中央空调系统节能探讨制冷工程毕业论文Word格式文档下载.doc
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制冷系统是中央空调系统至关重要的部分，其采用种类、运行方式、结构形式等直接影响了中央空调系统在运行中的经济性、高效性、合理性。
中央空调的发展历史在二十世纪六,七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:
AircoolChiller,简称为Chiller。
在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。
WRAC是最简单和最便宜的系统，能够很容易的在零售商店中购得，并在持续高温来的时候自己安装。
同时，无风管的SRAC和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。
之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国，这是通过与当地公司（包括主要元件如压缩机、热交换器、电劝机、精细阀和电子控制器的本地制造商）组成的合资公司进行的。
在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业
1.2中央空调系统的组成结构与分类
中央空调系统的一般组成
（1）、采风部分。
空调系统必须采用一部分室外的新鲜的室外的空气，即新风。
新风的取入量主要由空调系统的服务用途和卫生要求来决定。
新风采入口和空调系统的新风管道及新风虑尘装置构成了系统的进风部分。
（2）、空气的过滤部分。
空调系统的新风进入空气处理装置，一般都要经过一次预过滤器，除去空气中较大的灰尘颗粒。
这部分空气的净化处理到何种程度，由中央空调系统所负担工艺条件决定。
一般的空调系统设有两级空气过滤器，即一级空气预过滤器和一级中效空气过滤器。
（3）、空气的湿热处理部分。
对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程组合在一起，称为空调系统的空气热、湿处理部分。
在对空气进行热、湿处理过程中，有采用表面式空气换热器（在表面式换热器内通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称空气汽水加热器，在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器和直接蒸发式表冷器），也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，还有采用直接喷水蒸气的处理方法，以实现空气的热、湿处理过程。
（4）、空气的输送和分配、控制部分。
空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分，风道中的调节风阀、蝶阀、放火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。
风机是空调系统的主要噪声源，为了保证空调房间内的噪声达到要求的标准，常在空调系统的送、回风管上安装消声器。
有的空调系统设置一台风机，此风机既起送风作用，又起回风作用，此种系统称为单风机系统；
有的空调系统设置两台风机，一台为送风机，一台为回风机，称为双风机系统。
空调系统中的风机和风管一般都需要保温，防止能量的无益消耗。
（5）空调系统的冷热源。
空调系统的冷热源一般分为天然和人工两种。
由上述组成部分构成的空调系统称为集中式空调系统（又称为全空气系统）。
这种系统在工业上使用得较多，也是最基本的方式，其特点是空气处理设备集中于空气处理室，冷热源也大多集中在一起，处理后的空气用风道分别送到各空调房间，因而系统便于集中管理和维护。
如果将上述空气处理设备和制冷机、风机等组合在一起成为一种整体的机组，称为空调机组。
采用空调机组的空调系统又称为局部式空调系统，类似于家用分体机。
具有集中处理新风的新风处理机组和风管、同时又在各空调房间内设有局部处理装置（称为末端装置，如诱导器、风机盘管等）的空调系统称为半集中式中央空调系统。
中央空调系统的分类，中央空调根据不同的分类标准,可以分为如下几类:
1按输送工作介质分类
①全空气式空调系统
