【導讀】andJohnson,1978,andDOE,1998).

　　

【正文】 22. 12 中文 譯文 空調系統 過去 50 年以來，空調得到了快速的發(fā)展，從曾經的奢侈品發(fā)展到可應用于大多數住宅和商業(yè)建筑的比較標準的系統。在 1970 年的美國， 36% 的住宅不是全空氣調節(jié)就是利用一個房間空調器冷卻；到 1997年，這一數字達到了 77%，在那年作的第一次市場調查表明，在美國有超過一半的住宅安裝了中央空調 (人口普查局 , 1999)。在 1998年， 83%的新建住宅安裝了中央空調 ( 人口普查局 , 1999)。中央空調在商業(yè)建筑物中也得到了快速的發(fā)展，從 1970年到 1995年，有空調的商業(yè)建筑物的百 分比從 54%增加到 73%(杰克森和詹森 ,1978)。 建筑物中的空氣調節(jié)通常是利用機械設備或熱交換設備完成 .在大多數應用中，建筑物中的空調器為維持舒適要求必須既能制冷又能除濕，空調系統也用于其他的場所，例如汽車、卡車、飛機、船和工業(yè)設備，然而，在本章中，僅說明空調在商業(yè)和住宅建筑中的應用。 商業(yè)的建筑物從比較大的多層的辦公大樓到街角的便利商店，占地面積和類型差別很大，因此應用于這類建筑的設備類型比較多樣，對于比較大型的建筑物，空調設備設計是總系統設計的一部分，這部分包括如下項目：例如一個管道系統設計，空 氣分配系統設計，和冷卻塔設計等。這些系統的正確設計需要一個有資質的工程師才能完成。居住的建筑物（即研究對象）被劃分成單獨的家庭或共有式公寓，應用于這些建筑物的冷卻設備通常都是標準化組裝的，由空調廠家進行設計尺寸和安裝。 本章節(jié)首先對蒸汽壓縮制冷循環(huán)作一個概述，接著介紹制冷劑及制冷劑的選擇，最后介紹 冷水機組 。 蒸汽壓縮循環(huán) 雖然空調系統應用在建筑物中有較大的尺寸和多樣性 ,大多數的系統利用蒸汽壓縮循環(huán)來制取需要的冷量和除濕，這個循環(huán)也用于制冷和冰凍食物和汽車的空調，在 1834年，一個名叫 帕金斯 的人在倫敦 獲得了機械制冷系統的第一專利權，在 1857年，詹姆士和 賽博 生產出第一個有活力的商業(yè)系統，除了蒸汽壓縮循環(huán)之外 , 有兩種不常用的制冷方法在建筑物中被應用 : 吸收式循環(huán)和蒸發(fā)式冷卻，這些將在后面的章節(jié)中講到。對于蒸汽壓縮制冷循環(huán)，有一種叫制冷劑的工作液體，它能在適當的工藝設備設計壓力下蒸發(fā)和冷凝。 13 每個蒸汽壓縮制冷系統中都有四大部件，它們是壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器。壓縮機提升制冷劑的蒸汽壓力以便使制冷劑的飽和溫度微高于在冷凝器中冷卻介質溫度，使用的壓縮機類型和系統的設備有關，比較大的電冷卻設備使用一個 離心式的壓縮機而小的住宅設備使用的是一種往復或漩渦式壓縮機。 冷凝器是一個熱交換器，用于將制冷劑的熱量傳遞到冷卻介質中，制冷劑進入冷凝器變成過冷液體，用于冷凝器中的典型冷卻介質是空氣和水，大多數住宅建筑的冷凝器中使用空氣作為冷卻介質，而大型系統的冷凝器中采用水作為冷卻介質。 液體制冷劑在離開冷凝器之后，在膨脹閥中節(jié)流到一個更低的壓力。膨脹閥是一個節(jié)流的裝置，例如毛細管或有孔的短管，或一個活動的裝置，例如熱力膨脹閥或電子膨脹閥，膨脹閥的作用是到蒸發(fā)器中分流制冷劑以便當它到壓縮物吸入口的時候 , 制冷劑處于過熱狀 態(tài)，在膨脹閥的出口，制冷劑的溫度在介質 (空氣或水 ) 的溫度以下。之后制冷劑經過一個熱交換器叫做蒸發(fā)器，它吸收通過蒸發(fā)器的空氣或水的熱量，如果空氣經過蒸發(fā)器在流通 ,該系統叫做一個直接膨脹式系統，如果水經過蒸發(fā)器在流通 ,它叫做冷卻設備，在任何情況下，在蒸發(fā)器中的制冷劑不直接和空氣或水接觸，在蒸發(fā)器中，制冷劑從一個低品位的兩相液體轉換成在正常的工藝條件下過熱的蒸汽。