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空气调节系统的定义及分类

发布时间:2020-09-01      点击次数:4068

一、空气调节的定义
空气调节是指用人工方法对受控区域内空气的温度、湿度、速度及洁净度进行调节,以满足人员和(或)工艺的要求。现代科技与生产的发展对室内空气环境不断提出新的、更高的要求,所以在某些场合,特别是在洁净室内,还会对空气的压力、成分、噪声等参数提出相应的控制要求。所谓受控区域,可以是由围护结构所构成的内部空间整体,也可以是该空间中的部分区域。
根据不同的服务对象及使用要求,被调节参数的控制精度也不相同。例如对于一般的民用舒适性空调,室内空气温度的控制精度可以在±2℃,而工艺性空调可能是±0.5℃,±0.1℃甚至更小;在舒适温度范围内,空气的相对湿度可以在30%~80%,但对纺织、印刷等工艺,相对湿度就有比较严格的要求;民用空调对空气中可吸入颗粒物以质量浓度0.15mg/m3为控制标准,而净化空调则以大于等于某一控制粒径的粒子计数浓度为控制标准;对空气中有害气体的控制标准也大不一样,民用空调通常以有害气体的ppm(10-6体积分数)值来控制,而净化空调要用ppb(10-9体积分数)甚至ppt(10-12体积分数)来制定控制标准。不同的控制标准对系统的设计、设备的选择及运行控制方式等都会提出明显不同的技术要求,同时也会对系统的造价和运行能耗造成很大的不同。
空气调节从学科与专业领域的划分来说属于暖通空调范畴,暖通空调的全称是供热、通风及空气调节,英文资料中用HVAC表示。供热的主要任务是为用户提供热能,包括热水、蒸汽等,可以用于生产需求,也可以用于室内空气环境控制。通风与空气调节都以空气为调节处理对象,所以它们同属“通风工程”的范畴。但通风主要以室内空气中的污染物为控制对象,采用通风换气手段以新鲜空气来稀释或置换室内污染空气,使室内达到卫生标准,同时对排出室内的空气进行必要的净化处理,使其达到排放标准,以保护大气环境。
虽然采暖系统在冬季也在调节室内环境的温度,但它不能在夏季供冷,并且它不具备调节室内空气湿度的能力。作为完善的空调系统,必须具备能够对空气进行冷却和减湿的处理能力,这就使空调与制冷密切的联系在一起了。绝大多数空调系统由于对冷量的稳定和大负荷需求,采用了能耗与代价都比较高的人工制冷系统,少数采用自然冷源和非冷冻减湿的系统也得到了应用。
二、空气调节系统的构成及分类
1、空气调节系统的基本构成
一个完整的空调系统,特别是规模较大的系统要包括冷热源(为系统提供稳定的冷热需求)、空气处理末端设备(对空气进行热湿及净化处理)、空气动力设备(提供空气流动的动力,可能与末端设备组合在一起)、管路(将所有设备及部件连接成系统,包括管道、风口、阀门、静压箱、消声器等)、调节控制部件(为保证系统正常运行的检测与控制软、硬件)等。当然,并非所有的空调系统都是如此复杂的,许多商用、家用空调就要简单得多,有些本质上就是一个小型制冷系统,例如现在居民广泛应用的分体式空调器。
下图为包含冷热源设备在内的空调系统的示意图:

空调箱(称为空气处理设备或末端装置)从新风口25引入室外新风,与来自回风口24的室内回风混合,经空调箱内的空气过滤器6、空气冷却器7、空气加热器9、空气加湿器11处理后,由风机14经送风口20送入室内。制冷机组3向空调箱内的空气冷却器提供冷冻水,锅炉17向空调箱内的空气加热器及空气加湿器提供蒸汽,冷却塔1将制冷机组的冷凝热散发到大气中。实际系统的冷热源方案可以有多种选择,例如可以采用热水锅炉为空气加热器提供热水,而空气加湿采用其它方案;也可采用冷热源合一的热泵机组,可以分别向空调箱提供冷冻水和热水等。
2、空调系统的分类
这里讨论的空调系统仅涉及空气处理系统而不包括冷热源,是传统的分类方法。
(1)按空气处理设备的设置情况分类
1)集中式系统
集中式系统中所有空气处理设备(通常为组合式空调机组)集中于空调机房内,经过处理的空气通过送风管分送到各空调区域。大多数空调系统采用回风,则回风通过回风管返回空调机房。集中式系统的本质是空气集中处理,在空调房间内不再有二次空气处理设备。集中式系统也就是全空气系统,通常应用于空气处理要求比较高的科研、生产场合以及民用建筑内的高大空间。集中式系统因为采用了由不同功能段组合而成的空调机组,所以可以根据需要实现对空气完善的处理。在空调区域没有冷冻水及冷凝水管道,避免了可能发生的漏水、滴水问题;室内没有湿表面,不易滋生细菌,卫生条件比较好。但它需要空调机房,需要较高的建筑层高以布置送回风管;当处理风量比较大时,对建筑、结构及其它设备专业的要求比较高;由于采用回风,所以不同空调区域的空气会通过回风相混合,存在交叉污染的可能;当一个系统服务于多个要求不同的空调区域时,在分区域调节控制方面比较复杂,甚至会难以达到控制要求。
2)分散式系统
分散式系统中空气处理设备(通常为风机盘管、室内机等)分散设置在各空调区域内,独立的对该区域的空气进行处理,处理过程所需的冷热工质可以是集中供给的(如风机盘管系统的冷热水系统、多联机系统的冷剂系统等),也可以是独立机组自带的(如家用空调器等)。分散式系统有布置灵活、调节方便、节省空间等优点,但也存在空气处理标准与能力较低、湿度控制不佳、设备噪声大、凝结水排放及与建筑装修配合等问题。
3)半集中式系统
半集中式系统是结合了上述两种系统形式,既有集中也有分散的空气处理设备。典型的代表是风机盘管+新风系统。部分空气处理设备(如新风空调机组)集中设备,如集中式系统将集中处理的空气分送各空调区域;部分空气处理设备(如风机盘管机组)分散设置,独立设置各自区域的空气,所以兼有上述两种系统的优缺点。带有集中新风处理系统的多联机系统也属此列。
(2)按负担室内负荷的工作介质分类
所谓负担室内负荷的工作介质是指进入空调室内、携带室内热湿与污染负荷后离开室内的介质。
1)全空气系统
全空气系统中室内负荷全部由送入室内的经过处理的空气负担,如图a所示,属于集中式系统。

