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全空气系统与空气水系统
第6章全空气系统与空气-水系统
6.1全空气系统与空气-水系统的分类
6.1.1全空气系统
全空气系统:
是指空调房间内的负荷全部由经处理过的空气来负担的空调系统。
在全空气空调系统中,空气的冷却、去湿处理完全集中于空调机房内的空气处理机组来完成;空气的加热可在空调机房内完成,也可在各房间内完成。
1.特点
风道与机房占空间大,设备集中易于管理。
2.类型
根据不同特征可进行如下分类:
⑴按送风参数的数量(风道数)
1单参数系统
提供一种送风参数(温.湿度)的空气,供一个房间或多个区域应用O夏季供冷,冬季供热。
也称单风道系统。
特点:
对要求不同负荷变化功率不同的多区系统,不易精确调节;设备简单,初投资少。
2双参数系统
提供两种不同参数(温、湿度)的空气,供多个区或房间应用。
双风管系统:
分别送出两种不同参数的空气,在各个房间按一定比例混合后送入室内。
多区系统:
在机房内根据各区的要求按一定比例将两种不同参数的空气混合后,再由风管送到各个区域或房间。
特点:
调节容易,冷热混合损失大,系统复杂,占建筑空间大,初投资大,运行费用高。
欧美使用,我国基本没有发展此种系统。
⑵按送风量是否恒定
1定风量系统CAV(ConstantAirVolumn)
送风量岸最大负荷确定,送风状态按负荷最大房间确定,靠调节再热量控制房间送风参数。
特点:
部分负荷时风机与再热能耗大;风量分布控制简单。
2变风量系统VAV(VariablAirVolumn)
送风量根据室内负荷的变化的而变化。
特点:
节能,经济合理。
气流组织、新风量的保证、系统静压控制等方面还存在问题。
⑶按所使用空气的来源
1全新风系统(又称直流系统)
全部釆用室外新鲜空气(新风)的系统。
新风经处理后送入室内,消除室内的冷.热负荷后,再排到室外。
特点:
经济性差。
可设置热回收设备。
适用于不允许采用回风的场合,如放射性试验室、散发大量有害物的车间等。
2再循环式系统(又称封闭式系统)
全部采用再循环空气的系统。
室内空气经处理后,再送回室内消除室内的冷、热负荷。
特点:
节能,空气品质差。
用于仓库及战备工程。
3回风式系统(又称混合式系统)
釆用一部分新鲜空气和室内空气(回风)混合的全空气系统。
新风与回风混合并经处理后,送入室内消除室内的冷、热负荷。
特点:
满足卫生要求,经济合理,应用最广。
⑷按房间控制要求
1全空气空调系统
用于消除室内显热冷负荷与潜热冷负荷的全空气系统。
空气经冷却和去湿处理后送入室内。
2热风采暖系统
用于采暖的全空气系统。
空气只经加热和加湿(也可以不加湿)处理,而无冷却处理。
6.1.2空气-水系统
空气-水系统是由空气和水共同来承担室内冷、热负荷的系统,除了向室内送入经处理的空气外,还在室内设有以水做介质的末端设备对室内空气进行冷却或加热。
1.特点
风道、机房占建筑空间小,不需设回风管道;
如采用四管制,可同时供冷、供热;
过度季节不能釆用全新风;
检修较麻烦,湿工况要除霉菌;
部分负荷时除湿能力下降。
2.类型
根据房间内末端设备的形式可分为:
(1)空气-水风机盘管系统
在房间内设置风机盘管。
特点:
可用于建筑周边处理周边负荷,系统分区调节容易;
可独立调节或开停而不影响其它房间,运行费用低:
风量、水量均可调;
风机余压小,不能用高性能空气过滤器。
适用于:
客房、办公楼、商用建筑。
(2)空气-水诱导器系统
在房间内设置诱导器(带有盘管)o
特点:
末端噪声大
旁通风门个别控制不灵
新风量取决于带动二次风的动力要求,空气输送动力消耗大管道系统复杂二次风过滤难
房间同时使用率低的场合不适用
因此逐渐被风机盘管所取代。
(3)空气-水辐射板系统
在房间内设置辐射板(供冷或采暖)。
特点:
可用于抵消窗际辐射和处理周边负荷
无吹风感,舒适性较好,室温可以提高
承担瞬时负荷能力强
吊顶辐射板不能除湿
单位面积承担负荷能力受限
6.1.3目前国内最普遍使用的空调系统
1.普通集中式空调系统(定风量、单风道.全空气系统):
商场.影剧院、宾馆大堂.体育馆等。
2.风机盘管加新风系统(半集中式系统):
办公室建筑、宾馆客房等。
3.家用空调(局部空调系统):
住宅.办公室。
6.2全空气系统的送风量和送风参数的确定
6.2.1湿空气的物理性质及焙湿图
1•湿空气的物理性质
⑴什么是湿空气?
