HVAC综合实验系统的研制及水量水温对风机盘管性能影响的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 14 4 9.31MB 83 页 15积分

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第一章　绪论

第一章绪论

§1.1 课题的来源及意义

20 世纪 60 年代末和 70 年代初，中东地区两次爆发了大规模的战争，导致世

界石油市场的油价大幅上涨，发达国家经历了严重的“石油危机”，节约能耗的

课题也很快就被提到议事日程上来[1]。最近，由于海湾局势等综合因素的影响，国

际石油价格一路飙升，引起了新一轮的“能源危机”。建筑的能耗在国家总能耗

中历来占有很大的比重，有关资料显示，在欧美等发达国家，建筑的能耗将近占

总能耗的三分之一，这其中 40%-60%都是空调的能耗[2]。因此，限制建筑用能，

降低空调系统能耗已经成为全球共同研究的课题。

我国是一个能源相对匮乏的国家，能源的利用率也只有发达国家的

62％。2003 年贯穿冬夏两季的电力紧缺，又一次敲响了我国能源缺乏的警钟。在

2003 年7月，我国 16 个省市出现了持续高温，由于空调的大量使用，全国用电

负荷接连创历史新高，有 19 个省市拉闸限电。全国各个地区累计拉闸限电超过 14

万余次，累计限电量 19 亿千瓦。根据发达国家经验，经济越发达，生活水平越高，

建筑能源消费就越多。因此，如何减少空调的能源消耗，应对日后可能产生的更

为严峻的能源问题，是摆在我们面前的一个重要而且紧迫的课题。当世界能源日

趋紧张的今天，节约和合理利用能源是我国可持续发展的重要策略，因此研究空

调系统、降低空调系统能耗对于走可持续发展道路具有十分深远的意义。

目前，较少空调系统的能耗所采用的主要措施有[3]：

措施一：由于每个人对舒适感的要求标准差别很大，故而对舒适性空调有一

个范围较宽的舒适区。在该舒适范围内，适当降低冬季室内设计温度和提高夏季

室内设计温度，可以减少围护结构的传热负荷和新风负荷。据统计，每升高（或

降低）夏季（或冬季）室内设计温度1℃，就可以节能 10%左右；

措施二：在室内人员变动大的建筑物中（如百货商场、办公楼、剧场等公共建

筑），负荷变化率是比较大的。对于这种类型的建筑，可采用定温度、变风量的空

调方式，使室内送风量随负荷的增减而变化，同时空调器处理的新风量和送回风

量也相应变化，可减少能量的消耗。采用变风量系统全年可节省风机能耗的 30%-

50%；

措施三：采用变水量空调系统，使换热设备的供水量和系统的循环水量随空

调负荷的变化而增减，从而节约空调水系统的输送能耗；

HVAC 综合实验系统的研制及水量水温对风机盘管性能影响的研究

措施四：采用变水温空调系统，当空调负荷较低的时候，提高冷水机组的出

水水温，从而减低冷水机组的能耗；

措施五：利用蓄热水池，将冷热量储存起来，供峰值负荷时使用，或利用夜

间环境空气温度低、用户少的特点进行制冷，储存后供白天使用。这样可以减少装

机容量，提高设备的平均效率和使用率，平抑峰值电负荷，提高电网利用效率，

从而达到节能的目的；

措施六：采用二次泵供水系统，对于系统较大，且各区需要的水泵扬程差别

较大的多区供水，可以降低系统的压力损失，节省能耗。

这些节能措施中，有针对设计标准的措施，有针对空气系统的措施，但大部

分还是针对冷冻水系统的措施。空调冷冻水系统的发展已有近百年的历史，从设

备的性能到系统设计方法都取得了很大的发展。冷冻水系统也由简单的定流量系

统发展到变流量系统。随着科学技术的发展，人们对传统的水系统设计思想、运行

