2.3　樓宇空氣調節系統

2.3.1　空氣的物理性質

（1）空氣成分和狀態參數

自然界中，空氣和水蒸氣組成混合氣體，即濕空氣。干空氣按質量比由氮氣（N₂）75.55％、氧氣（O₂）23.1％、二氧化碳（CO₂）0.05％和稀有氣體1.3％組成。另外，空氣中還含有不同程度的灰塵、微生物及其他氣體等雜質。空氣中水蒸氣的大幅度變化，將造成不同的空氣環境狀態。在大氣層中，距地面高度10km以內的范圍內，都含有一定量的水蒸氣。因此，濕空氣是真實空氣環境，而空調主要是解決空氣的溫度和濕度問題，以濕空氣為工作對象。

（2）空氣的狀態參數

空氣的狀態可用一些物理量來表示，例如壓力、溫度、濕度等，這些物理量稱為空氣的狀態參數，空氣調節工程中常用的空氣狀態參數定義如下。

①壓強

a.大氣壓p。地球表面的空氣層作用在單位面積上的壓力稱為大氣壓。大氣壓一般用帕斯卡（Pa）表示，以緯度45°海平面上的平均氣壓作為一個標準大氣壓，或稱物理大氣壓，相當于101.325kPa（760mmHg）。

b.水氣分壓p_c。它能夠反映水氣的多少，是空氣濕度的指標。

②溫度t或T　表示空氣冷熱程度的指標，反映空氣分子熱運動的劇烈程度，一般用t表示攝氏溫度（℃），用T表示熱力學溫度（K）。在空氣調節中，溫度是衡量空氣環境對人體和生產是否合適的一個重要參數。空調溫度通常用干球溫度（DB）和濕球溫度（WB）來表示。干濕球溫度計由兩只棒狀溫度計組成。一只是直接測量環境空氣本身溫度的；另一只是在測溫球上包上濕布，測得濕球溫度。由于在濕空氣未達到飽和前，濕布上的水分蒸發，吸收了一部分汽化潛熱，所以濕球溫度計上的讀數總要低些。環境空氣的相對濕度越小，濕球上水分蒸發得就越快，濕球溫度降低的幅度就越大，比較兩個溫度值，可計算出相對濕度。

③濕度　空氣中的濕度有以下幾種表示方法。

a.絕對濕度x。1m³濕空氣中含有的水氣量（kg）稱為空氣的絕對濕度，與水氣分壓力pc有如下關系，即

x=p_c/（R_cT）　　（2-1）

式中　R_c——水氣的氣體常數，R_c=461J/（kg·K）；

T——空氣的熱力學溫度，K，當溫度一定時，水氣分壓p_c越大，則絕對濕度x越大，水氣分壓力可反映空氣濕度。

b.含濕量d。1kg干空氣中含有的水氣量（g）。

c.相對濕度Ψ。表示空氣濕度接近飽和絕對濕度的程度。在一定溫度下，相對濕度越大，空氣越潮濕。相對濕度是衡量空氣環境潮濕程度的一項重要指標。

④露點溫度t₁。相對濕度達到100％，水氣凝結成露時的溫度。

（3）空氣狀態參數間的關系

圖2-14所示為t、d、Ψ和p_c之間的關系，圖2-15所示為t、Ψ和p_c之間的關系。

從圖2-15中看出以下關系：當空氣的水氣分壓p_c不變時，空氣溫度t越低，相對濕度Ψ就越大；當空氣的相對濕度Ψ不變時，空氣溫度t越低，水氣分壓p_c就越小；當空氣溫度t不變，則水氣分壓p_c越大，相對濕度Ψ越大；p_c越小，則Ψ越小。