人们日常接触的室内或室外空气均是湿空气,即包含有水蒸气的空气。
湿空气二干空气+水蒸气。
⑵常温下湿空气可看作是理想气体
水蒸气处于过热状态,分子无体积,分子之间无内聚力,可用理想气体状态方程表示:
Pv=RT或PV=mRT
⑶大气压力
地球表面单位面积上所受空气层的压力称为大气压,常用B表示,单位以帕(Pa)或兆帕(MPa)表示。
B二101325Pa二1・01325Bar
⑷湿空气的主要参数
1湿空气的密度P
湿空气密度P等于干空气密度与水蒸汽密度P漬之和,即
P=Pd+P.
2湿空气的含湿量d
湿空气中水蒸汽密度与干空气密度之比作为湿空气的含湿量,换言之,取对应于1kg干空气的湿空气所含有的水蒸汽量,即
代
B_P*
d=也==0.622血=0.622
PaR、RPd
3相对湿度0
空气中水蒸汽的分压力与同温度下饱和水蒸汽分压力之比称为相对湿度,即
(p=P'x100%
Pw.s
4湿空气的焙h
在空调工程中,空气压力的变化很小,可近似于定压过程,故可直接用空气的焙变化来度量空气的热量变化。
力=5.“+(2500+cpwt)d
式中Cpd—干空气的定压比热,1.005kJ/kg.°C6厂-水蒸汽的定压比热,1.84kJ/kg.°C
2500--为t二0°C是水蒸汽的汽化潜热。
2.空气焙--湿图
温度仁含湿量d、相对湿度4)和焙h是空气的主要参数,在一定的大气压力下,只要已知其中任意两个参数,就可以求出其他参数。
在空调工程中,为简化计算,在一定大气压B下,将t、d、少和h及匕绘制成线算图,其中以焰h为纵坐标,以焰湿量d为横坐标的线算图称为含湿图,也常称h-d图。
如下图所示。
图焙一湿图的组成
⑴焙一湿图的组成
为了使图面开阔,线条清晰,焙一湿图建立在斜角坐标上,纵坐标表示比焙值,斜坐标表示含湿量,两坐标间夹角为135°o在实际应用中,为避免图面过长,常取一条水平线代替d轴。
1等比焙线
等比焙线是一组与斜坐标平行的直线。
2等含湿量线
等含湿量线是一组于纵坐标平行的直线。
3等温线
等温线是根据h=Cp」+(2500+Cp.绘制的一组由左向右升高,近似平行的斜线。
温度越高,斜率越大,但在空调范圉内,温度对斜率的影响不明显,所以等温线又近似平行。
4等相对湿度线
等相对湿度线是根据d=0.622「叫绘制的,一组向上延伸的发B_(pPws
散形曲线,其中"=0的曲线即为图像的纵坐标;4)=100%的曲线是最低的一条相对湿度线,称为饱和湿度线。
“=100%的饱和湿度线把焙一湿图分成两个部分:
饱和线左上方为空气的未饱和状态部分,即水蒸气的过热状态区;饱和线右下方为空气的过饱和状态部分,过饱和状态的空气是不稳定的,往往出现凝露现象,形成水雾,故这部分区域也称为雾状区域。
5水蒸气分压力线
将d=0.622-A-变为Pw=-,在一定的大气压下,
B-Pw0.622+〃
PS),因此,可在d轴的上方画一条水平线,标上d值所对应的巴值即可。
这条水平线就是水蒸气分压力线。
6热湿比线
假兀在空调过程中,空气由状态A变化到状态B,如果认为空气的热、湿变化是同时、均匀发生的,那么,在h-d图中由A到B的直线AB就代表空气状态从A到B的变化过程,如图下图所示。
湿空气状态变化前后的焰差与含湿量差之比称为热湿比,即
hp-h,\_bh
“B一心
⑵焙-湿图的应用
焙一湿图不仅可用来确定空气的状态参数、露点温度、湿球温度,还可用来表明空气的状态在热湿交换作用下的变换过程等。
①确定空气状态参数
焙一湿图上的每个点都代表了空气的一个状态,只要已知h、d(或Pj、t、<1)中的任意两个参数,即可利用焙一湿图确定其他参数。
例:
如图所示,在101.325kPa(B卩760mmHg)的大气压下,已知空气的温度t=30°C,<1)=40%,求空气的h、d、Pw?