蒸汽的形成要以一定的足夠速度被壓縮機排出以維持在蒸發(fā)器中低壓和保持循環(huán)進行。 所有在生產中的機械冷卻產生的熱量必須經過冷凝器散發(fā)，在許多例子中，在冷凝器中這個熱能被直接散發(fā)到環(huán)境的空氣中或間接地散發(fā)到一個冷卻塔的水中。在一些應用中，利用這些廢熱向建筑物提供熱量是可能的，回收這些最高溫度為 65℃ (150176。 F)的廢熱可以減少建筑物中采暖的費用。 空調的制冷能力常用冷噸或千瓦 (千瓦 ) 來表示，冷噸是一個度量單位，它與制冰廠在 24小時內使 1噸 (907 公斤 )的水結冰的能力有關，其值是 (12,000 Btu/hr)，空調的冷卻能力不要和產生冷量所需的電能相互混淆。 制冷劑的使用和選擇 直到 20世紀 80年代中葉，制冷劑的選擇在大多數的建筑 物空調設備中不是一個問題，因為在制冷劑的使用上還沒有統一的的標準，在以前，用于建筑物空調設備的大多數制冷劑是氟氯碳化物和氟氯碳氫化物，且大多數的制冷劑是無毒的和不可燃的，然而，最近的美國聯邦的標準 (環(huán)保署 1993a；環(huán)保署 1993b) 和國際的協議 (UNEP,1987) 已經限制了氟氯碳化物和氟氯碳氫化物的制造和使用，現在，氟氯碳化物和氟氯碳氫化物在一些場合依然被使用，對制冷劑的理解能幫助建筑物擁有者或者工程師更好的了解 14 關于為特定的設備下如何選擇制冷劑，這里將討論不同制冷劑的使用并給出影響它們使用的 建筑空調設備和標準。 美國社會的供暖、制冷和空調工程師學會 (ASHRAE)有一個標準的限制系統 (表 )用來區(qū)分制冷劑，許多流行的氟氯碳化物，氟氯碳氫化物和氟碳化物的制冷劑是在甲烷和乙烷的制冷劑系列中，因為鹵素元素的存在他們被叫作碳化鹵或鹵化的碳化氫，例如氟或氯。 Zeotropes 和 azeotropes 是混合二種或更多不同的制冷劑，一種 zeotropic混合物能改變飽和溫度在它在不變的壓力蒸發(fā) ( 或冷凝 )。這種現象被稱溫度的移動，在大氣壓力下， R407 C的沸點 (沸騰 )是 – 44 176。 C(– 47176。 F)和一個凝結點 (露點 )是 – 37176。C(– 35176。 F), 產生了 7176。 C的溫度移動 (12176。 F)，一個 azeotropic 混合物的性能像單獨成份制冷劑那樣，它在不變的壓力下蒸發(fā)或冷凝它們的飽和溫度不會有少許變化。 R410有微小的足夠溫度滑動 (少于 C,10176。 F)，可以認為接近 azeotropic混合制冷劑。 ASHRAE組制冷劑 (表 )根據它們的毒性和易燃性 (ASHRAE,1994)劃分的。 A1組合是不燃燒的和最沒有毒的，而 B3組是易燃的和最有毒的，以空氣為媒介的制冷 劑最高安全限制是毒性，如果制冷劑在少于每百萬分之 400是無毒的，它是一個 A級制冷劑，如果對泄露少于每百萬分之 400是有毒的 ,那么該物質被稱 B級制冷劑，這幾個級別表示制冷劑的易燃性，表 的最后一欄列出了常用的制冷劑的毒性和易燃的等級。因為他們是無毒的和不燃燒的 , 所以在 A1組中制冷劑通常作為理想的制冷劑能基本滿足舒適性空調的需求。在 A1中的制冷劑通常用在建筑空調設備方面的，包括 R11， R12， R22，R134a,和 R410A。 R11， R12， R123和 R134a是普遍用在離心 式的冷卻設備的制冷劑，R11，氟氯碳化物 , 和 R123, HCFC, 都有低壓高容積特性，是用在離心式壓縮機上的理想制冷劑。在對氟氯碳化物的制造的禁令頒布之前 , R11和 R12已經是冷卻設備的首選制冷劑，在已存在的系統維護中，現在這兩種制冷劑的使用已經被限制，現在， R123 和 R134a都廣泛的用在新的冷卻設備中。 