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第八章 空調(diào)與制冷 8.1 空調(diào) 空調(diào)是一個(gè)可以同時(shí)進(jìn)行多種處理的組合過程。它可以處理空氣、輸送空氣并把空氣送入被調(diào)空間中。空調(diào)可以從中央設(shè)備或屋頂單元提供熱與冷。為了被調(diào)空間居住者的健康和舒適度，或者為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，它還可以控制并保持預(yù)先設(shè)定的溫度、濕度、空氣流動(dòng)、空氣潔凈度、噪音級(jí)別和壓差。 HVAC&R是供熱(Heating)、通風(fēng)(Ventilating)、空調(diào)(Air Conditioning)和制冷(Refrigerating)的縮寫。在通常采納的術(shù)語中，這些組合過程與現(xiàn)在定義的“空調(diào)”是相同的。由于所有這些單個(gè)過程的發(fā)展要要比其完整概念的“空調(diào)”要早，所以業(yè)內(nèi)也普遍使用HVAC&R這個(gè)詞。 8.1.1 空調(diào)系統(tǒng)的分類 根據(jù)其結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性，空調(diào)系統(tǒng)可分類如下： （1）獨(dú)立型房間空調(diào)系統(tǒng) 獨(dú)立型房間空調(diào)系統(tǒng)或簡單的獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)采用一個(gè)單獨(dú)、完全的房間空調(diào)器、一個(gè)整體式末端、一個(gè)獨(dú)立的室內(nèi)-室外分體機(jī)或一個(gè)熱泵裝置。熱泵可以從一個(gè)熱源吸收熱量，在較高的溫度上，將這些熱量排放給水或空氣，用于供熱目的。與其他系統(tǒng)不同的是，這些系統(tǒng)通常在每個(gè)房間都采用一個(gè)完全獨(dú)立的裝置。獨(dú)立型空調(diào)系統(tǒng)可分為兩類： 1）房間空調(diào)器（安裝在窗戶上）； 2）整體式末端空調(diào)器（PTAC），安裝時(shí)與外墻有套管連接。 在工廠已組裝的、準(zhǔn)備使用的房間空調(diào)器包括以下重要部件：一個(gè)將處理好的空氣增壓并供給被調(diào)空間的蒸發(fā)器風(fēng)扇。在肋管式盤管中，制冷劑蒸發(fā)，在管內(nèi)直接膨脹，并在制冷季節(jié)從周圍空氣中吸收熱量，這也稱為直膨式（DX）盤管，在采暖季節(jié)時(shí)，當(dāng)熱的制冷劑向被調(diào)節(jié)空間釋放熱量時(shí)，它的作用就相當(dāng)于熱泵。一個(gè)用于清除空氣中微粒的空氣過濾器。一個(gè)用來把制冷劑從較低蒸發(fā)壓力壓縮到較高冷凝壓力的壓縮機(jī)。一個(gè)使制冷劑從高溫氣態(tài)液化為液態(tài)的冷凝器，并通過盤管和冷凝器風(fēng)扇來釋放熱量。一個(gè)能感知被調(diào)空間的空氣溫度，并采用溫度調(diào)節(jié)裝置，通過壓縮機(jī)的起停，以控制制冷或供熱能力的溫度控制系統(tǒng)。 房間空調(diào)器與熱泵型、整體式末端和整體式末端熱泵型空調(diào)器的區(qū)別是：所有熱泵型房間空調(diào)器都增加了四通換向閥。有時(shí)房間空調(diào)器被分為兩個(gè)分離部分：一個(gè)是包含著壓縮機(jī)和冷凝器的室外冷凝機(jī)組；一個(gè)是室內(nèi)空氣處理器，它可以在更恰當(dāng)?shù)奈恢冒惭b空氣處理器，并減小室內(nèi)壓縮機(jī)的噪音。 可以采用單獨(dú)房間的直膨式（DX）盤管來體現(xiàn)獨(dú)立型空調(diào)系統(tǒng)的特性。這是一種最簡單和最直接的空氣冷卻方法。大多數(shù)獨(dú)立型系統(tǒng)都沒有風(fēng)道連接。室外空氣通過窗孔或一個(gè)小的擋風(fēng)板引入室內(nèi)。獨(dú)立型系統(tǒng)經(jīng)常僅用在建筑物的圍護(hù)區(qū)域。 （2）蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng) 蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)利用液態(tài)水蒸發(fā)的冷卻效應(yīng)來直接或間接地冷卻空氣氣流。它可以是工廠整體組合機(jī)組，也可以在現(xiàn)場安裝。當(dāng)蒸發(fā)冷卻器只提供冷卻效應(yīng)的其中一部分冷量時(shí)，它也可以作為中央液體循環(huán)系統(tǒng)或整體式機(jī)組系統(tǒng)的一個(gè)部件。 一個(gè)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由以下組成：進(jìn)水室、過濾器、進(jìn)氣風(fēng)機(jī)、直接接觸或間接接觸熱交換器、排氣風(fēng)機(jī)、噴水室、再循環(huán)水泵和水池。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與制冷劑冷卻系統(tǒng)相比具有耗能低的特點(diǎn)。它可以產(chǎn)生濕冷空氣，并被廣泛應(yīng)用在美國西南干旱地區(qū)。 （3）除濕空調(diào)系統(tǒng) 在除濕空調(diào)系統(tǒng)中，潛熱制冷是由干燥劑除濕完成，顯熱制冷通過蒸發(fā)冷卻或蒸發(fā)制冷進(jìn)行。因此，有相當(dāng)部分的昂貴的蒸氣壓縮式制冷裝置可用廉價(jià)的蒸發(fā)冷卻裝置代替。除濕空調(diào)通常是除濕、蒸發(fā)冷卻、制冷和干燥劑再生的組合系統(tǒng)。 在除濕空調(diào)系統(tǒng)中有兩股氣流：一股是工作氣流，一股是再生氣流。工作氣流可以是全新風(fēng)氣流，也可以是室外新風(fēng)和室內(nèi)循環(huán)空氣的混合氣流。工作氣流是經(jīng)過處理的空氣，它可以直接輸送給被調(diào)空間或封閉的生產(chǎn)過程，也可以送往空氣處理單元（AHU）、整體式機(jī)組（PU）或末端進(jìn)行進(jìn)一步的處理。再生氣流是一種高溫氣流，用于干燥劑的再生。 除濕空調(diào)系統(tǒng)通常由以下部件組成：旋轉(zhuǎn)除濕裝置、熱管換熱器、直接或間接蒸發(fā)制冷器、DX盤管和蒸氣壓縮式機(jī)組或水冷盤管和機(jī)組、風(fēng)機(jī)、泵、換向器、控制裝置、風(fēng)道和管道。 （4）蓄冷空調(diào)系統(tǒng) 在蓄冷空調(diào)系統(tǒng)或簡易的蓄冷系統(tǒng)中，電驅(qū)動(dòng)的制冷壓縮機(jī)是在非尖峰時(shí)段工作的。儲(chǔ)箱內(nèi)的冷凍水或儲(chǔ)冰在尖峰時(shí)段用來給建筑提供冷卻，在這段時(shí)間電力需求負(fù)荷和電能費(fèi)用高。蓄冷系統(tǒng)可以降低HVAC&R系統(tǒng)高的用電需求，并部分或全部地將高電能費(fèi)用從尖峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到非尖峰時(shí)段。 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)通常是一個(gè)集中式空調(diào)系統(tǒng)，采用冷凍水作為冷卻介質(zhì)。除了空氣、水和制冷控制系統(tǒng)外，該系統(tǒng)還有冷凍水箱或蓄冰槽、蓄冷循環(huán)泵及調(diào)節(jié)裝置。 （5）潔凈室空調(diào)系統(tǒng) 潔凈室或潔凈空間空調(diào)系統(tǒng)適合于那些需要嚴(yán)格控制顆粒、溫度、相對(duì)濕度、通風(fēng)、噪音度、振動(dòng)和空間壓力的空間。在潔凈空間空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)環(huán)境控制的質(zhì)量直接影響著潔凈空間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品。 潔凈空間空調(diào)系統(tǒng)由空氣再循環(huán)機(jī)組和補(bǔ)氣機(jī)組組成，他們都包括調(diào)節(jié)風(fēng)門、預(yù)過濾盤管、風(fēng)機(jī)、高效顆?？諝猓℉EPA）過濾器、風(fēng)道、管道工程、泵、制冷系統(tǒng)和除補(bǔ)氣機(jī)組中的加濕器以外的相關(guān)控制。 （6）空間處理空調(diào)系統(tǒng) 空間處理空調(diào)系統(tǒng)也稱作空間空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)盤管、水源熱泵或一些其他設(shè)備，它們?cè)谔幚砜臻g內(nèi)或上面或靠近處理空間，實(shí)現(xiàn)冷卻、除濕、加熱和過濾。風(fēng)機(jī)盤管由一個(gè)小風(fēng)機(jī)和一個(gè)盤管構(gòu)成。水源熱泵通常由一個(gè)風(fēng)機(jī)和一個(gè)翅片盤管來處理空氣，一個(gè)水盤管在冷卻時(shí)將熱量排放到水回路，或在供熱時(shí)從同一水回路吸收熱量。 一個(gè)被調(diào)房間可運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)風(fēng)機(jī)盤管。通常，在建筑周邊區(qū)域（外區(qū)）的各個(gè)控制區(qū)域采用小型的托架式水源熱泵。在建筑中心（內(nèi)區(qū)），大型水源熱泵利用風(fēng)道為幾個(gè)房間服務(wù)。 空間空調(diào)系統(tǒng)在被調(diào)空間中，進(jìn)氣風(fēng)道通常很短，并且除了內(nèi)區(qū)的大型水源熱泵外，沒有回氣風(fēng)道。用來循環(huán)被調(diào)空間空氣的壓降，通常等于或小于0.6英尺水柱（WC）（150Pa）。和單元式整體機(jī)組或中央水冷空調(diào)系統(tǒng)相比，空間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約了大部分用于輸運(yùn)回氣和再循環(huán)空氣的能量?？臻g空調(diào)系統(tǒng)通常用作專用（獨(dú)立）的室外通風(fēng)系統(tǒng)，為被調(diào)空間的居住者提供室外空氣。 空間空調(diào)系統(tǒng)通常具有比較高的噪音級(jí)別，并且在被調(diào)空間中，需要更多的定期維修。 （7）單元式整體空調(diào)系統(tǒng) 單元式整體空調(diào)系統(tǒng)可以簡稱為單元式空調(diào)系統(tǒng)或整體式空調(diào)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以采用一個(gè)獨(dú)立整體機(jī)組或兩個(gè)分體裝置。獨(dú)立整體機(jī)組包括風(fēng)機(jī)、過濾器、DX盤管、壓縮機(jī)、冷凝器和其他配件。分體系統(tǒng)的室內(nèi)空氣處理單元由控制系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)組成，主要包括風(fēng)機(jī)、過濾器和DX盤管，室外冷凝單元是制冷系統(tǒng)，由壓縮機(jī)和冷凝器組成。屋頂安裝的整體式系統(tǒng)是最廣泛應(yīng)用的。 8.1.2 完整的系統(tǒng) 在全空氣供熱和制冷系統(tǒng)中，能量和通風(fēng)氣流是通過風(fēng)道在鍋爐或空氣處理器與被調(diào)空間之間傳輸。全空氣系統(tǒng)可適用于所有類型的舒適性和工藝性空調(diào)。它應(yīng)用于環(huán)境需要單獨(dú)控制的建筑，以及有多種需求的區(qū)域，比如寫字樓、學(xué)校和大學(xué)、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、商場、酒店和輪船。全空氣系統(tǒng)也可用于任何要求精確控制溫度和濕度的特殊場合，包括潔凈室、計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院手術(shù)室和工廠。 通過一個(gè)獨(dú)立的周邊空氣系統(tǒng)，或使用一個(gè)獨(dú)立的周邊踢腳板、再熱輻射系統(tǒng)或熱水、蒸汽和電阻加熱的輻射系統(tǒng)，可以采用系統(tǒng)原先用來供冷的風(fēng)道完成供熱。很多商業(yè)建筑內(nèi)部不需要加熱，而是只有一個(gè)周邊供熱系統(tǒng)來補(bǔ)償建筑圍護(hù)的熱損失。在那些僅在周邊區(qū)域有供熱需求，并由踢腳板散熱器系統(tǒng)提供供熱的時(shí)候，空氣系統(tǒng)只提供室外空氣必要的通風(fēng)和加熱。 8.2 制冷 制冷定義為一個(gè)從恒定的低溫?zé)嵩椿蚶涿轿諢崃?