解:
首先在101.325kPa的h-d图上根据t=30°C,4>=40%的交点,确定出空气的状态点A,过A点分别沿等焙线、等含湿量查出:
h二57kJ/kg,d二10.5g/kg干空“再由d值根据水蒸气分压力线查出Pw=1670Pao
②确定空气的露点温度
空气的露点温度也是使空气的一个状态参数,它与%和d有关,因而不是独立参数。
在含湿量不变的情况下,湿空气达到饱和时的温度,称为空气的露点温度。
例:
如图所示,在101.325kPa的大气压下,已知空气的温度t=30°C,2=60%,求空气的血?
解:
首先在101.325kPa的h-d图上根据t=30°C,4>=60%的交点,确定出空气的状态点A,过A点沿等含湿量线向下与4>=100%相交于L点,L点所对应的温度即为A点空气的露点温度,查图得tL=21.5°Co
3确定空气温球温度
空气的干湿程度,用相对湿度“表示,并且可以通过干湿球温度计测量出来。
干湿球温度计是由两个相同的温度计组成的,一个温度计放在空气中直接测量,测得的温度称为干球温度,用符号匚表示;另一个温度计的感温部分用湿纱布包裹起来,纱布下端放在水槽里,水槽里盛满水,测得的温度称为湿球温度,用符号爲表示,构造如图所示。
图T•湿球富度il•的结构示意图
例如:
干湿球温度计上干球的温度为36°C,湿球的温度为30°C,干湿球温度的差值为6°Co旋转中间的圆柱体,当在湿度表缝中的顶端露出数值6时,停止转动。
再看湿球温度值30°C时所对应的湿度表上的数字,其值为64,即当时当地空气的相对湿度"=64%。
利用焙-湿图查空气的湿球温度的方法是:
从空气的状态点沿等焙线下行,与<1)=100%的相对湿度线的交点所对应的温度即为湿球温度。
例:
求上例中空气的湿球温度。
解:
过空气的状态点A沿等焙线下行与"=100%相交于Sh点,Sh点所对应的温度即为A点空气的湿球温度,查图得匸h=23.8°Co
4确定两种不同状态空气的混合状态
在空调系统中,有时利用空调房间的一部分空气作为回风,与室外新风或集中处理后的空气进行混合,达到节能的目的。
利用空气的焙-湿图可以方便地确定两种不同状态空气的混合以后的状态参数,如图所示。
设室内回风的质量为m:
状态为l(h:
、dx),室外新风的质量为业,状态为2(h„混合后的空气质量为m,状态为M(h,比)。
图两种不同状态空气的混合过程
根据物质的能量守恒定律:
混合后的空气总质量m应等于混合前两种空气的质量之和:
m=+m2
混合后的空气总热量应等于混合前前种空气的热量之和:
m}hx+m2h2=(“+fn2)hM=tnhM
混合后的空气总含湿量应等于混合前两种空气的含湿量之和:
也+m2d2=(也]+叫)%=〃?