2.3.2　空氣調節原理

空氣調節的任務是對房間或公共建筑物內的空氣狀態參數進行調節，以創造一個溫度適宜、濕度恰當的舒適環境。一般來說，空氣調節主要是指對空氣的溫度、濕度控制。

①溫度調節　按照人類的生理特征和生活習慣，常要求居住和工作環境與外界的溫差不宜過大（5℃左右），室溫夏季保持在25～27℃，冬季保持在16～20℃為宜。

②濕度調節　保持相對濕度，冬季在40％～50％之間，夏季在50％～60％之間。

（1）調溫調濕設備

①空氣的加熱設備　空氣的加熱是通過加熱器來實現的，空調系統中所用的加熱器一般是以熱水或蒸汽為熱媒的空氣加熱器和電加熱器，以熱水或蒸汽為熱媒的空氣加熱器一般均采用肋片管式換熱器，由幾排（每排有數根）肋片管和聯箱組成。當熱水或蒸汽在管內流動，空氣在肋片管間流動時，空氣被高溫的肋片表面及基管加熱。空氣加熱器的工作特點是：空氣和管內水的流速越大，加熱量越大；熱水（或蒸汽）與空氣間的溫差越大，加熱量越大；空氣與加熱器接觸面積越大，加熱量也越大。肋片管式空氣加熱器一般作為空調系統的加熱器，在冬季將空氣加熱到指定溫度，以便于系統進入加濕處理，夏季一般不使用。電加熱器是通過電阻絲將電能轉化為熱能來加熱空氣的設備，它具有加熱均勻、加熱量穩定、效率高、結構緊湊和易于控制等優點，常用于各類小型空調機組內。在恒溫恒濕精度較高的大型集中式系統中，常采用電加熱器作為末端加熱設備來控制局部加熱。電加熱器有裸線式和管式兩種，裸線式加熱器加熱迅速、熱慣性小、結構簡單，但易斷線和漏電，安全性差；管式電加熱器加熱均勻、熱量穩定、經久耐用、安全性好、可直接裝在風道內，但其熱慣性較大、結構復雜。電加熱器的缺點是耗電量大，加熱量大的場合不宜采用。

②空氣減濕冷卻設備　空氣的減濕與冷卻可以通過表冷器來實現。與空氣加熱器結構類似，表冷器也是肋片管式換熱器，它的肋片一般多采用套片和繞片，基管的管徑較小，表冷器內流動的冷媒有制冷劑和冷水兩種。以制冷劑為冷媒的表冷器稱為直接蒸發式表冷器，多用于各類局部機組中。以冷水作為冷媒的表冷器稱為水冷表冷器，多用于集中式空調系統和半集中式空調系統的末端設備中。當空氣沿表冷器的肋片間流過時，通過肋片和基管表面與冷媒進行熱量交換，空氣放出熱量溫度降低，冷媒得到熱量溫度升高。當表冷器的表面溫度低于空氣的露點溫度時，空氣中的一部分水蒸氣將凝結出來，此時稱表冷器處于濕工況，從而達到對空氣進行降溫減濕處理的目的。增大空氣和冷水的流速，增加換熱面積和空氣與冷水間的溫差，都可以提高傳熱量，設計時一般取表冷器迎面風速2.5m/s左右，管內水流速為0.6～1.5m/s。表冷器的調節方法有兩種，一是水量調節，二是水溫調節。水量調節是改變進入表冷器的冷水流量，水溫不變，使表冷器的傳熱效果發生變化，水量減少，表冷器傳熱量降低，空氣溫降小，除濕量也少。水溫調節是在水量不變條件下，通過改變表冷器進水溫度改變其傳熱效果，進水溫度越低，空氣溫降越大，除濕量也增加。水溫調節多用于溫度控制精度較高的場合。

③空氣的加濕設備　建筑空調系統一般采用向空氣中噴蒸汽的辦法進行加濕，常用的噴蒸汽加濕方法有干蒸汽加濕和電加濕兩種。干蒸汽加濕是將具有一定壓力的蒸汽由蒸汽加濕器均勻地噴入空氣中。而電加濕則是用于加濕量較小的機組或系統中。電加濕器分為電熱式加濕器和電極式加濕器兩種。電熱式加濕器是將電熱元件直接放在盛水的容器內，利用加熱元件所散出的熱量加熱水而產生蒸汽。電熱式加濕器體積較大。完整的電熱式加濕器，除蒸汽發生器外，尚需配備自動補水設施、用于恒定蒸汽壓力的電源控制設施、濕度敏感元件、濕度調節器和帶電動調節閥的噴管組件。電極式加濕器是用3根不銹鋼棒（也可以是銅鍍鉻）作為電極，放在不易銹蝕的水容器中，以水作電阻，通電后水被加熱而產生蒸汽，通過調整水位的高低，可以改變水的電阻，從而改變熱量和蒸汽發生量。電極式加濕器結構緊湊，多用于各類空調機組內，其加濕量較小。