，并將熱量轉(zhuǎn)移到高溫?zé)釁R的過程。制冷通過將吸收的熱量和任何輸入的能量傳遞給熱匯、大氣或地表水使熱源的溫度維持在環(huán)境溫度之下。 制冷系統(tǒng)是由部件和設(shè)備按順序依次組合，以產(chǎn)生制冷效果。根據(jù)輸入能量和制冷方法的不同，用于空氣調(diào)節(jié)的制冷系統(tǒng)可分為： （1）蒸氣壓縮式系統(tǒng) 在蒸氣壓縮式系統(tǒng)里，在制冷劑產(chǎn)生制冷效果之后，壓縮機(jī)將其壓縮到高溫和高壓狀態(tài)；被壓縮的制冷劑將熱量傳到高溫?zé)釁R，并冷凝成液態(tài)；這種液態(tài)制冷劑然后節(jié)流，變成低溫和低壓的蒸氣，在蒸發(fā)過程中產(chǎn)生制冷效應(yīng)。蒸氣壓縮式是舒適性和工藝性空調(diào)中，最為廣泛采用的制冷形式。 （2）吸收式系統(tǒng) 在吸收式系統(tǒng)里，制冷效應(yīng)是輸入的熱能產(chǎn)生的。在蒸發(fā)過程中吸收冷媒的熱量后，氣態(tài)制冷劑被吸收劑吸收。這種溶液然后被直燃爐、廢熱、熱水或蒸汽加熱。然后制冷劑再蒸發(fā)，接著冷凝，再次開始制冷循環(huán)。 （3）空氣或氣體膨脹系統(tǒng) 在空氣或氣體膨脹系統(tǒng)里，空氣或氣體是通過機(jī)械能壓縮到高壓狀態(tài)。然后冷卻并膨脹到低壓。由于在膨脹過程中，空氣或氣體的溫度降低，因此產(chǎn)生了制冷效應(yīng)。 8.2.1 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán) 逆卡諾循環(huán)是完全可逆的，也是工作在兩個(gè)恒定溫度之間或兩種具有無限熱容不同溫度流體之間制冷系統(tǒng)的完美循環(huán)。 卡諾制冷循環(huán)有兩個(gè)假設(shè)，這使它不能實(shí)現(xiàn)。兩種外部流體的傳熱能力假設(shè)為無限大，這樣外部流體的溫度就固定維持在T0和TR（它們變?yōu)闊o限大的熱庫）。在兩個(gè)換熱過程，卡諾循環(huán)還假設(shè)在工質(zhì)和外部流體之間沒有熱阻。這樣，制冷劑的溫度必須在冷凝器和蒸發(fā)器中分別維持在TR和T0不變。 圖8-2給出了單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的示意圖，它是實(shí)際循環(huán)的最簡化近似。圖中還用T－s圖和p－h(huán)圖給出了理論循環(huán)的熱力過程。盡管實(shí)用并且簡單，但是有兩個(gè)特點(diǎn)使這個(gè)循環(huán)不能達(dá)到與逆卡諾循環(huán)一樣高的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）。首先是現(xiàn)在制冷劑通過膨脹閥（過程3－4）是一個(gè)不可逆的節(jié)流過程，喪失了產(chǎn)生有用功的機(jī)會(huì)；第二個(gè)非理想化特征是排熱（過程2－3）并未在恒定溫度下進(jìn)行。后面我們會(huì)看到盡管這是一個(gè)非理想循環(huán)，然而也是不可能實(shí)現(xiàn)。但是它簡單，能說明很多有用的趨勢，并且也能修改為實(shí)際系統(tǒng)的近似。基于這些原因，圖8-2是理解蒸氣壓縮式制冷循環(huán)特征的良好模型。 8.2.2 多級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán) 在需要幾個(gè)蒸發(fā)器提供不同蒸發(fā)溫度時(shí)候，如超市，或蒸發(fā)溫度變得很低的時(shí)候，通常采用多級(jí)或多壓蒸氣壓縮式制冷循環(huán)。低的蒸發(fā)溫度表明進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑具有低的蒸發(fā)壓力和低密度。兩個(gè)串聯(lián)的小型壓縮機(jī)具有較小的排量，并且通常比一個(gè)大型的、能適用于整個(gè)蒸發(fā)壓力到冷凝壓力范圍變化的壓縮機(jī)運(yùn)行效率更高。特別是對(duì)于氨制冷系統(tǒng)，因?yàn)樵趬嚎s過程中產(chǎn)生的大量的過熱。 