2.3　楼宇空气调节系统

2.3.1　空气的物理性质

（1）空气成分和状态参数

自然界中，空气和水蒸气组成混合气体，即湿空气。干空气按质量比由氮气（N₂）75.55％、氧气（O₂）23.1％、二氧化碳（CO₂）0.05％和稀有气体1.3％组成。另外，空气中还含有不同程度的灰尘、微生物及其他气体等杂质。空气中水蒸气的大幅度变化，将造成不同的空气环境状态。在大气层中，距地面高度10km以内的范围内，都含有一定量的水蒸气。因此，湿空气是真实空气环境，而空调主要是解决空气的温度和湿度问题，以湿空气为工作对象。

（2）空气的状态参数

空气的状态可用一些物理量来表示，例如压力、温度、湿度等，这些物理量称为空气的状态参数，空气调节工程中常用的空气状态参数定义如下。

①压强

a.大气压p。地球表面的空气层作用在单位面积上的压力称为大气压。大气压一般用帕斯卡（Pa）表示，以纬度45°海平面上的平均气压作为一个标准大气压，或称物理大气压，相当于101.325kPa（760mmHg）。

b.水气分压p_c。它能够反映水气的多少，是空气湿度的指标。

②温度t或T　表示空气冷热程度的指标，反映空气分子热运动的剧烈程度，一般用t表示摄氏温度（℃），用T表示热力学温度（K）。在空气调节中，温度是衡量空气环境对人体和生产是否合适的一个重要参数。空调温度通常用干球温度（DB）和湿球温度（WB）来表示。干湿球温度计由两只棒状温度计组成。一只是直接测量环境空气本身温度的；另一只是在测温球上包上湿布，测得湿球温度。由于在湿空气未达到饱和前，湿布上的水分蒸发，吸收了一部分汽化潜热，所以湿球温度计上的读数总要低些。环境空气的相对湿度越小，湿球上水分蒸发得就越快，湿球温度降低的幅度就越大，比较两个温度值，可计算出相对湿度。

③湿度　空气中的湿度有以下几种表示方法。

a.绝对湿度x。1m³湿空气中含有的水气量（kg）称为空气的绝对湿度，与水气分压力pc有如下关系，即

x=p_c/（R_cT）　　（2-1）

式中　R_c——水气的气体常数，R_c=461J/（kg·K）；

T——空气的热力学温度，K，当温度一定时，水气分压p_c越大，则绝对湿度x越大，水气分压力可反映空气湿度。

b.含湿量d。1kg干空气中含有的水气量（g）。

c.相对湿度Ψ。表示空气湿度接近饱和绝对湿度的程度。在一定温度下，相对湿度越大，空气越潮湿。相对湿度是衡量空气环境潮湿程度的一项重要指标。

④露点温度t₁。相对湿度达到100％，水气凝结成露时的温度。

（3）空气状态参数间的关系

图2-14所示为t、d、Ψ和p_c之间的关系，图2-15所示为t、Ψ和p_c之间的关系。

从图2-15中看出以下关系：当空气的水气分压p_c不变时，空气温度t越低，相对湿度Ψ就越大；当空气的相对湿度Ψ不变时，空气温度t越低，水气分压p_c就越小；当空气温度t不变，则水气分压p_c越大，相对湿度Ψ越大；p_c越小，则Ψ越小。

2.3.2　空气调节原理

空气调节的任务是对房间或公共建筑物内的空气状态参数进行调节，以创造一个温度适宜、湿度恰当的舒适环境。一般来说，空气调节主要是指对空气的温度、湿度控制。

①温度调节　按照人类的生理特征和生活习惯，常要求居住和工作环境与外界的温差不宜过大（5℃左右），室温夏季保持在25～27℃，冬季保持在16～20℃为宜。

②湿度调节　保持相对湿度，冬季在40％～50％之间，夏季在50％～60％之间。

（1）调温调湿设备

①空气的加热设备　空气的加热是通过加热器来实现的，空调系统中所用的加热器一般是以热水或蒸汽为热媒的空气加热器和电加热器，以热水或蒸汽为热媒的空气加热器一般均采用肋片管式换热器，由几排（每排有数根）肋片管和联箱组成。当热水或蒸汽在管内流动，空气在肋片管间流动时，空气被高温的肋片表面及基管加热。空气加热器的工作特点是：空气和管内水的流速越大，加热量越大；热水（或蒸汽）与空气间的温差越大，加热量越大；空气与加热器接触面积越大，加热量也越大。肋片管式空气加热器一般作为空调系统的加热器，在冬季将空气加热到指定温度，以便于系统进入加湿处理，夏季一般不使用。电加热器是通过电阻丝将电能转化为热能来加热空气的设备，它具有加热均匀、加热量稳定、效率高、结构紧凑和易于控制等优点，常用于各类小型空调机组内。在恒温恒湿精度较高的大型集中式系统中，常采用电加热器作为末端加热设备来控制局部加热。电加热器有裸线式和管式两种，裸线式加热器加热迅速、热惯性小、结构简单，但易断线和漏电，安全性差；管式电加热器加热均匀、热量稳定、经久耐用、安全性好、可直接装在风道内，但其热惯性较大、结构复杂。电加热器的缺点是耗电量大，加热量大的场合不宜采用。