（2）空氣狀態調節

空氣調節是對房間或公共建筑物內的空氣狀態參數，主要是溫度和相對濕度進行調節，使空氣從一個狀態變化到另一個狀態。當被調節的空氣狀態（溫度和相對濕度）偏離了設定值時，通過合理的加熱、加濕、冷卻和去濕步驟，使空氣的狀態發生人為的改變達到設定狀態，如圖2-16所示為空氣從狀態A調節到狀態E的狀態變化過程，圖2-17說明了整個空氣調節處理流程。

①冬季新空氣加熱加濕處理　冬季新空氣的氣溫低，如果將新空氣加熱至室內氣溫的標準，這時新空氣中的水氣總量未發生變化，即p_c水氣分壓未變，因此加熱后的空氣相對濕度會大大降低。為了使加熱后空氣的相對濕度也能達到室內空氣濕度的標準，在調節的過程中必須要進行加濕處理。圖2-18所示為冬季新空氣加熱加濕處理的一種調節方法，其中的加濕是采用定溫飽和加濕方式，這種調節方式可以不用測量p_c或相對濕度。新風首先加熱至12℃，然后加濕（噴水）至飽和，再加熱至20℃，這時的相對濕度即為60％。

②夏季新空氣減溫去濕處理　夏季新空氣的調節與冬季相反，新空氣的氣溫高于室內空氣，需要對夏季新空氣進行減溫去濕處理。如果對新空氣只進行降溫至室內氣溫的標準，這時新空氣中的水氣總量未發生變化，即p_c水氣分壓未變，因此降溫后的空氣相對濕度會大大增加。為了使降溫后的空氣的相對濕度也能達到室內空氣濕度的標準，在調節的過程中必須要進行去濕處理。圖2-19所示為夏季新空氣減溫去濕處理的一種調節方法，其中的去濕是采用定露點去濕方式。這種調節方式可以不用測量p_c或相對濕度。新風首先降溫至12℃的露點，然后使表冷器的表面溫度穩定在露點溫度，讓空氣中的一部分水蒸氣充分凝結出來，至空氣飽和，再加熱至20℃，這時的相對濕度即為60％。

2.3.3　樓宇空調系統

影響室內空氣環境參數變化主要有兩個原因：外部原因，如太陽輻射和外界氣候條件的變化；內部原因，如室內人和設備產生的熱、濕和其他有害物質。當室內空氣參數偏離了規定值時，就需要采取相應的空氣調節措施和方法，使其恢復到規定的要求值。

一般空調系統包括以下部分。

①進風部分　空調系統必須有一部分空氣取自室外，進風口連同引入通道和阻止外來異物的結構等，組成了進風部分。

②空氣過濾部分　由進風部分取入的新風，必須先經過一次預過濾，除去顆粒較大的塵埃。一般空調系統都裝有預過濾器和主過濾器兩級過濾裝置，根據過濾的效率不同可以分為初效過濾器、中效過濾器和高效過濾器。

③空氣的熱濕處理部分　將空氣加熱、冷卻、加濕、減濕等不同的處理過程組合在一起統稱為空調系統的熱濕處理部分。熱濕處理設備主要有直接接觸式和表面式兩大類型。直接接觸式與空氣進行熱濕交換的介質直接與被處理的空氣接觸，通常是將其噴淋到被處理的空氣中；表面式與空氣進行熱濕交換的介質不與空氣直接接觸，熱濕交換是通過處理設備的表面進行的，如表面式換熱器。

④空氣的輸送和分配部分　將調節好的空氣均勻地輸入和分配到空調房間內，以保證其合適的溫度場和速度場。這是空調系統空氣輸送和分配部分的任務，它由風機和不同型式的管道組成。根據用途和要求不同，有的系統只采用一臺送風機，稱為單風機系統；有的系統采用一臺送風機，一臺回風機，則稱雙風機系統。管道截面通常為矩形和圓形兩種，一般低速風道多采用矩形，而高速風道多用圓形。

