综合办公楼空调系统设计说明书

综合办公楼空调系统设计说明书空调系统过去 50 年以来，空调得到了快速的发展，从曾经的奢侈品发展到可应用于大多数住宅和商业建筑的比较标准的系统。

在 1970 年的美国， 36% 的住宅不是全空气调节就是利用一个房间空调器冷却；到1997年，这一数字达到了 77%，在那年作的第一次市场调查表明，在美国有超过一半的住宅安装了中央空调 (人口普查局, 1999)。

在1998年，83%的新建住宅安装了中央空调 ( 人口普查局, 1999)。

中央空调在商业建筑物中也得到了快速的发展，从 1970年到1995年，有空调的商业建筑物的百分比从54%增加到 73%(杰克森和詹森,1978)。

建筑物中的空气调节通常是利用机械设备或热交换设备完成.在大多数应用中，建筑物中的空调器为维持舒适要求必须既能制冷又能除湿，空调系统也用于其他的场所，例如汽车、卡车、飞机、船和工业设备，然而，在本章中，仅说明空调在商业和住宅建筑中的应用。

商业的建筑物从比较大的多层的办公大楼到街角的便利商店，占地面积和类型差别很大，因此应用于这类建筑的设备类型比较多样，对于比较大型的建筑物，空调设备设计是总系统设计的一部分，这部分包括如下项目：例如一个管道系统设计，空气分配系统设计，和冷却塔设计等。

这些系统的正确设计需要一个有资质的工程师才能完成。

居住的建筑物（即研究对象）被划分成单独的家庭或共有式公寓，应用于这些建筑物的冷却设备通常都是标准化组装的，由空调厂家进行设计尺寸和安装。

本章节首先对蒸汽压缩制冷循环作一个概述，接着介绍制冷剂及制冷剂的选择，最后介绍冷水机组。

1.1 蒸汽压缩循环虽然空调系统应用在建筑物中有较大的尺寸和多样性,大多数的系统利用蒸汽压缩循环来制取需要的冷量和除湿，这个循环也用于制冷和冰冻食物和汽车的空调，在1834年，一个名叫帕金斯的人在伦敦获得了机械制冷系统的第一专利权，在1857年，詹姆士和赛博生产出第一个有活力的商业系统，除了蒸汽压缩循环之外 , 有两种不常用的制冷方法在建筑物中被应用: 吸收式循环和蒸发式冷却，这些将在后面的章节中讲到。

对于蒸汽压缩制冷循环，有一种叫制冷剂的工作液体，它能在适当的工艺设备设计压力下蒸发和冷凝。

每个蒸汽压缩制冷系统中都有四大部件，它们是压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器。

压缩机提升制冷剂的蒸汽压力以便使制冷剂的饱和温度微高于在冷凝器中冷却介质温度，使用的压缩机类型和系统的设备有关，比较大的电冷却设备使用一个离心式的压缩机而小的住宅设备使用的是一种往复或漩涡式压缩机。

冷凝器是一个热交换器，用于将制冷剂的热量传递到冷却介质中，制冷剂进入冷凝器变成过冷液体，用于冷凝器中的典型冷却介质是空气和水，大多数住宅建筑的冷凝器中使用空气作为冷却介质，而大型系统的冷凝器中采用水作为冷却介质。

液体制冷剂在离开冷凝器之后，在膨胀阀中节流到一个更低的压力。

膨胀阀是一个节流的装置，例如毛细管或有孔的短管，或一个活动的装置，例如热力膨胀阀或电子膨胀阀，膨胀阀的作用是到蒸发器中分流制冷剂以便当它到压缩物吸入口的时候,制冷剂处于过热状态，在膨胀阀的出口，制冷剂的温度在介质(空气或水) 的温度以下。

之后制冷剂经过一个热交换器叫做蒸发器，它吸收通过蒸发器的空气或水的热量，如果空气经过蒸发器在流通,该系统叫做一个直接膨胀式系统，如果水经过蒸发器在流通,它叫做冷却设备，在任何情况下，在蒸发器中的制冷剂不直接和空气或水接触，在蒸发器中，制冷剂从一个低品位的两相液体转换成在正常的工艺条件下过热的蒸汽。