空调房间内的热湿负荷全部由经过处理的空气负担的空调系统，称为全空气空调系统，又叫做风管式空调系统。
全空气空调系统以空气为输送介质，它利用室外主机集中产生冷／热量，将从室内引回的回风（或回风和新风的混风）进行冷却/热处理后，再送人室内消除其空调冷／热负荷。
②风管式中央空调系统
全空气空调系统的优点是配置简单，初始投资较小，可以引入新风，能够提高空气质量和人体舒适度。
但它的缺点也比较明显：
安装难度大，空气输配系统所占用的建筑物空间较大，一般要求住宅要有较大的层高，还应考虑风管穿越墙体问题。
而且它采用统一送风的方式，在没有变风量末端的情况下，难以满足不同房间不同的空调负荷要求。
③冷/热水机组空调系统
空调房间内的热（冷）湿负荷全部由水负担的空调系统，称为冷/热水式空调系统。
冷/热水式空调系统的输送介质通常为水或乙二醇溶液。
它通过室外主机产生出空调冷/热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置处冷/热水与室内空气进行热量交换，产生出冷/热风，从而消除房间空调冷/热负荷。
④冷/热水机组中央空调系统
该系统的室内末端装置通常为风机盘管。
目前风机盘管一般均可以调节其风机转速（或通过旁通阀调节经过盘管的水量），从而调节送人室内的冷／热量，因此可以满足各个房间不同需求，其节能性也较好。
此外，它的输配系统所占空间很小，因此一般不受住宅层高的限制。
但此种系统一般难以引进新风，因此对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。
⑤空气—水式空调系统
空调房间内的热湿负荷由水和空气共同负担的空调系统，称为空气—水式空调系统。
其典型的装置是风机盘管加新风系统。
空气—水式空调系统是由风机盘管或诱导器对空调房间内的空气进行热湿处理，而空调房间所需要的空气由集中式空调系统处理后，再由送风管送入各空调房间内。
空气—水式空调系统解决了冷/热水式空调系统无法通风换气的困难，又克服了全空气系统要求风道面积比较大、占用建筑空间多的缺点。
⑥制冷剂式空调系统
制冷剂式中央空调系统，简称VRV（VariedRefrigerantVolume）系统，它以制冷剂为输送介质，室外主机由室外侧换热器、压缩机和其他附件组成，末端装置是由直接蒸发式换热器和风机组成的室内机，冷媒直接在风机盘管蒸发吸热进行制冷。
一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液体。
通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量，可以适时地满足室内冷/热负荷要求。
⑦制冷剂式中央空调系统
制冷剂式空调系统具有节能、舒适、运转平稳等诸多优点，而且各房间可独立调节，能满足不同房间不同空调负荷的需求。
但该系统控制复杂，对管道材质、制造工艺、现场焊接等方面要求非常高，且其初投资比较高。
2根据主机
根据主机类型可以将空调分为压缩式和吸收式两大类。
①压缩式
包括活塞式、螺杆式（分单螺杆和双螺杆两种）、离心式和涡旋式。
②吸收式
3按用途分类
①冷水机组，供应空调用冷水或工艺用冷水。
冷水出口温度分为7℃、10℃、13℃、15℃四种。
②冷热水机组，供应空调和生活用冷热水。
冷水进、出口温度为12℃／7℃；
用于采暖的热水进出口温度为55℃/60℃。
③热泵机组，依靠驱动热源的能量，将低势位热量提高到高势位，供采暖或工艺过程使用。
输出热的温度低于驱动热源温度，以供热为目的的热泵机组称为第一类吸收式热泵；
输出热的温度高于驱动热源温度，以升温为目的的热泵机组称为第二类吸收式热泵。
4按驱动热源分类
①蒸汽型，以蒸汽为驱动热源。
单效机组工作蒸汽压力一般为0.1MPa（表）；
双效机组工作蒸汽压力为0.25～0.8MPa（表）
②直燃型，以燃料的燃烧热为驱动热源。
根据所用燃料种类，又分为燃油型（轻油或重油）和燃气型（液化气、天然气、城市煤气）两大类。
③热水型，以热水的显热为驱动热源。
单效机组热水温度范围为85～150℃；
双效机组热水温度＞150℃。
⑶按驱动热源的利用方式分类
①单效，驱动热源在机组内被直接利用一次。
②双效，驱动热源在机组的高压发生器内被直接利用，产生的高温冷剂水蒸气在低压发生器内被二次间接利用。
③多效，驱动热源在机组内被直接和间接地多次利用。