模式有了新的认识，如何将这些先进技术运用到设计和运行管理中去，充分发挥

这些新技术的节能潜力，开发出更简单、节能、可靠的系统形式，就需要对现有的

水系统节能方式进行进一步的研究。

§1.2 国内外研究现状

早期中央空调系统中的控制主要用于满足负荷需要，而能耗是次要的问题，

因此那时的控制基本都是手动的，例如：冷机的启/停等，也有气动装置，例如用

气动的恒温器来保持冷却水的供水温度在某一特定的范围内 [4]。70 年代的能源危

机，使空调控制在满足负荷、保证系统稳定性的条件下开始注意节能，比如，在

系统中安装冷冻水温度设定重调装置，尽可能的提高冷机效率[5]。近年来，随着直

接数字控制器（DDC），特别是能源管理控制系统（EMCS）的日益广泛化，空

调系统的控制技术得到了飞速的发展。当今大型中央空调系统的控制通常由

EMCS 来完成，它包括低层次的局部控制和高层次的全局性控制。前者一般通过

反馈控制（PID 控制）来实现和维持预先给定的各种设定值；而后者按照整个系

统运行能耗最低的目标来调整各控制变量、给出设定值及各种时变运行模式[6-8]。

冷冻水系统的控制主要有水流量的控制和进水温度的控制两个部分。从上世

纪70 年代中期开始，学者就开始对水系统开展研究。从70 年代中期到80 年代末，

是水系统控制研究的早期阶段，这个阶段主要针对当时发生的能源危机，研究的

重点在于最终的量值结果，即最终可以省多少能量，可以省多少钱？由于研究工

作涉及测量范围广，工作量大，当时的技术水平还达不到这些要求，至使结果误

第一章　绪论

差较大。

Chun 和Norden[9]对一大型纺织厂的空调冷冻水系统进行了控制研究，模型

中考虑了冷冻水供水温度等控制变量，并在约束条件中引入了“惩罚因子”概念

采用 Nelder-Mead 算法，其年预测能耗较原来减少 12.5%。

Enterline[10]采用多维优化方法对空调系统的各组成部件分别进行了控制研究，

利用在线方法测绘出了能耗随冷冻水供水温度的变化关系图。

近年来，不少国内外学者采用各种不同的方法，对水系统进行了控制研究，

希望从模型仿真的角度研究水系统中进水温度等因素对于系统控制稳定度和精度

的影响[11-12]。

虽然说国内外资料对于变冷冻水温度空调系统性能的研究比较多，但是大部

分研究针对的对象是机组方面，研究的主要方向是制冷性能的变化及能耗的分析

而对于房间的舒适性和末端盘管的性能研究很少，对于末端盘管除湿性能的研究

更是几乎没有涉及。

对于变流量运行的研究，目前国内外的资料还停留在理论的分析和可行性、

经济性的研究上[13]，实际应用的例子也不多。

为了对中央空调系统及其中各部分进行深入的节能研究，需要建立一个综合

性的、配合有高精度测量手段和先进控制技术的HVAC 综合实验系统。这个实验系

统可以涵盖制冷、空调行业所涉及的大部分系统，为研究各种节能手段的可行性

和节能效果提供实验平台，将理论研究通过实验验证，得出对生产实践更有指导

作用的结论。在此基础上，本文还研究了空调末端盘管在不同水流量、不同冷冻水

温度的情况下，制冷性能和除湿性能。这一课题的研究，可以为房间温、湿度控制

技术提供重要的理论基础和实践指导，也可以为今后空调节能的研究提供一个新

的发展方向。

§1.3 课题研究的内容和主要工作

本课题首先建立一了 HVAC 综合实验系统，在搭建综合实验系统的基础上，

还以风机盘管为例，研究了不同水流量、不同进口水温的情况对于空调系统末端

盘管（风机盘管）制冷性能与除湿性能的变化的影响。因此，本课题的主要工作

分为以下三部分：

1. 设计和建立了HVAC 综合实验系统。