⑤冷熱源部分　為了保證空調系統具有加溫和冷卻能力，必須具備冷源和熱源兩部分。冷源有自然冷源和人工冷源兩種。自然冷源指深井水，人工冷源有空氣膨脹制冷和液體氣化制冷兩種。

熱源也有自然和人工兩種。自然熱源指地熱和太陽能，人工熱源是指用煤、石油、煤氣作燃料的鍋爐所產生的蒸汽和熱水，目前應用得最為廣泛。

（1）局部式、集中式空調

按照空氣處理設備的設置情況，空調系統可分為集中系統、半集中系統和全分散系統。集中系統的所有空氣處理設備（包括風機、冷卻器、加熱器、加濕器、過濾器等）都設在一個集中的空調機房內，如圖2-20所示。其特點是，經集中設備處理后的空氣，用風道分送到各空調房間，因而，系統便于集中管理、維護。此外，某些空氣經處理后其品質，如溫度、濕度、精度、潔凈度等也達到了較高的水平。在半集中空調系統中，除了集中空調機房外，還設有分散在被調節房間的二次設備（又稱末端裝置）。全分散系統也稱局部空調機組。這種機組通常把冷、熱源和空氣處理、輸送設備（風機）集中設置在一個箱體內，形成一個緊湊的空調系統。通常的窗式空調器及柜式、壁掛式分體空調器均屬于此類機組。它不需要集中的機房，安裝方便，使用靈活，可以直接將此機組放在要求空調的房間內進行空調，也可以放在相鄰的房間用很短的風道與該房間相連。一般說來，這類系統可以滿足不同房間的不同送風要求，使用靈活，移動方便，但裝置的總功率必然較大。

（2）中央空調

在智能樓宇中，一般采用集中式空調系統，通常稱之為中央空調系統，對空氣的冷熱處理集中在專用的機房里，按照所處理空氣的來源，集中式空調系統可分為封閉式系統、直流式系統和混合式系統，封閉式系統的新風量為零，全部使用回風，其冷、熱消耗量最省，但空氣品質差。直流式系統的回風量為零，全部采用新風，其冷、熱消耗量大，但空氣品質好。由于封閉式系統和直流式系統的上述特點，兩者都只在特定情況下使用。對于絕大多數場合，采用適當比例的新風和回風相混合，這種混合系統既能滿足空氣品質要求，經濟上又比較合理，因此是應用最廣的一類集中式空調系統（見圖2-21）。

中央空調的空氣熱濕處理系統如圖2-22所示，系統主要由風門驅動器、風管式溫度傳感器、濕度傳感器、壓差報警開關、二通電動調節閥、壓力傳感器以及現場控制器等組成。

空調空氣熱濕處理系統的監控功能如下。

①將回風管內的溫度與系統設定的值進行比較，用PID（比例加積分、微分）方式調節冷水/熱水電動閥開度，調節冷凍水或熱水的流量，使回風溫度保持在設定的范圍之內。

②對回風管、新風管的溫度與濕度進行檢測，計算新風與回風的焓值，按回風和新風的焓值比例控制回風門和新風門的開啟比例，從而達到節能的目的。

③檢測送風管內的濕度值并與系統設定的值進行比較，用PI（比例加積分）調節，控制濕度電動調節閥，從而使送風濕度保持在所需要的范圍之內。

④測量送風管內接近尾端的送風壓力，調節送風機的送風量，以確保送風管內有足夠的風壓。

⑤風機啟動/停止的控制、風機運行狀態的檢測及故障報警、過濾網堵塞報警等。

當環境溫度過高時，室外熱量從墻體和窗口傳入，加上電燈、冰箱、電視機及人體散發的熱量，使室溫過高，空調系統通過循環方式把房間里的熱量帶走，以維持室內溫度穩定于一定值。當循環空氣（新風加回風）通過熱濕處理系統時，高溫空氣經過冷卻盤管先進行熱交換，盤管吸收了空氣中的熱量，使空氣溫度降低，然后再將冷卻后的循環空氣吹入室內。冷卻盤管的冷凍水由冷水機組提供，它是由壓縮機、冷凝器與蒸發器組成的，壓縮機把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進入蒸發器進行蒸發吸熱，使冷凍水降溫，然后冷凍水進入水冷風機盤管吸收空氣中的熱量，如此循環往復，把房間的熱量帶出。反之，如果要升高室內溫度，需以熱水進入風機盤管，空氣加熱后送入室內。空氣經過冷卻后，有水分析出，相對濕度減少，變得干燥。如果想增加濕度，可進行噴水或噴蒸汽，對空氣進行加濕處理，以補充室內水氣量的不足。