5.按使用要求
一般把用于生产或科学试验过程中的空调称为“工艺性空调”，而把用于保证人体舒适度的空调称为“舒适性空调”。
工艺性空调在满足特殊工艺过程特殊要求的同时，往往还要满足工作人员的舒适性要求。
因此二者是密切相关的。
①舒适性空调
舒适性空调的任务在于创造舒适的工作环境，保证人的健康，提高工作效率，广泛应用于办公楼、会议室、展览馆、影剧院、图书馆、体育场、商场、旅馆、餐厅等。
②工艺性空调
工艺性空调主要取决于工艺要求，不同部门区别很大，总的来说主要分为降温性空调和恒温（恒湿）空调两类。
6按空气处理设备的情况分类
①集中式空调系统
集中式空调系统是指在同一建筑内对空气进行净化、冷却（或加热）、加湿（或除湿）等处理，然后进行输送和分配的空调系统。
集中式空调系统的特点是空气处理设备和送、回风机等集中在空调机房内，通过送回风管道与被调节空气场所相连，对空气进行集中处理和分配；
集中式中央空调系统有集中的冷源和热源，称为冷冻站和热交换站；
其处理空气量大，运行安全可靠，便于维修和管理，但机房占地面积较大。
②半集中式空调系统
半集中式空调系统又称为混合式空调系统，它是建立在集中式空调系统的基础上，除有集中空调系统的空气处理设备处理部分空气外，还有分散在被调节房间的空气处理设备，对其室内空气进行就地处理，或对来自集中处理设备的空气再进行补充处理，如诱导器系统、风机盘管系统等。
这种空调适用于空气调节房间较多，而且个房间空气参数要求单独调节的建筑物中。
集中式空调系统和半集中式空调系统通常可以称为中央空调系统。
③分散式系统
分散式系统又称为局部式或独立式空调系统。
它的特点是将空气处理设备分散放置在各个房间内。
人们常见的窗式空调器、分体式空调器等都属于此类。
7根据冷凝器冷凝方式
根据冷凝器的冷却方式可以将主机分为风冷式和水冷式，主要区别在于水冷式的有冷却循环系统，存在冷却泵和冷却塔风机。
第二章中央空调系统的工作原理
2.1中央空调制冷原理
和普通空调系统差不多中央空调系统的制冷原理也是将 气态制冷工质（如氟利昂）经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器，与水（空气）进行等压热交换，变成高温高压液态。
液态工质经干燥过滤器去除水份、杂质，进入膨胀阀节流减压，成为低温低压液态工质，在蒸发器内气化。
液体气化过程要吸收气化潜热，而且液体压力不同，其饱和温度（沸点）也不同，压力越低，饱和温度越低。
例如，1kg的水，在绝对压力为0.00087MPa，饱和温度为5℃，气化时需要吸收2488.7KJ热量；
1kg的氨，在1个标准大气压力（0.10133MPa）下，气化时需要吸收1369.59KJ热量，温度可抵达-33.33℃。
因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的气化获取所要求的低温。
依此原理，气化过程吸取冷冻水的热量，使冷冻水温度降低（一般降为7℃）。
制冷工质在蒸发器内吸取热量，温度升高变成过热蒸气，进入压缩机重复循环过程。
蒸气压缩式制冷系统主要分为水冷式和风冷式，
2.2中央空调系统原理
中央空调系统原理分，新风系统工作原理、盘管系统工作原理等，简单介绍如下：
1、中央空调原理的新风系统工作：
室外的新鲜空气受到风处理机的吸引进入风柜，并经过过滤降温除湿后由风道送入每个房间，这时的新风不能满足室内的热湿负荷，仅能满足室内所需的新风量，随着室内风机盘管处理室内空气热湿负荷的同时，多余出来的空气通过回风机按阀门的开启比例一部分排出室外，一部分返回到进风口处以便再次循环利用。
如图：
2、中央空调原理的盘管系统工作：
室内的风机盘管工作时吸入一部分由风柜处理后的新风，再吸入一部分室内未处理的空气经过工艺处理后，由风口送出能够吸收室内余热余湿的冷空气，使室内温度湿度达到所需要的标准，如此循环工作。
3.水系统工作原理
水系统：
它是通过主机先把水制成7度左右的冷水（制冷）然后通过水泵经水管输送到室内各个末端，末端的风机盘管再跟室内的空气进行热交换，达到制冷目的，制热也一样，只不过主机先把水制成50度左右的热水。
优点：
温差小，舒适度较高，价格适中，输送距离远，技术成熟，故障率低。
缺点：
系统体积大，安装复杂，三次换热，制冷制热速度较慢
第三章中央空调系统的节能
3.1调水泵节能介绍
①、中央空调运行控制方法分析
