第6章全空气系统与空气-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。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(Constant Air Volumn)

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(Variabl Air Volumn)

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。

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⑶按所使用空气的来源

①全新风系统(又称直流系统)

全部采用室外新鲜空气(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)

采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； 过度季节不能采用全新风；

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；

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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)。 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。

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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焓湿图

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=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=101325Pa=1.01325Bar ⑷湿空气的主要参数

①湿空气的密度ρ

湿空气密度ρ等于干空气密度ρd与水蒸汽密度ρw之和，即

???d??w

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

?RPPPw?Pw.sd?w?dw?0.622w?0.622?0.622

?dRwPdPdB?PwB??Pw.s ③相对湿度φ

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??w?100%

Pw.s ④湿空气的焓h

在空调工程中，空气压力的变化很小，可近似于定压过程，故可直接用空气的焓变化来度量空气的热量变化。

h?cp.dt?(2500?cp.wt)d 式中 cp.d--干空气的定压比热，1.005kJ/kg.℃

cp.w--水蒸汽的定压比热，1.84kJ/kg.℃

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2500--为t=0℃是水蒸汽的汽化潜热。 2．空气焓--湿图

温度t、含湿量d、相对湿度φ和焓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、φ和h及Pw绘制成线算图，其中以焓h为纵坐标，以焓湿量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 焓--湿图的组成

⑴焓--湿图的组成

为了使图面开阔，线条清晰，焓--湿图建立在斜角坐标上，纵坐标表示比焓值，斜坐标表示含湿量，两坐标间夹角为135°。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等比焓线

等比焓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.dt?(2500?cp.wt)d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，但在空调范围内，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

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⑴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焓升温过程，在h-d图上可表示为A→B

?h的变化过程，其?????。

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，当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焓降温过程，在h-d图上可表示为

??hA→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出，使其含湿量减少。空气的状态变化是减湿减焓降温过程，在h-d图上可表示为

?hhD?hA??0。 A→D的变化过程，其???ddD?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，焓和含湿量都增加，温度近似不变。空气的状态变化是等温加湿增焓过程，

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在h-d图上可表示为A→F的变化过程，其??蒸汽（steam）温度。

?h?2500?1.84ts, ts是水?d ⑸等焓加湿处理

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，焓值不变。空气的状态变化是等焓加湿降温过程，在h-d图上可表示为A→E的变化

?h过程，其???0。

?d ⑹等焓减湿处理

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又使得空气温度升高，只是减少了水带走的液体热，因此近似认为其焓值基本不变。空气的状态变化是等焓减湿升温过程，在h-d图上可表示为A→G的变化

?h过程，其???0。

?d

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Qc?。为消除室内余热余湿，保持室内空气状态为N，送入的空余湿量为Mw?和余湿M?后，由状?，其状态为S。送入室内的空气吸收热Q气量为Mscw态S(hS, dS)变化到室内状态N(hN, dN)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

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??M?h?Q?h (6-1) 全热平衡 MsscsR?Qc? (6-2) Ms?hR?hs

??M?ct?Q?ct (6-3) 显热平衡 Mspsc.sspR?Qc.s? (6-4) Ms?cp(tR?ts)

?d?10?3?M??M?d?10?3 (6-5) 湿平衡 MssWsR?1000MW? (6-6) Ms?dR?ds由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

?Q1000(hR?hS) (6-7) ??c??dR?dSMw

2.夏季送风状态及送风量

?，余湿M?，室内状态点为R(h, d), 已知余热QcwNN?Q⑴求??c

?Mw⑵在h-d图上（图6-2），找出室内状态点R(hN, dN),过R点作

?Q??c的角系数线。

?Mw⑶选送风温差Δts

只要再知道hS, tS, dS之一就可在ε线上确定送风状态点S。 工程上常根据送风温差?ts?tR?tS来确定S点。

显然Δts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≤5m时，Δts不宜大于10℃，送风口高度＞5m，Δts不宜大于15℃。对工艺性空调，按下表确定。

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送风温差与换气次数 室温允许波动范围(℃) >±1.0 ±1.0 ±0.5 ±0.1~0.2 送风温差Δts(℃) 换气次数n(次/h) ≤15 6~10 5(高大房间除外) 3~6 8 2~3 12（工作时间不送风的除外） 目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)。

图6-2 送风状态的变化过程

⑷求送风温度ts，过ts作等温线与ε线交于S，点S即为送风状态点。

⑸送风状态点确定之后，送风量可按下式计算：

??Q1000McW? Ms??hR?hsdR?ds

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，有时甚至是负值。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℃。

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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≤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

?Qts?tR?h.s （6-9）

?cMsp?--室内显热热负荷(取正值)，kW。 式中 Qh.s

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，由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出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

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图6-28是串联型风机动力箱示意图。它由一套压力无关型变风量 装置和一台离心风机组合而成。

图6-28 串联型风机动力箱示意图

1-变风量装置 2-离心风机 RA-室内空气 其他符号同图6-27

一次风与吸入箱内的室内空气混合后，经风机送出。

一次风的风量根据室内温度进行控制，是变风量的；由动力箱送出的风量是恒定的，从而保证了室内气流分布稳定和温度分布的均匀性。

⑵并联型风机动力箱

一次风不经箱内风机，与风机并联，风机诱导室内空气。

如果在风机动力箱的风机出口端装上加热盘管(热水型或电热型)，即为再热型风机动力箱。

再热型风机动力箱可用于周边区在冬季时向室内供热，或用于在一次风最小风量时，出现房间温度过低时调节室温。

3.系统特点

⑴系统是变风量的，而室内送风是恒定的，避免了小负荷时VAV系统因送风量减小，带来的气流分布不稳定和温度分布不均的缺点。

⑵增加了箱内风机的能耗，同时带来了噪声。

⑶并联型动力箱：只在一次风量达到某一最小设定值时运行，从而使其不利影响减少。

⑷串联型动力箱：适用于低温送风空调系统，例如冰蓄冷的空调系统。这种系统送风温差大，风量小，弥补了风量小所带来的不利影响。

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6.7.3 双风道变风量系统

1．系统图

(a)