〃・“
整理上式可得:
「一-
人一h2_入一你_hM-h2
£_〃2
一〃M一〃2
人_1%=心_心=竺=1M
/切一力2〃财一〃2加1M2
山此可知:
混合点M必定在点1和点2的连线上;混合点M将线段12分为两段,两段的长度1H与H2同参与混合的两种空气的质量业和g成反比。
例:
某空调系统将室外新风和室内回风混合处理后送入室内,已知大气压为101.325kPa,室内回风量为1800kg/h,t=20°C, 解: 首先在101.325kPa的h-d图上找出回风状态点1和新风状态点2并连线,如图所示。 因为mi: ni2=1800: 200=9: b将线段12分成10等份,因为新风量小于回风量所以混合点M应靠近回风点lo按反比关系确定出混合点H,查出混合后状态点M的各状态参数为: hM=51kJ/kg,dM=11.4g/kg干空p4>・=70%,tx=21.8°Co 图混合点M的确定 3.空气处理过程在h-d图上的表示 空气的处理主要分为加热、冷却.加湿.去湿等。 (1)等湿(干式)加热处理 用表面式空气换热器或电加热器来处理空气,使其温度升高,含湿量不变。 空气的状态变化是等湿增焙升温过程,在h-d图上可表示为A-B 的变化过程, 其£=岂=+S。 0 图几种典型的湿空气状态变化过程 ⑵等湿(干式)冷却处理 用表面冷却器或蒸发器处理空气,半表面冷却器或蒸发器的温度等于或大于空气的露点温度时,空气中的水蒸汽不会凝结,其含湿量不变,温度降低。 空气的状态变化是等湿减焰降温过程,在h-d图上可表示为A-C的变化过程,其^=—=- 0 ⑶减湿冷却处理 用表面冷却器或蒸发器处理空气,当表面冷却器或蒸发器的温度低于空气的露点温度时,空气温度降低,水蒸汽气凝结成水析岀,使其含湿量减少。 空气的状态变化是减湿减焙降温过程,在h-d图上可表示为A-D的变化过程,其£=岂=学匚络>0。 △“dD-dA ⑷等温加湿处理 等温加湿可通过向空气喷水蒸汽而实现。 空气中增加水蒸汽后,焙和含湿量都增加,温度近似不变。 空气的状态变化是等温加湿增焙过程,在h-d图上可表示为A-F的变化过程,其£=*=2500+1.84(匕是水蒸汽(steam)温度。 ⑸等焰加湿处理 用喷水室喷循环水对空气进行加湿处理,水吸收空气的热量蒸发为水蒸汽,空气失去显热,温度降低,含湿量增加,潜热增加,焙值不变。 空气的状态变化是等焙加湿降温过程,在h-d图上可表示为A-E的变化过程,其”岂=0。 ⑹等焙减湿处理 用固体吸湿剂(如硅胶或氯化钙)处理空气,空气中的水蒸气被吸附,含湿量降低,空气失去潜热,而水蒸气凝结所放出的汽化热乂使得空气温度升高,只是减少了水带走的液体热,因此近似认为其焰值基本不变。 空气的状态变化是等焰减湿升温过程,在h-d图上可表示为A-G的变化过程,其£=竺=0。 6.2.2全空气系统的送风量和送风参数的确定 1.空调房间送风状态的变化过程 图6-1表示一空调房间送风示意图。 室内余热量(即冷负荷)为,余湿量为为消除室内余热余湿,保持室内空气状态为送入的空气量为其状态为S。 送入室内的空气吸收热Q和余湿M“.后,由状态S(〃s,ds)变化到室内状态NdN)而排出。 图6-1空调房间的热湿平衡 当系统达到平衡后,全热量、显热量和湿量都达到平衡,即 (6-1) 全热平衡M人+Q hR一力, (6-2) 显热半衡仏Cpf$+Qes=MscptR Q Ms=— Cp(fR一匚) (6-3) (6-4) 湿平衡MsdsxIO"3+Mw=M@rxIO'3(6-5) 山于同时吸收余热余湿,则根据式(6-2).(6-6),得变化过程的角 系数为 Qe_1000(心—心) (6-7) 2.