中央空调系统设计首先是气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。
但空调系统绝大部分时间是在部分负荷的情况下工作。
在部分负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。
从美国制冷协会标准880-56数据可见，平均年负荷在60%左右。
冷负荷率
75-100
50-75
25-50
<
25
占总运行时间的百分数
10
50
30
10
表1空调负荷的全年分布（%）
现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节），主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。
若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV），使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的30~60%，而且节能是双效的，因为对制冷主机的需求能耗同时下降。
主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的YT型离心式冷水机组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。
过去在中央空调系统中应用变频技术为什么推广难呢？
可能是价格太高的原因吧？
在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：
（1）中央空调运行时间更长，节能问题更突出；
（2）变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；
（3）变频控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。
中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在3～12个月，以变频控制器使用寿命10年计，其净收益在10倍投资额以上。
3.2、中央空调调速节能原理
中央空调系统中大部分设备是风机和水泵，是将机械能转变成流体的压力能或动能的设备，若流体为液体工质称其为泵；
若流体为气体工质称其为风机。
空调系统中的风机、水泵一般在结构上为透平式类。
参数
水泵
风机
透平式
离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵
离心风机、斜流风机、轴流风机
水泵
容积式
略
其它式
表2泵和风机的分类表（按工作原理分）
风机和水泵的理论压力方程式表示为：
Hth=1/g（u2cu2－u1cu1）
对于轴流式
Hth=1/g（cu2－cu1）（∵u1=u2=u）
式中，Hth--理论扬程，m；
cu1、cu2--分别为叶轮进出口处绝对速度的周向分量，m/s。
但由于空气和水密度相差800多倍，所以升压也相差800多倍。
在现场，常根据用户需要改变风机和水泵的流量和压力，即改变工况点位置，这种以变应变的人工干预称为调节，因用户需求的"
变化"
是绝对的、经常的，而不变化却是相对的、暂时的，因此调节是一个至关重要的技术。
根据相似定律可知：
参数
仅n≠no
流量Q
Q=Qvo（n/no）
扬程H
H=Ho（n/no）2
全压P
P=Po（n/no）2
功率P
P=Po（n/no）3
效率n
n=no
注：
"
o"
为变化前参数，H对于风机称有头，第四项又称比例律。
表3风机、水泵相似工况下参数变化
从管网特性曲线可以看出，一般情况下，风机转速变化相似工况点连线过原点，由于水泵有静扬程存在，当转速变化时，相似共况点连线不通过坐标原点，转速变化前后工况点亦不再保持相似，所以效率也随之不再保持不变，也就是说，此时不满足比例律，如图2a、b所示：
当风机或水泵稳定工作在工况点A1（Q1，P1）上，当需要减少流量到Q2时，
（1）关小阀门开度，使管网曲线R2。
值得注意的是：
Q2的实现是靠人为节流引起的损失ΔP的代价换来的。
（2）采用变速调节，将速度降到n2时，既可足流量的要求，其功率降低显著。
因此，变转速调节是风机、泵经济运行的首选方式。