②空气减湿冷却设备　空气的减湿与冷却可以通过表冷器来实现。与空气加热器结构类似，表冷器也是肋片管式换热器，它的肋片一般多采用套片和绕片，基管的管径较小，表冷器内流动的冷媒有制冷剂和冷水两种。以制冷剂为冷媒的表冷器称为直接蒸发式表冷器，多用于各类局部机组中。以冷水作为冷媒的表冷器称为水冷表冷器，多用于集中式空调系统和半集中式空调系统的末端设备中。当空气沿表冷器的肋片间流过时，通过肋片和基管表面与冷媒进行热量交换，空气放出热量温度降低，冷媒得到热量温度升高。当表冷器的表面温度低于空气的露点温度时，空气中的一部分水蒸气将凝结出来，此时称表冷器处于湿工况，从而达到对空气进行降温减湿处理的目的。增大空气和冷水的流速，增加换热面积和空气与冷水间的温差，都可以提高传热量，设计时一般取表冷器迎面风速2.5m/s左右，管内水流速为0.6～1.5m/s。表冷器的调节方法有两种，一是水量调节，二是水温调节。水量调节是改变进入表冷器的冷水流量，水温不变，使表冷器的传热效果发生变化，水量减少，表冷器传热量降低，空气温降小，除湿量也少。水温调节是在水量不变条件下，通过改变表冷器进水温度改变其传热效果，进水温度越低，空气温降越大，除湿量也增加。水温调节多用于温度控制精度较高的场合。

③空气的加湿设备　建筑空调系统一般采用向空气中喷蒸汽的办法进行加湿，常用的喷蒸汽加湿方法有干蒸汽加湿和电加湿两种。干蒸汽加湿是将具有一定压力的蒸汽由蒸汽加湿器均匀地喷入空气中。而电加湿则是用于加湿量较小的机组或系统中。电加湿器分为电热式加湿器和电极式加湿器两种。电热式加湿器是将电热元件直接放在盛水的容器内，利用加热元件所散出的热量加热水而产生蒸汽。电热式加湿器体积较大。完整的电热式加湿器，除蒸汽发生器外，尚需配备自动补水设施、用于恒定蒸汽压力的电源控制设施、湿度敏感元件、湿度调节器和带电动调节阀的喷管组件。电极式加湿器是用3根不锈钢棒（也可以是铜镀铬）作为电极，放在不易锈蚀的水容器中，以水作电阻，通电后水被加热而产生蒸汽，通过调整水位的高低，可以改变水的电阻，从而改变热量和蒸汽发生量。电极式加湿器结构紧凑，多用于各类空调机组内，其加湿量较小。

（2）空气状态调节

空气调节是对房间或公共建筑物内的空气状态参数，主要是温度和相对湿度进行调节，使空气从一个状态变化到另一个状态。当被调节的空气状态（温度和相对湿度）偏离了设定值时，通过合理的加热、加湿、冷却和去湿步骤，使空气的状态发生人为的改变达到设定状态，如图2-16所示为空气从状态A调节到状态E的状态变化过程，图2-17说明了整个空气调节处理流程。

①冬季新空气加热加湿处理　冬季新空气的气温低，如果将新空气加热至室内气温的标准，这时新空气中的水气总量未发生变化，即p_c水气分压未变，因此加热后的空气相对湿度会大大降低。为了使加热后空气的相对湿度也能达到室内空气湿度的标准，在调节的过程中必须要进行加湿处理。图2-18所示为冬季新空气加热加湿处理的一种调节方法，其中的加湿是采用定温饱和加湿方式，这种调节方式可以不用测量p_c或相对湿度。新风首先加热至12℃，然后加湿（喷水）至饱和，再加热至20℃，这时的相对湿度即为60％。