夏季送入温湿度较低的空气,吸收了室内的余热和余湿后排出房间,冬季则相反。由于空气的比热较小,需要较大的空气流量才能满足消除负荷的要求,所以通常要求用断面积较大的风管,占用较多的建筑空间。
由于送入的空气可以经过集中净化处理,送风中的有害物含量较低,所以还可以有效消除室内的污染负荷,实现较高的室内洁净度,这是其它形式的系统难以实现的。
根据送风量是否可变,全空气系统又分为定风量系统和变风量系统。定风量系统控制比较简单,通过调节送风的温度或间断性送风来适应空调负荷的变化。变风量系统可以采用调节送风量(或结合调节送风温度)的方法适应负荷变化,后者的调节效果优于前者,但系统及控制要复杂得多。变风量系统从理论上讲要比定风量系统节能,但若设计、安装与调试存在问题,也可能达不到预期的节能效果。
2)全水系统
全水系统中室内负荷全部由送入室内的经过处理的水负担,如图b所示,属于分散式系统。夏季送入温度较低的水,在室内空气处理设备中吸收了室内空气的余热和余湿后排出房间。由于水的比热远大于空气,所以处理同样的室内负荷所需的水量远小于空气量,水管的尺寸远小于风管,可以少占空间与层高。但全水系统无法解决室内的污染负荷,也不能对室内空气加湿,所以除了住宅等一些可以通过其它手段通风换气和湿度控制要求不高的场合,一般不单独采用。由于水管进入空调区域,还可能产生水渗漏等问题。
3)空气-水系统
空气-水系统中室内负荷由送入室内的经过处理的空气和水共同负担,如图c所示。属于半集中式系统。这种系统形式上兼有上述两种系统的优点,既可减少对空间的占用,调节方便灵活,又能满足室内的卫生要求,所以应用十分广泛。典型的有风机盘管+新风系统,还有诱导器系统及辐射供热供冷+新风系统。
4)制冷剂系统
制冷剂系统中室内负荷全部由送入室内的制冷剂负担,如图d所示,属于分散式系统。设于室内的空气处理装置在夏季实质上是制冷系统的蒸发器,对于热泵式机组冬季转换为冷凝器。窗式空调器、分体式空调器(一拖一、一拖多)、柜式空调器以及多联机均属此类系统。如果另外配置了集中的新风处理系统,则成为空气-制冷剂系统,应归入半集中式系统。
(3)按送风空气的来源分类
1)封闭式系统
封闭式系统中所有送风都来自于室内回风,如图a所示:

空气处理设备不处理室外新风。由于是对室内空气循环使用,所以系统耗冷、热量少,比较节省,但室内污染无法排除,空气质量难以保证。如果要长期使用,必须考虑空气的净化与再生问题。在大多数住宅和少数办公、商业等建筑中应用的前提是具备开门窗通风换气的条件。这种系统主要应用于特殊场合,如潜艇、人防工程的战时隔绝式通风等。
2)直流式系统
直流式系统中所有送风都来自于室外新风,如图b所示。空气处理设备不处理室内回风。由于采用全新风,室内空气质量可以得到较好的保证,避免了采用回风可能造成的交叉污染。但系统耗冷、热量大、能耗高,所以通常只用于室内散发有害物量大、危险性大、不允许采用回风的场合。为了节能,条件允许时可以考虑对排风采用合适的热回收技术。
3)混合式系统
混合式系统中送风部分来自于室内回风,部分采用室外新风,如图c所示。空气处理设备处理来自新风与回风的混合空气。这种系统形式具备了上述两种系统的优点,兼顾节能与健康,是目前应用较广泛的形式。
(4)按服务对象分类
1)工艺性空调
工艺性空调为工农业生产、科研、军事、航天等领域的生产科研过程提供满足特定要求的空气环境。根据具体工艺要求,所控制的环境参数及精度、系统形式与技术含量有很大差别。如果上述环境中有操作人员,还必必须考虑人员的健康与舒适要求。
2)舒适性空调
舒适性空调为人员工作和生活提供健康舒适的空气环境,有时也称为民用空调。通常应用于公共建筑、办公楼、学校与住宅等。与工艺性空调相比,其系统形式及控制要求相对简单。
有些工程对象中同时包含上述两类系统,例如工业企业中也有办公楼、食堂、宿舍等。具体工程应采用什么类型的空调系统要根据具体情况而定,除了满足必要的环境条件外,还要考虑周边环境、建筑、结构、能源供应、造价、运行费用、运行管理、使用寿命、环境友好性等许多因素。同类工程的技术方案可能有相似性。同一工程中可以包含不同类型的空调系统。

 

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