由于目前国内外此种综合性的实验系统很少，根据对现有中央空调系统资料

的收集，在香港理工大学HVAC 综合测试台研制的基础上，依据研究需要，提出

HVAC 综合实验系统的研制及水量水温对风机盘管性能影响的研究

综合实验系统的总体设计方案和具体技术参数。该综合实验系统可以作为以下研

究课题的实验平台：变风量系统控制方式的节能研究、变水量系统的节能研究、变

水温系统的节能研究、定频、变频冷水机组联合运行的研究、不同节流装置对冷水

机组性能影响的比较研究、冷却水进水温度对制冷机组性能影响的研究等；也可

以作为一个环境实验装置，为在实验室内研究空调设备性能提供环境模拟。

作者的具体工作包括：根据研究需要确定具体设计参数，选择设计方案，进行设

计计算、设备选型，设备采购，管理安装施工，参加系统调试。

2. 从理论角度建立风机盘管热湿交换计算模型，并编制计算程序。通过理论

计算，得出不同工况下风机盘管的制冷和除湿的性能。根据计算结果，分

析了进水温度和水流量对风机盘管性能的影响，得出结论。

3.参照相关标准，进行风机盘管性能测试实验，测量和计算不同水流量和不

同进水温度情况下，风机盘管的制冷量和除湿量，用实验手段验证理论计

算模型的正确性，为得出的理论结果提供实验依据。

第二章　HVAC 综合实验系统的研制

第二章 HVAC 综合实验系统的研制

为了进一步对中央空调系统进行实验研究，需要建立一个综合目前先进控制

技术和测量手段的，灵活的实验系统，该实验系统可以涵盖制冷、空调行业所涉

及的大部分系统，为研究各种节能手段的可行性和节能效果提供实验平台，将理

论研究通过实验验证，得出对生产实践有实际指导作用的结论。为此，搭建了

HVAC 综合实验系统。

§2.1 总体介绍

利用该综合实验系统，可以完成以下课题的实验研究：

变风量系统控制方式的节能研究；

变水量系统的节能研究；

变水温系统的节能研究；

定频、变频冷水机组联合运行的研究；

不同节流装置对冷水机组性能影响的比较研究；

冷却水进水温度对制冷机组性能影响的研究。

目前，空调系统按照空气处理设备的设置情况，可以分为集中式空调系统、

半集中式空调系统和分散式空调系统（局部空调系统）。集中式空调系统是指空

气处理设备（过滤、冷却、加热、加湿设备和风机等）集中设置在空调机房内，空

气处理后，由风管送入各房间的系统，是目前大型中央空调系统中采用最多的系

统；半集中式空调系统是集中处理部分或全部风量，然后送往各房间（或各区），

在各房间（或各区）再进行处理的系统，一般用于负荷不是太大、系统对温、湿度

的控制要求不是太高的系统；分散式空调系统是将整体组装的空调器直接放在空

调房间内或者放在空调房间附近，每个机组只供一个或几个小房间的，或者一个

房间内放几个机组的系统，多用于家庭和小型办公系统中。

目前，空气系统按照负担室内负荷所用的介质种类，可以分为全空气系统、

全水系统、空气-水系统和直接蒸发式系统。全空气系统是指空调房间的室内负荷

全部由经过处理的空气来负担的空调系统，该系统空气室内品质控制较好，舒适

性好，但管道所占空间较大；全水系统是指空调房间的热湿负荷全靠水作为冷热

介质来负担的系统，该系统管道所占空间较小，但不能解决通风换气问题，一般

不单独采用；空气-水系统是上两种系统的结合，诱导空调系统和风机盘管加新风

系统就是属于形式的；直接蒸发式系统是将制冷系统的蒸发器直接放在室内来吸

HVAC 综合实验系统的研制及水量水温对风机盘管性能影响的研究

收余热余湿，这种系统通常用于分散安装的局部空调机组和低温房间。

本综合实验系统主要用于模拟大型中央空调系统，研究其中的节能手段，因

