。 即便如此，由于室内外热湿负荷的干扰，同样会导致室内空气参数达不到使用 要求。例如：室内空气参数要求一致，而室内热湿比相差较大；室内温度要求 相同，而湿度要求刁i 同等。为了满足类似空调房间的使用要求，可采用对空调 系统进行分区处理，常用的分区处理方法有： 1 、末端再热式系统： 末端再热式系统即分房间或分区域设室温调节加热器的系统，其系统图见 图2 - 9 。由图2 - 9 知，室外新风与室内回风混合后进行集中处理，空气经主风管 送出进入各分区 之前，可按分区 空调要求对空气 进行再处理，以 满足各区的空调 使用要求。它适 用于室内相对湿 度波动范围要求 不严或室内湿负 荷很小的空调房 图2 - 9 ：空调的分区处理( 末端再热式系统) 再热器 f 凸j 。再热式系统可以设二次加热或不设二次加热。当末端加热器为电加热器而 二次加热可采用热水或蒸气加热时，为节约用电应设二次加热。若两者能源相 同时，可不设二次加热。 第二章空调系统设计选择 处理 分散 加湿 满足 求。 调区 疋， 积空调时，采用分区 图2 1 0 ：空凋的分区处理( 分区机组系统) ( 层) 设空调机组，可以按区( 层) 进行控制和管理。 3 、风机盘管系统： 风机盘管系统是在空调房间内设置风机盘管机组作为系统的“末端装置”， 再加e 集中处理后的新风送入房问，由两者结合运行。 风机盘管机组在空调工程中的应用大多足和单独处理的新风系统相结合。 风机盘管机组的构造：它主要有盘管热交换器( 一般采用二或三排管，铜管铝 片) 和风机( 多采用前向多翼离心风机或贯流风机) 组成，其风量在2 5 0 2 5 0 0 m 3 h 范围内。风机盘管机组在结构型式上一般分为立式、卧式、立柱式、顶棚式四 种；在安装型式上分为明装和暗装。该系统新风供给方式有： 确定新风处理系统终状态对于“风机盘管加新风系统”的空调方式的运行 关系较大，从原则上讲，新风应负担较大的湿负荷，使室内风机盥管尽可能在 析湿量小的工况下运行，则对卫生和运行安全较有利。故新风空调箱的生产和 水系统设计应与之相适应。 新风供给方式特点适用范围 1 ) 无组织渗透风，室温不均 1 ) 人少、无正压要求、清 匀 洁度要求不高的空调房问 房间缝隙自然 2 ) 简单 2 ) 要求节省投资与运行费 3 ) 卫生条件差 渗入用的房间 4 ) 初投资与运行费用低 3 ) 新风系统布置由困难或 5 ) 机组承担新风负荷，长时 旧有建筑改造 间在湿t 况下工作 第二章空调系统设计选择 l 、新风口可调节，冬、夏季 最小新风量，过度季大量1 1 人少、要求低的空凋房 新风量 间 机组背面墙洞 2 、随新风负荷的变化，室内2 ) 要求节省投资与运行费 直接受到影响