（3）通風

通風的任務是沖淡和排出室內空氣，借以改善空氣的條件。用通風方法改善內部環境，即把不符合衛生標準的污染空氣經凈化或直接排至室外，把新鮮空氣經凈化符合衛生要求后送入室內。前者為排風，后者為送風，為此而設置的設備及管道稱為通風系統。通風方式有局部通風和全面通風。按照空氣流動動力不同，可分為機械通風和自然通風。

①局部通風　該系統分為局部送風和局部排風，它們都是利用局部氣流，使局部工作地點不受有害物的污染，造成良好的空氣環境。

②全面通風　也稱稀釋通風，是利用清潔空氣稀釋室內空氣中的有害物濃度，同時不斷把污染空氣排至室外，使室內空氣中有害物濃度不超過衛生標準規定的最高允許濃度。

③通風系統的設計原則

a.散發熱、濕或有害物的房間，及一般的地下室均考慮進行通風換氣。

b.在供暖地區設計通風換氣時，應進行空氣平衡及熱平衡計算，并采取相應的補風及加熱措施，以保證通風運行的效果。

c.在民用建筑的下列房間，應設置自然通風和機械通風進行全面換氣，如辦公室、居室、廚房、廁所、盥洗室、浴室等。

d.送風系統室外進風的采氣口位置，應設置在室外空氣較為清潔的地點，遠離排風口的上風側，而且低于排風口。

④通風控制　通風風機的控制方案如圖2-23所示，該控制方案的主要功能如下。

a.風機控制　分站根據其內部的軟件及時鐘，按時間程序或事件來啟動或停止風機（閉合或斷開控制回路）。

b.過濾器報警　風機啟動后，過濾網前后將建立起一個風壓。如果過濾器干凈，風壓將小于一個指定值，接觸器的干接點會斷開。反之如果過濾器太臟，過濾網前后的風壓變大，接觸器的干接點將閉合。分站根據接觸器的干接點的情況會發出過濾網報警信息。

c.風機故障報警　風機啟動后，如果運行正常，則在風機前后將建立起一個風壓，接觸器的干接點將閉合。反之，如果風機運行不正常，這時風機前后的風壓將小于一個指定值或者為零，接觸器的干接點會斷開。分站根據接觸器的干接點的情況會發出風機故障報警信息。

（4）風機的節能運行

空調裝置節能是一種必然的趨勢。從節約能量的觀點出發，將由定風量系統發展到變風量系統。定風量式的全空氣空調系統中，一般按房間最大熱濕負荷確定送風量，風量確定后便全年固定不變。實際上，在大多數情況下，空調房間的負荷低于最大負荷，當實際負荷低于最大負荷時，為了維持室溫設計水平，必須減小送風溫差，其方法是通過再熱或混合，以熱量抵消部分冷量，無論在熱量上還是在冷量上都造成一定浪費。變風量系統采取的方法是，保持送風濕度不變，當實際負荷減小時，通過改變送風量維持室溫，不但避免了無用的熱耗，同時風機耗能也小，從而節約了能源和運行費用。

實現風機的變風量運行有以下幾個方案。

①改變風機風量　可通過改變風機轉速的方法來改變風機風量，一般采用變頻調速技術。

②在離心風機入口設置可調導向葉片　通過調節葉片的開啟度來調節風量，通過風機出口方向管道的壓力信號控制導向葉片的開啟度。

③采用葉片角可變的軸流風機　葉片角的改變可改變風機風量。

④通過多臺風機的并聯運行控制來調節風量　這是一種有級差的調節方法。

在選擇風機時，風量、風壓裕量不應過大，并且應進行運行工況的分析，確定經濟合理的臺數，使調節簡單，全年運行費用低廉，以達到節約能源的目的。