②夏季新空气减温去湿处理　夏季新空气的调节与冬季相反，新空气的气温高于室内空气，需要对夏季新空气进行减温去湿处理。如果对新空气只进行降温至室内气温的标准，这时新空气中的水气总量未发生变化，即p_c水气分压未变，因此降温后的空气相对湿度会大大增加。为了使降温后的空气的相对湿度也能达到室内空气湿度的标准，在调节的过程中必须要进行去湿处理。图2-19所示为夏季新空气减温去湿处理的一种调节方法，其中的去湿是采用定露点去湿方式。这种调节方式可以不用测量p_c或相对湿度。新风首先降温至12℃的露点，然后使表冷器的表面温度稳定在露点温度，让空气中的一部分水蒸气充分凝结出来，至空气饱和，再加热至20℃，这时的相对湿度即为60％。

2.3.3　楼宇空调系统

影响室内空气环境参数变化主要有两个原因：外部原因，如太阳辐射和外界气候条件的变化；内部原因，如室内人和设备产生的热、湿和其他有害物质。当室内空气参数偏离了规定值时，就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定的要求值。

一般空调系统包括以下部分。

①进风部分　空调系统必须有一部分空气取自室外，进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。

②空气过滤部分　由进风部分取入的新风，必须先经过一次预过滤，除去颗粒较大的尘埃。一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置，根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。

③空气的热湿处理部分　将空气加热、冷却、加湿、减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。热湿处理设备主要有直接接触式和表面式两大类型。直接接触式与空气进行热湿交换的介质直接与被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中；表面式与空气进行热湿交换的介质不与空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的，如表面式换热器。

④空气的输送和分配部分　将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。根据用途和要求不同，有的系统只采用一台送风机，称为单风机系统；有的系统采用一台送风机，一台回风机，则称双风机系统。管道截面通常为矩形和圆形两种，一般低速风道多采用矩形，而高速风道多用圆形。

⑤冷热源部分　为了保证空调系统具有加温和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。冷源有自然冷源和人工冷源两种。自然冷源指深井水，人工冷源有空气膨胀制冷和液体气化制冷两种。

热源也有自然和人工两种。自然热源指地热和太阳能，人工热源是指用煤、石油、煤气作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水，目前应用得最为广泛。

（1）局部式、集中式空调

按照空气处理设备的设置情况，空调系统可分为集中系统、半集中系统和全分散系统。集中系统的所有空气处理设备（包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等）都设在一个集中的空调机房内，如图2-20所示。其特点是，经集中设备处理后的空气，用风道分送到各空调房间，因而，系统便于集中管理、维护。此外，某些空气经处理后其品质，如温度、湿度、精度、洁净度等也达到了较高的水平。在半集中空调系统中，除了集中空调机房外，还设有分散在被调节房间的二次设备（又称末端装置）。全分散系统也称局部空调机组。这种机组通常把冷、热源和空气处理、输送设备（风机）集中设置在一个箱体内，形成一个紧凑的空调系统。通常的窗式空调器及柜式、壁挂式分体空调器均属于此类机组。它不需要集中的机房，安装方便，使用灵活，可以直接将此机组放在要求空调的房间内进行空调，也可以放在相邻的房间用很短的风道与该房间相连。一般说来，这类系统可以满足不同房间的不同送风要求，使用灵活，移动方便，但装置的总功率必然较大。

（2）中央空调

在智能楼宇中，一般采用集中式空调系统，通常称之为中央空调系统，对空气的冷热处理集中在专用的机房里，按照所处理空气的来源，集中式空调系统可分为封闭式系统、直流式系统和混合式系统，封闭式系统的新风量为零，全部使用回风，其冷、热消耗量最省，但空气品质差。直流式系统的回风量为零，全部采用新风，其冷、热消耗量大，但空气品质好。由于封闭式系统和直流式系统的上述特点，两者都只在特定情况下使用。对于绝大多数场合，采用适当比例的新风和回风相混合，这种混合系统既能满足空气品质要求，经济上又比较合理，因此是应用最广的一类集中式空调系统（见图2-21）。