夏季送风状态及送风量 已知余热Q,余湿室内状态点为dN), ⑵在h-d图上(图6-2),找出室内状态点/? (/: jV,dN),aR点作£=生的角系数线。 ⑶选送风温差At5 只要再知道心,心,g之一就可在£线上确定送风状态点S。 工程上常根据送风温差=5-心来确定S点。 显然At: 愈大,风量愈小,相应的空气处理设备和管路也愈小,系统比较经济;但是,风量小会使室内温湿度分布均匀性和稳定性受影响。 对舒适性空调,送风口高度W5m时,A匕不宜大于1O°C,送风口高度>5m,Ats不宜大于15°C。 对工艺性空调,按下表确定。 送风温差与换气次数 室温允许波动范race) 送风温差Ats(°C) 换气次数n(次/h) >±1.0 ±1.0 6'10 5(高大房间除外) ±0.5 3'6 8 ±0.To.2 2~3 12(工作时间不送风的除外) □前工程设计中经常采用“露点”送风,即取空气冷却设备可能把空气冷却到的状态点,一般为相对湿度90%-95%的“机器露点”D(见图6-2)o 图6-2送风状态的变化过程 ⑷求送风温度匸,过匚作等温线与£线交于S,点S即为送风状态 ⑸送风状态点确定之后,送风量可按下式计算: M一Q_1OOOM", 5心一儿心一久 3.冬季送风量与送风状态的确定 在冬季,通过围护结构的温差传热往往是由内向外传递,只有室内热源向室内散热,因此冬季室内余热往往比夏季少得多,有时其至是负值。 而余湿则冬夏季一般相同。 送热风时送风温差可比送冷风时大,所以冬季送风量可比夏季小。 当然,冬季送风量也必须满足最小换气次数的要求,同时送风温度不应超过45°C。 图6-3冬季送风状态变化过程 系统设计时,先确定夏季送风量,可取冬季送风量W夏季送风量。 全年采用固定送风量运行方便;冬季减少送风量可节省电能。 若取夏季确定的送风量,则送风温度为 t=q+2-(6-9) Ms 式中Qz—室内显热热负荷(取正值),kWo 6.3空调系统的新风量 6.3.1最小新风量的确定原则 空调系统的功能: 对环境的温、湿度进行控制,并提供足够的室外新鲜空气(简称新风)。 从改善室内空气品质角度考虑,新风量多些好;从节能角度考虑,山于送入室内的新风经过热、湿处理,需消耗能量,因此新风量宜少些为好。 在系统设计时,一般必须确定最小新风量,此新风量通常应满足以下三个要求: (1)稀释人群本身和活动所产生的污染物,保证人群对空气品质的要求; (2)补充室内燃烧所耗的空气和局部排风量: (3)保证房间的正压。 在全空气系统中,通常取上述要求计算岀新风量中的最大值作为系统的最小新风量。 如果计算所得的新风量不足系统送风量的10%,则取 系统送风量的10%, 送风量特大的系统不在此列。 关于稀释人群及其活动所产生污染物的新风量参见第8章第2节。 6.3.2补充排风量或燃烧需要的空气量 1.补充排风量 排风量的大小参见第8章。 2.燃烧需要的空气量 燃烧所需的空气量可从燃烧设备的样本或说明书查取,如无确切资料时,可根据燃料的种类和消耗量来估算: 液体燃烧V,=0.228X10-勺(6-10) 气体燃料匕=0.252x1()7你(6-11) 式中V厂-每血液体燃料需要的空气量,m7kg: V;—每n? 气体燃料需要的空气量,m7m3; 6--液体燃料的热值,kj/kg; q厂-气体燃料的热值,kj/m3o 6.3.3保持正压新风量 保持房间正压的新风量,等于在室内外一定压差下通过门缝、窗缝等缝隙渗出的风量,可按下式计算: V,.=(6-12) 式中匕一从房间缝隙渗出的风量,也就是正压风量,m3/s; Ac—缝隙(门、窗等)面积,m2; △P--房间内正压,缝隙两侧的压差,一般取5-10Pa;U—流量系数,0.39-0.64; n—流动指数,0.5-1,一般取0.65- 工程上常按换气次数佔算。 