采用变频调速方式，对普通系列三相异步电动机拖动进行控制，是当前无级调速的主流。
它的基本原理如下，当电动机极对数P选定后，运行时改变供电电源F1，就可改变其步转速n1。
当同步转速n1改变了，电动机转轴转速n则随之而变。
采用变频调速有以下特点
（1）从基频往下调速，为恒转矩调速方式；
（2）调速范围大；
（3）电动机转速稳定性能好；
（4）运行时，电动机转速接近其同步转速，运行效率高；
（5）频率F1可以连续调节，因此为无级调速方式；
（6）基本上做到负载需要多少功率，就从电源输入多少功率。
3．3.中央空调末端节能改造介绍
中央空调原末端采用比例阀进行机械式调温，调节冷冻水入水口阀门的开度，即控制进入热交换器中冷冻水的流量，风机推动热交换热源一方（即空气），在热交换器中进行热交换，从而达到调节冷风温度的目的，其调节对象为冷源介质。
控制简图如下：
其过程如下：
风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，并将该信号送给比例阀控制器，比例阀根据实际检测的温度与设定的温度进行比较，自动调节调节热交换器进水口阀门的开度。
实际温度比设定温度高则增加阀门开度，实际温度比设定温度低则减少阀门开度，以达到调温的目的。
实际上有些末端并不采用自动调节，而是采用人工调节。
感觉冷风不够则增加阀门开度，而且往往不是采用比例调节，而是以档位方式进行调节。
2、中央空调末端分析
首先，中央空调末端由比例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的过程中，是以增加进水的阻力来减少流体（冷冻水）在热交换器中的流动速度，这样就以浪费一大部分冷冻水的动能来达到调温，然而浪费的这一部分动能恰恰是中央空调的冷冻泵所给予，冷冻泵电机是要消耗电能，也就是采用比例阀调温浪费了一部分的电能。
其次，盘管风机是以电机来驱动的，然而电机长期是以满速运行（即以工频运行），这样风机的机械转动部分易产生磨损，机械磨损之后增加了风机电机的负载，甚至引起电机故障，减少了电机的使用寿命。
最后，有些中央空调末端采用的是开环档位控制，凭感觉调温。
感觉温度过高则增加阀门开度，感觉温度过低则减少阀门开度，该调节方式是人工调节而不是自动恒温调节。
另外比例阀性能不稳定也造成调温效果不理想。
3、中央空调末端改造
我们现主要针对以上几个问题对中央空调末端进行如下改造：
将原有的中央空调末端采用比例阀进行机械式调温改造为变频器进行电气调温。
将进水阀门的开度固定，动态调节风机转速，来达到恒温调节目的，调节的对象为热源。
风机盘管出风口处安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，该信号经温度变送器转换为标准的电流信号，送给变频器，变频器将实际检测的温度与上位机给定的温度进行PI运算，运算结果给出控制信号，自动控制风机转速。
实际温度比设定温度高则增加风机转速，实际温度比设定温度低则减少风机转速，以达到调温的目的。
控制系统简图如下：
中央空调末端经过改造之后，中央空调末端不是通过调节热交换器进水口阀门开度来调温而是通过电子方式来调温，这样节省了一大部分的电能，而且风机电机不是以满速运行，盘管风机电机是根据室内的负荷变化有效地调节风机电机的转速，来调节风量达到调温目的，这样既节省了电能，又大大地减少风机的机械转动部分磨损，增加了电机的使用寿命；
同时还消除了各个热交换器进水口阀门之间的影响。
还有在改造之后，风机电机采用交流变频调速技术后，实现了零电流、零电压的软启动，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。
4、改造前后比较
改造前
a、机械调温效果不明显。
b、比例阀性能不稳定。
c、风机长期处于满速运行，风机用久易产生机噪音及电能的浪费。
d、无法实现温度闭环自动控制
改造后
a、用电气调温，调温精度高。
b、响应速度快，调温动态性能好。
c、风机经常不处于满转速运行，机械损耗小，风机的噪音可降低，风机的用电量可下降。
d、实现全自动远程监控及温度闭环控制。
e、实现了软启动、软停止，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。
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