此选择采用大型中央空调中最为典型的冷水机组集中空调系统、全空气形式和风

机盘管加新风的系统。

集中式空调系统按照送风量是否变化，又分为定风量系统和变风量系统。定

风量系统是指风量不随室内热湿负荷变化而变化，送入房间的风量保持一定的系

统；变风量系统是指风量随室内热湿负荷变化而变化，当热湿负荷较大时，送入

较多风量，热湿负荷较小时，送入较少的风量。变风量系统与定风量系统相比，

存在以下主要的特点：

1. 用改变房间送风量的方法，补偿房间负荷的变化，避免了因再加热造成的

冷热量抵消，节省了能耗；

2. 选用合适的变风量末端设备，能为房间提供廉价的室温控制；

3. 系统的灵活性很高，易于改、扩建，适用于用途多变的建筑物；

4. 风量平衡方便，节省了风量平衡中的浩繁的测定和调整工作量；

5. 有与定风量系统相同的舒适感；

6. 室内相对湿度控制精度不如定风量再热系统；

7. 由于增加了系统风量控制环节，每一房间又都需增设变风量末端设备，因

此，设备投资有所提高，但可以从节能收益中回收。

采用变风量系统是空调系统节能研究的一个重要手段，因此，该综合实验系

统采用变风量系统。

根据以上的分析和讨论，初步确定综合实验系统的总原理图如图2-1 所示。

综合实验系统主要包括室内环境系统、空气处理系统、冷冻水系统、水冷冷水

机组系统、冷却水系统、模拟负荷发生系统、风机盘管性能测试系统、电气控制及参

数测量系统等。

下文详细介绍该综合实验系统中主要系统的设计要求、设计原理、设计方案及

结果。

第二章　HVAC 综合实验系统的研制

其中：1.膨胀水箱 2.电动三通阀 3.冷冻水泵 4.冷水机组 5.冷却水泵 6.冷却塔 7.板式过滤器

8. 表冷器 9. 电加热器 10. 蒸汽加湿11. 喷嘴 12. 送风机 13. 干蒸汽加湿器 14. VAV BOX

15.热湿负荷发生器 16. 排风机 VC 风量控制器 T 温度测点 H 湿度测点 V 速度测点

DP 压差测点 SP 静压测点 VFD 变频控制 SSR 固态继电器

图2-1 综合实验系统原理图

§2.2 室内环境系统

室内环境系统主要为各个研究课题提供实验环境。

§2.2.1 设计要求

1. 室内环境系统共有二个房间组成，围护结构应采用轻型结构，要求便于

安装、保温性好、美观大方；

2. 一个房间为热舒适环境室，温度控制范围在10-40℃，控制精度±0.1℃，

湿度控制范围在40%-80%，控制精度±5%；

3. 一个房间为低温室，温度控制范围在-15-40℃，控制精度±0.1℃，低温工

况是湿度不控制；

4. 两个房间应设有观察窗，便于了解房间内部的情况。

新风

回风

SSR

ROOM 1

H T H

H T

ROOM 2

VFD

SSR 固态继电器

T 温度测点

VFD 变频控制

SP 静压测点

DP 压差测点

F 流量测点

V 速度测点

H 湿度测点

10 蒸汽加湿

11 喷嘴

12 离心式送风机

13 干蒸汽加湿器

14 VAV BOX

15 热湿负荷发生器

9 电加热器

16 排风风机

VC 风量控制器

8 表冷器

1 膨胀水箱

7 板式过滤器

6 冷却塔

5 冷却水泵

4 冷水机组

3 冷水冻泵

2 电动三通阀

HSP T

VFD

排风

送风

C4 52

236

7 8 9 10 11 12

1414

（含驱动器）

HVAC 综合实验系统的研制及水量水温对风机盘管性能影响的研究

§2.2.2 设计原理

预制夹芯板是目前冷库和各种环境室首选的围护结构材料。夹芯板两侧采用

彩色钢板、铝板或不锈钢板，中间保温材料通常为硬质聚氨酯或聚苯乙烯等，其