有外窗的房间,正圧新风量可取1-2次/h换气次数(根据窗的多寡取值);无窗和无外门房间取0.5-0.75次/h换气次数。 所谓换气次数,是送入房间风量与房间容积之比。 6.4定风量单风道空调系统 6.4.1露点送风系统 1.系统图 图6-4为一最简单的定风量露点送风单风道空调系统。 单风道系统: 送出一种参数的空气; 露点送风: 空气经冷却处理到接近饱和的状态点(称机器露点),不经再加热送入室内。 图6-4定风址露点送风做风道空调系统SF-送风机CC-冷却盘管(表冷器)HC-加热盘管F-空气过濾器H-加湿器RF-回风机1-送风口2■回风口3-调节风阀 ⑴夏季工况 送风在机房内经过滤、冷却去湿处理后,送到室内,消除室内的冷负荷和湿负荷;回风机从室内吸出空气(称回风),一部分空气用于再循环(称再循环回风),并与新风混合,经处理后再送入房间,另一部分直接排到室外,称为排风。 ⑵冬季工况 送风在机房内经过滤、加热、加湿后,送到房间,消除室内热负荷和湿负荷;回风机从室内吸出空气,一部分空气用于再循环,并与新风混合,经处理后再送入房间,另一部分直接排到室外。 1设有回风机的称为双风机系统: 2不设回风机的称单风机系统,此时系统无排风(图中虚线); 3不设加热管时,只能在夏季运行。 ⑶风量平衡 =依+胚 (6-13) =Mr+Me (6-14) =仏+仏 (6-15) =Me+Mf (6-16) 式中My,Mr―系统的送风量和回风量,kg/s; M--系统再循环回风量和排风量,kg/s;叭,M‘一系统室外风量(新风量)和房间维持正压的渗风量, kg/so 1对于单风机系统,Me=0,Mr=MK,因此有 +MK(6-17) M()=M,(6-18) 2当M()=0时,即为再循环系统 3当Mk=0时为直流(全新风)系统 2.工况分析 ⑴夏季的设计工况 图6-5为系统夏季的设汁工况在h-d图上的表示。 R—室内状态点,根据规范、标准或工艺要求确定; 0—室外状态点,取当地历年平均不保证50h/年的干球温度和湿球温度,可从《釆暖通风与空调设计规范》中查取。 设已知室内的冷负荷(包括显热冷负荷和潜热冷负荷)2(kW)和湿负荷必用(kg/s)。 1在h-d图上标出R,0o 2计算角系数£=昙,在h-d图上通过R点按角系数£画出 S, 送风在室内的状态变化过程线,该线与"=90%-93%相交,即为送风状态点So 3计算送风量,系统最小新风量按6.3节的方法确定。 4根据式(6-15)即可确定再循环回风量o 5将最小新风量与送风量之比称为最小新风比mo根据两种 (6-19) 空气混合的原理,在h-d图上,混合点H应位于R0线上,且满足 ROh()-1. 山此,可确定出H点的h等的状态参数。 MS是混合空气在空气处理机组的冷却设备中的处理过程,设备需提供的制冷量0,<(kW)应为 ©•严(6-20) 空气冷却设备所提供的冷量,包括室内冷负荷0和新风冷负荷Q.o。 Q・o=Mo(Ao—&) (6-21) 这一处理过程可用如下流程表示: 0 R 表面冷却器£ M►S~►p 冷却减湿注意: 在室内湿负荷饮.较大,角系数£乂很小,可能与0=90%-95%不相交时,这表明什么? 应怎么办? 图6-5屎点送风系统复季匸况在h-d图上的表示 冷却设备不能处理到所要求状态;改变室内设计参数(如增大相对湿度): 否则应采用再加热系统。 ⑵冬季设计工况 图6-6为系统在冬季工况在h-d图上的表示。 设冬季室内热负荷为 Qh(kW),湿负荷为(kg/s)o 图6-6冬季工况在h-d
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