(b)

图6-29 双风道变风量系统

(a)双风道变风量系统原理图 (b)双风道变风量混合箱示意图

HSF-热风送风机 CSF-冷风送风机 VW-变风量混合箱 MVC-最小风量控制风门 VR-风量调节风门 MV-混合阀

TC-温度控制器 其余符号同图6-4

图6-29为双风道变风量系统及其末端装置的示意图。系统送出两种参数的空气：冷风和热风，通过设在每个房间或区域内的变风量混合箱送入室内。

2．混合箱的工作原理 如图中(b)所示。

当夏季室内冷负荷大时，混合阀VM使冷风口全开，热风口关闭。此时恒温控制器控制风量调节风门VR开大或关小。

随着冷负荷减小，风量调节风门VR关小，最终关闭；这时风量将由最小风量控制风门保证风量不小于设定的最小送风量。

若室内温度继续下降，恒温控制器将控制混合阀，使热风门开大，

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冷风门关小，以维持室内的温度。

由此可见：对于每一个房间或区域来说，在冷负荷较大时，按变风量运行；当风量下降到一定值时，按定风量、双风道方式运行。避免了单风道变风量系统在冷负荷很小时房间的送风量太少，气流不稳定和温度场不均匀的问题。

3．空气处理过程

图6-30 双风道变风量系统运行工况在h-d图上的表示

如图6-30所示。图中未表示风机和管道温升。图中Rl为房间1的室内状态点，该房间有较大冷负荷；R2为房间2室内状态点，该房间冷负荷小，保持最小送风量；R为系统的平均回风状态点。空气处理过程为：

4．调控方式

⑴冷风送风温度

通过调节表冷器的冷冻水流量或新回风的混合比来保持冷风的送风温度。

⑵热风送风温度

热风直接利用回风，当回风的热量不能满足需要时，投入热风管路上的加热盘管(热水或蒸汽作热媒)。

⑶风量

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图6-29(a)系统中3台风机都需按可能的最大风量选取。 冷风、热风送风机风量可按管路系统中的静压进行控制；

回风机风量通过测定送风量(冷、热风量之和)及回风量来控制。 对于寒冷地区，该系统的新风需设置预加热盘管(如图6-20)。

6.8 全空气系统中的空气处理机组

全空气系统中，对空气进行集中处理的设备称为空气处理机组，或称空调机组。

不带制冷机的空调机组主要有：组合式空调机组和整体式空调机组。 1．组合式空调机组

由各种功能的模块(称功能段)组合而成，用户可以根据自己的需要选取不同的功能段进行组合。

⑴结构形式

按水平方向进行组合称为卧式空调机组；按竖向迭置称为立式空调机组。

图6-31 卧式空调机组

图6-31为卧式空调机组的外形图。该机组由风机段、空气加热段、表冷段、空气过滤段、混合段等功能段所组成。

⑵特点

使用灵活方便，是目前应用比较广泛的一种空调机组。 2．整体式空调机组

在工厂中组装成一体，有固定的功能。 ⑴结构形式

有卧式和立式两种机型。 ⑵特点

机组结构紧凑，体型较小，适用于需要对空气处理的功能不多，机房面积较小的场合。

下面将介绍组合式机组中的各种功能段。

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6.8.1 空气过滤段

1．功能

是对空气的灰尘进行过滤。 2．分类

有初效过滤和中效过滤两种。

中效过滤段：通常用无纺布的袋式过滤器。

初效过滤段：有板式过滤器(多层金属网、合成纤维或玻璃纤维)和无纺布的袋式过滤器。袋式过滤器的过滤段长度比板式的长。

为便于定期对过滤器更换、清洗，有的可把过滤器从侧部抽出，有的在过滤段的上游功能段(如混合段)设检修门。

6.8.2 表冷器(冷却盘管)段

1．功能

用于空气冷却去湿处理。 2．结构

通常装有铜管套铝翅片的盘管。有4排、6排、8排管的冷却盘管可供用户选择。

表冷器迎面风速一般不大于2.5m/s。当迎面风速＞2.5m/s时，一般在表冷段的出风侧设有挡水板，以防止气流中夹带水滴。

为便于对表冷器进行维护，有的可把表冷器从侧部抽出，有的则在表冷段的上游功能段设检修门。

6.8.3 喷水室

1．定义

喷水室是利用水与空气直接接触对空气进行处理的设备。 2．功能

主要用于对空气进行冷却、去湿或加湿处理。 3．特点 ⑴优点

①改变水温即可改变对空气的处理过程，可实现冷却去湿、冷却加湿(降焓、等焓或增焓)、升温加湿等多种处理过程；

②水对空气还有净化作用。 ⑵缺点

喷水室体型大，约为表冷段的3倍；水系统复杂，且是开式的，易对金属腐蚀；水与空气直接接触，易受污染，需定期换水，耗水多。

目前在民用建筑中很少使用，主要用于有大湿度或对湿度控制要求

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