中央空调的空气热湿处理系统如图2-22所示，系统主要由风门驱动器、风管式温度传感器、湿度传感器、压差报警开关、二通电动调节阀、压力传感器以及现场控制器等组成。

空调空气热湿处理系统的监控功能如下。

①将回风管内的温度与系统设定的值进行比较，用PID（比例加积分、微分）方式调节冷水/热水电动阀开度，调节冷冻水或热水的流量，使回风温度保持在设定的范围之内。

②对回风管、新风管的温度与湿度进行检测，计算新风与回风的焓值，按回风和新风的焓值比例控制回风门和新风门的开启比例，从而达到节能的目的。

③检测送风管内的湿度值并与系统设定的值进行比较，用PI（比例加积分）调节，控制湿度电动调节阀，从而使送风湿度保持在所需要的范围之内。

④测量送风管内接近尾端的送风压力，调节送风机的送风量，以确保送风管内有足够的风压。

⑤风机启动/停止的控制、风机运行状态的检测及故障报警、过滤网堵塞报警等。

当环境温度过高时，室外热量从墙体和窗口传入，加上电灯、冰箱、电视机及人体散发的热量，使室温过高，空调系统通过循环方式把房间里的热量带走，以维持室内温度稳定于一定值。当循环空气（新风加回风）通过热湿处理系统时，高温空气经过冷却盘管先进行热交换，盘管吸收了空气中的热量，使空气温度降低，然后再将冷却后的循环空气吹入室内。冷却盘管的冷冻水由冷水机组提供，它是由压缩机、冷凝器与蒸发器组成的，压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量，如此循环往复，把房间的热量带出。反之，如果要升高室内温度，需以热水进入风机盘管，空气加热后送入室内。空气经过冷却后，有水分析出，相对湿度减少，变得干燥。如果想增加湿度，可进行喷水或喷蒸汽，对空气进行加湿处理，以补充室内水气量的不足。

（3）通风

通风的任务是冲淡和排出室内空气，借以改善空气的条件。用通风方法改善内部环境，即把不符合卫生标准的污染空气经净化或直接排至室外，把新鲜空气经净化符合卫生要求后送入室内。前者为排风，后者为送风，为此而设置的设备及管道称为通风系统。通风方式有局部通风和全面通风。按照空气流动动力不同，可分为机械通风和自然通风。

①局部通风　该系统分为局部送风和局部排风，它们都是利用局部气流，使局部工作地点不受有害物的污染，造成良好的空气环境。

②全面通风　也称稀释通风，是利用清洁空气稀释室内空气中的有害物浓度，同时不断把污染空气排至室外，使室内空气中有害物浓度不超过卫生标准规定的最高允许浓度。

③通风系统的设计原则

a.散发热、湿或有害物的房间，及一般的地下室均考虑进行通风换气。

b.在供暖地区设计通风换气时，应进行空气平衡及热平衡计算，并采取相应的补风及加热措施，以保证通风运行的效果。

c.在民用建筑的下列房间，应设置自然通风和机械通风进行全面换气，如办公室、居室、厨房、厕所、盥洗室、浴室等。

d.送风系统室外进风的采气口位置，应设置在室外空气较为清洁的地点，远离排风口的上风侧，而且低于排风口。

④通风控制　通风风机的控制方案如图2-23所示，该控制方案的主要功能如下。

a.风机控制　分站根据其内部的软件及时钟，按时间程序或事件来启动或停止风机（闭合或断开控制回路）。

b.过滤器报警　风机启动后，过滤网前后将建立起一个风压。如果过滤器干净，风压将小于一个指定值，接触器的干接点会断开。反之如果过滤器太脏，过滤网前后的风压变大，接触器的干接点将闭合。分站根据接触器的干接点的情况会发出过滤网报警信息。

c.风机故障报警　风机启动后，如果运行正常，则在风机前后将建立起一个风压，接触器的干接点将闭合。反之，如果风机运行不正常，这时风机前后的风压将小于一个指定值或者为零，接触器的干接点会断开。分站根据接触器的干接点的情况会发出风机故障报警信息。

（4）风机的节能运行

空调装置节能是一种必然的趋势。从节约能量的观点出发，将由定风量系统发展到变风量系统。定风量式的全空气空调系统中，一般按房间最大热湿负荷确定送风量，风量确定后便全年固定不变。实际上，在大多数情况下，空调房间的负荷低于最大负荷，当实际负荷低于最大负荷时，为了维持室温设计水平，必须减小送风温差，其方法是通过再热或混合，以热量抵消部分冷量，无论在热量上还是在冷量上都造成一定浪费。变风量系统采取的方法是，保持送风湿度不变，当实际负荷减小时，通过改变送风量维持室温，不但避免了无用的热耗，同时风机耗能也小，从而节约了能源和运行费用。

实现风机的变风量运行有以下几个方案。

①改变风机风量　可通过改变风机转速的方法来改变风机风量，一般采用变频调速技术。

②在离心风机入口设置可调导向叶片　通过调节叶片的开启度来调节风量，通过风机出口方向管道的压力信号控制导向叶片的开启度。

③采用叶片角可变的轴流风机　叶片角的改变可改变风机风量。

④通过多台风机的并联运行控制来调节风量　这是一种有级差的调节方法。

在选择风机时，风量、风压裕量不应过大，并且应进行运行工况的分析，确定经济合理的台数，使调节简单，全年运行费用低廉，以达到节约能源的目的。