8.2.3 制冷劑 制冷劑是制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中的工作介質(zhì)，它們從一個(gè)區(qū)域吸收熱量，例如一個(gè)被調(diào)空調(diào)空間，然后把熱量排入另外一個(gè)區(qū)域，例如室外，通常分別通過蒸發(fā)和冷凝過程進(jìn)行。這些相變同時(shí)發(fā)生在吸收式和機(jī)械蒸氣壓縮式系統(tǒng)里，但不發(fā)生在采用空氣等作為工質(zhì)的氣體循環(huán)系統(tǒng)中。 8.2.4 壓縮機(jī) 壓縮機(jī)有兩種基本類型：容積型和速度型。容積型壓縮機(jī)利用輸入壓縮機(jī)裝置的功，通過減小壓縮室的容積來增加制冷劑蒸氣的壓力。這些裝置類型有：往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式（旋轉(zhuǎn)活塞式、旋轉(zhuǎn)葉片式、單螺桿式和雙螺桿式）、渦旋式和擺線式。 大多數(shù)往復(fù)式壓縮機(jī)是單動(dòng)式的，采用曲軸連桿和軸銷直接驅(qū)動(dòng)活塞。采用活塞桿、十字頭、填料盒和噴油的雙動(dòng)式壓縮機(jī)并未廣泛采用。鹵烴壓縮機(jī)是最廣泛采用的壓縮機(jī)，它有以下三種設(shè)計(jì)類型：（1）開啟式；（2）半封閉式或螺栓封閉式；（3）焊接全封閉式。 8.2.5 蒸發(fā)器 蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)的一個(gè)主要部件，在蒸發(fā)器中，由于從周圍空氣、冷凍水或其它物質(zhì)中吸取熱量，制冷劑蒸發(fā)。在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器也是一種間接接觸式換熱器。 8.2.6 冷凝器 制冷系統(tǒng)中的冷凝器通常是一種用于排出系統(tǒng)中熱量的換熱器。這部分熱量由蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮機(jī)輸入的熱量組成。壓縮機(jī)排出高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器，冷凝器把氣態(tài)制冷劑的熱量排放到一些冷卻介質(zhì)。這樣，被冷卻的制冷劑重新冷凝到液態(tài)，并排出冷凝器，以繼續(xù)制冷循環(huán)。 8.2.7 制冷劑控制設(shè)備 控制制冷劑的流量在任何制冷系統(tǒng)中都是必要的?？刂破靼?1)壓力控制器；(2)壓力傳感器；(3)溫度控制器；（4)流體流量傳感器；（5)微分控制器和(6)浮球開關(guān)。 8.2.8 吸收式制冷循環(huán) 吸收式裝置有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：(1)由熱量驅(qū)動(dòng)；（2)無需蒸氣的機(jī)械壓縮。 所有的吸收式循環(huán)至少包括三個(gè)與相應(yīng)環(huán)境之間的熱能交換，即有三個(gè)不同溫度的能量交換。 最高的溫度和最低的溫度在熱量流動(dòng)上是一個(gè)方向，中間的一個(gè)或兩個(gè)溫度的熱量流動(dòng)方向是相反的。早期循環(huán)中，兩個(gè)極端溫度的熱量（最熱和最冷）是流入循環(huán)的。這個(gè)循環(huán)也被稱為熱量放大器、熱泵，常規(guī)循環(huán)，或者第一類循環(huán)。當(dāng)極端溫度的熱量是流出循環(huán)的，這就稱為反轉(zhuǎn)循環(huán)、熱變壓器、溫度放大器、升溫器或第二類循環(huán)。 水-溴化鋰和氨-水具有最好的綜合熱力學(xué)特性，并且沒有已知的有害環(huán)境效應(yīng)(ODP和GWP為0)。 8.3 低溫學(xué) 低溫學(xué)通常是與低的溫度聯(lián)系在一起的專業(yè)術(shù)語。然而，在溫標(biāo)上，并沒有很好地定義制冷結(jié)束和低溫開始的位置。大多數(shù)從事這一領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師將低溫限制在125K之下，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的永久氣體（如氦、氫、氖、氮、氬、氧、空氣）的沸點(diǎn)低于這個(gè)溫度。相反，大多數(shù)常見制冷劑的沸點(diǎn)高于這個(gè)溫度。