蒸汽的形成要以一定的足够速度被压缩机排出以维持在蒸发器中低压和保持循环进行。

所有在生产中的机械冷却产生的热量必须经过冷凝器散发，在许多例子中，在冷凝器中这个热能被直接散发到环境的空气中或间接地散发到一个冷却塔的水中。

在一些应用中，利用这些废热向建筑物提供热量是可能的，回收这些最高温度为65℃(150°F)的废热可以减少建筑物中采暖的费用。

空调的制冷能力常用冷吨或千瓦 (千瓦) 来表示，冷吨是一个度量单位，它与制冰厂在 24小时内使1吨 (907 公斤)的水结冰的能力有关，其值是3.51千瓦 (12,000 Btu/hr)，空调的冷却能力不要和产生冷量所需的电能相互混淆。

2.1 制冷剂的使用和选择直到20世纪80年代中叶，制冷剂的选择在大多数的建筑物空调设备中不是一个问题，因为在制冷剂的使用上还没有统一的的标准，在以前，用于建筑物空调设备的大多数制冷剂是氟氯碳化物和氟氯碳氢化物，且大多数的制冷剂是无毒的和不可燃的，然而，最近的美国联邦的标准 (环保署 1993a；环保署 1993b) 和国际的协议(UNEP,1987) 已经限制了氟氯碳化物和氟氯碳氢化物的制造和使用，现在，氟氯碳化物和氟氯碳氢化物在一些场合依然被使用，对制冷剂的理解能帮助建筑物拥有者或者工程师更好的了解关于为特定的设备下如何选择制冷剂，这里将讨论不同制冷剂的使用并给出影响它们使用的建筑空调设备和标准。

美国社会的供暖、制冷和空调工程师学会(ASHRAE)有一个标准的限制系统 (表4.2.1)用来区分制冷剂，许多流行的氟氯碳化物，氟氯碳氢化物和氟碳化物的制冷剂是在甲烷和乙烷的制冷剂系列中，因为卤素元素的存在他们被叫作碳化卤或卤化的碳化氢，例如氟或氯。

Zeotropes 和 azeotropes 是混合二种或更多不同的制冷剂，一种zeotropic混合物能改变饱和温度在它在不变的压力蒸发 ( 或冷凝)。

这种现象被称温度的移动，在大气压力下，R-407 C的沸点(沸腾)是–44 °C(– 47° F)和一个凝结点 (露点)是–37°C(–35°F), 产生了7°C的温度移动 (12°F)，一个 azeotropic 混合物的性能像单独成份制冷剂那样，它在不变的压力下蒸发或冷凝它们的饱和温度不会有少许变化。

R-410有微小的足够温度滑动 (少于5.5 C,10°F)，可以认为接近azeotropic混合制冷剂。

ASHRAE组制冷剂(表4.2.2)根据它们的毒性和易燃性(ASHRAE,1994)划分的。

A1组合是不燃烧的和最没有毒的，而B3组是易燃的和最有毒的，以空气为媒介的制冷剂最高安全限制是毒性，如果制冷剂在少于每百万分之400是无毒的，它是一个A级制冷剂，如果对泄露少于每百万分之400是有毒的,那么该物质被称B级制冷剂，这几个级别表示制冷剂的易燃性，表 4.2.1 的最后一栏列出了常用的制冷剂的毒性和易燃的等级。

因为他们是无毒的和不燃烧的 , 所以在A1组中制冷剂通常作为理想的制冷剂能基本满足舒适性空调的需求。

在A1中的制冷剂通常用在建筑空调设备方面的，包括 R-11，R-12，R-22，R-134a,和R-410A。

R-11，R-12，R-123和R-134a是普遍用在离心式的冷却设备的制冷剂，R-11，氟氯碳化物, 和R-123, HCFC, 都有低压高容积特性，是用在离心式压缩机上的理想制冷剂。