重量比常规建材轻 5%~10%。目前国际上普遍采用的导热系数最佳的硬质聚氨酯

夹芯板，库板的内外面选用聚酯复膜彩色钢板，连接面的凸凹插槽式结构安装快

捷，保温性能良好。预制夹芯板的特点有：

1. 预制夹芯板有多种颜色可选，可配合建筑的需要，达到令人满意的效果；

2. 夹芯板中的硬质聚氨酯导热系数低，强度高，具有良好的保温隔热和隔湿

的效果；

3. 目前，多数厂家的预制夹芯板规格均符合建筑模数，可按要求随意分隔和

布置；

4. 建设周期短，y安装快捷。

预制夹芯板厚度的选择主要考虑在最大温差下，夹芯板外表面不结露。

§2.2.3 设计方案及结果

室内环境系统共有两间房间，

一间为热舒适环境室，如图2-2 所

示，内部尺寸为：，在靠近操作台

一面的库板上，有一个

600×400（mm）的观察窗，门框尺

寸为830（宽）×1900 （高）

（mm）。一间为低温环境室，内部

尺寸为： 2300 （长）×3500

（宽）×2500（高）（mm），在该

室的门上，有一个 300×200（mm）

的观察窗 , 门框尺寸为900

（宽）×1760（高）（mm）。

根据计算，房间围护结构采用

100mm 的硬质聚氨酯预制夹芯库板，

地板上铺设不锈钢板，房间门采用

外开自动回归式的冷库门。为了减少玻璃观察窗处的漏热，观察窗采用双层镀膜

玻璃，并在两片玻璃中间安装电加热丝。

图2-2 热舒适环境室

第二章　HVAC 综合实验系统的研制

§2.3 空气处理系统

空气处理系统主要作用是按照室内环境的要求，对空气进行过滤、制冷、加热

加湿等处理。

§2.3.1 设计要求

1. 房间温度控制范围：10~40℃ ，控制精度±0.5℃，湿度控制范围在40%-

80%，控制精度±10%；

2. 空气系统采用变风量空气处理（VAV）系统，需考虑全新风运行的工况；

3. 空气处理箱应有过滤、除湿冷却、再加热、再加湿等功能；

4. 为了对表冷器进行深入的实验研究，表冷器前后应该有焓差测试装置和

风量测量装置；

5. 其余的温、湿度测点及风速测点应符合图2-1 所示。

§2.3.2 设计原理[14-17]

通常意义的变风量空气处理系统有以下四种系统型式：

1.仅供冷的变风量基本系统。该系统的空气在中央空气处理装置中被冷却去湿

处理后，通过变风量末端装置送到房间内。在过渡季节和冬季，制冷系统可以间

歇运行，通过对新风和回风的混合控制来维持变风量系统运行的送风温度，此系

统多用于建筑物内区冬季亦需要供冷的区域；

2.带有单独供热系统的变风量系统。在建筑物的周边区，为了克服冬季通过外

墙、外窗和屋顶所产生的传热损失而需要供热，要实现这种供热，可以在周边区

设计一套单独供热水采暖系统或设计一套定风量系统，在冬季需要供暖时送热风

而内区仍设计一套全年只供冷的变风量系统，两套系统配合使用；

3.再热式变风量系统。这种系统是在末端装置安装一个再热器，再热能源可以

是热水、蒸汽或电。这种系统与定风量再热系统相类似，只是在变风量末端装置的

送风量减少至最小值后，通常都是在冬季，才向其供热，因而比定风量再热系统

节能。同时，这种系统可以适用于同一时刻有的房间需要供热而有的房间需要供

冷的场合；

4.双风道变风量系统。这是一种简单地送风压出式系统，它与单风道变风量系

统的不同之处是，风机的出风端分成两路，一路空气冷却，一路空气加热，并分

别通过冷风道和热风道将空气送入房间的末端装置。

本实验系统是一个小型的变风量系统，主要用于变风量系统的实验性研究，

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