在对氟氯碳化物的制造的禁令颁布之前, R-11和R-12已经是冷却设备的首选制冷剂，在已存在的系统维护中，现在这两种制冷剂的使用已经被限制，现在，R-123 和 R-134a都广泛的用在新的冷却设备中。

R-123拥有的效率优势在R-134a之上 (表 4.2.3)。

然而，R-123有 B1安全等级，这就意谓它有一个比较低的毒性而胜于R-134a，如果一个使用R-123冷却设备在一栋建筑物中被用，当使用这些或任何其他有毒的或易燃的制冷剂时候，标准 15(ASHRAE,1992) 提供安全预防的指导方针。

制冷剂22 属于HCFC，在多数的相同设备中被用，也是在多数往复和螺旋式冷却设备和小型商业和住宅的集中式设备中的首选制冷剂，它可以在一个更高的压力下运行，这一点要优于R-11或R-12中的任何一个。

从2004开始，HCFCs的制造将会受到限制。

在2010年，R-22不能在新的空调设备中被使用。

2020年之后，R-22不允许生产(环保署,1993b)。

R-407C和R-410A是 HFCs的两种混合物，两者都是R-22的替代品，|R-407C预期将很快地替换R-22，在空调设备中，它的蒸发和冷凝压力接近R-22 (表格4.2.3)。

然而，用R-407C来替换R-22应该在和设备制造者商议之后才能进行，至少润滑油和膨胀装置将需要更换。

在1998年，第一个使用R-410A的空调设备的住宅在美国出现。

使用R-410A的系统运作中，压力大约比R-22高50% (表 4.2.3)；因此，R-410A不能够用于当作速冻制冷剂来替代 R-22。

R-410A系统利用特定的压缩机，膨胀阀和热交换器来利用该制冷剂.氨广泛地被在工业的冷却设备和氨水吸收式制冷中用，它具有可燃性并且分毒性等级为B，因此在商业建筑物中使用受到限制，除非冷却设备的制造工厂独立于被冷却的建筑物之外。

作为制冷剂，氨有许多良好的品质，例如，它有较高的比热和高的导热率，它的蒸发焓通常比那普遍使用的卤化碳高6到8倍，而且氨和卤化碳比较来看，它能提供更高的热交换量，而且它能用在往复式和离心式压缩机中。

天然制冷剂的使用, 例如二氧化碳 (R-744) 和碳化氢在空调和制冷系统中的使用正在研究之中，二氧化碳能在高于传统的HCFCs或HFCs的压力下工作和在超过临界点的典型的空调设备中工作。

人们通常认为碳化氢制冷剂易燃且比较危险，但它在传统的压缩机中和有的工业设备中都可以被使用。

R-290, 丙烷, 都有接近R-22的工作压力，并被推荐来替代R-22 (Kramer, 1991)。

目前，在美国没有用二氧化碳或可燃的制冷剂的商业系统用于建筑部门。

3.1冷水机组1995年，在美国，冷水机组应用在至少4％的商用建筑中。

而且，由于制冷机组通常安装在较大的建筑中，在同一年里，制冷机组冷却了多于28％的商用建筑的地板空间（DOE，1998）。

在商用建筑中普遍采用五种型式的制冷机：往复式、螺杆式、旋涡式、离心式和吸收式。

前四种利用蒸汽压缩式循环来制得冷冻水。

它们的不同主要在于使用的压缩机种类的不同。

吸收式制冷机在吸收循环中利用热能（典型的是来自蒸汽或燃料燃烧）并利用氨－水或水－锂溴化物制得冷冻水。

3.2总的系统大约86％的制冷机和表所示的一样用在多台制冷机系统中（Bitondo和Tozzi，1999）。

在冷冻水系统中，建筑物的回水通过每个蒸发器循环流动，在蒸发器中，回水被冷却到合意的温度（典型的为4～7℃－）（39～45℉）。

然后，冷冻水通过各设备传送到水－空气换热器。

在换热器中，空气被冷冻水冷却和加湿。

在这个过程中，冷水的温度升高，然后必须回送到蒸发器中。