R123擁有的效率優(yōu)勢在 R134a之上 (表 )。然而， R123有 B1安全等級，這就意謂它有一個比較低的毒性而勝于 R134a，如果一個使用 R123冷卻設備在一 棟建筑物中被用，當使用這些或任何其他有毒的或易燃的制冷劑時候，標準 15(ASHRAE,1992) 提供安全預防的指導方針。 制冷劑 22 屬于 HCFC，在多數的相同設備中被用，也是在多數往復和螺旋式冷卻設備和小型商業(yè)和住宅的集中式設備中的首選制冷劑，它可以在一個更高的壓力下運行，這一點要優(yōu)于 R11或 R12中的任何一個。從 2020開始， HCFCs的制造將會受到限制。在 15 2020年， R22不能在新的空調設備中被使用。 2020年之后， R22不允許生產 (環(huán)保署 ,1993b)。 R407C和 R410A是 HFCs的兩種混合物，兩者都是 R22的替代品， |R407C預期將很快地替換 R22，在空調設備中，它的蒸發(fā)和冷凝壓力接近 R22 (表格 )。然而，用R407C來替換 R22應該在和設備制造者商議之后才能進行，至少潤滑油和膨脹裝置將需要更換。在 1998年，第一個使用 R410A的空調設備的住宅在美國出現。使用 R410A的系統運作中，壓力大約比 R22高 50% (表 )；因此， R410A不能夠用于當作速凍制冷劑來替代 R22。 R410A系統利用特定的壓縮機，膨脹閥和熱交換器來利用該制 冷劑 . 氨廣泛地被在工業(yè)的冷卻設備和氨水吸收式制冷中用，它具有可燃性并且分毒性等級為 B，因此在商業(yè)建筑物中使用受到限制，除非冷卻設備的制造工廠獨立于被冷卻的建筑物之外。作為制冷劑，氨有許多良好的品質，例如，它有較高的比熱和高的導熱率，它的蒸發(fā)焓通常比那普遍使用的鹵化碳高 6到 8倍，而且氨和鹵化碳比較來看，它能提供更高的熱交換量，而且它能用在往復式和離心式壓縮機中。 天然制冷劑的使用 , 例如二氧化碳 (R744) 和碳化氫在空調和制冷系統中的使用正在研究之中，二氧化碳能在高于傳統的 HCFCs或 HFCs的壓力下 工作和在超過臨界點的典型的空調設備中工作。人們通常認為碳化氫制冷劑易燃且比較危險，但它在傳統的壓縮機中和有的工業(yè)設備中都可以被使用。 R290, 丙烷 , 都有接近 R22的工作壓力，并被推薦來替代 R22 (Kramer, 1991)。目前，在美國沒有用二氧化碳或可燃的制冷劑的商業(yè)系統用于建筑部門。 冷水機組 1995 年，在美國，冷水機組應用在至少 4％的商用建筑中。而且，由于制冷機組通常安裝在較大的建筑中，在同一年里，制冷機組冷卻了多于 28％的商用建筑的地板空間（ DOE， 1998）。在商用建筑中普遍采 用五種型式的制冷機：往復式、螺桿式、旋渦式、離心式和吸收式。前四種利用蒸汽壓縮式循環(huán)來制得冷凍水。它們的不同主要在于使用的壓縮機種類的不同。吸收式制冷機在吸收循環(huán)中利用熱能（典型的是來自蒸汽或燃料燃燒）并利用氨－水或水－鋰溴化物制得冷凍水。 總的系統 大約 86％的制冷機和表所示的一樣用在多臺制冷機系統中（ Bitondo 和 Tozzi，1999）。在冷凍水系統中，建筑物的回水通過每個蒸發(fā)器循環(huán)流動，在蒸發(fā)器中，回水被冷卻到合意的溫度（典型的為 4～ 7℃－）（ 39～ 45℉）。然后，冷凍水通過各設備 16 傳送到水－空 氣換熱器。在換熱器中，空氣被冷凍水冷卻和加濕。在這個過程中，冷水的溫度升高，然后必須回送到蒸發(fā)器中。 制冷機組是冷水機組。水通過每個機組的冷凝器循環(huán)，在冷凝器中，水吸收了來自高壓制冷劑的熱量。接著，水用水泵打到冷卻塔中，水通過蒸發(fā)而降溫。冷卻塔將在后一部分講述。冷凝器也可以是空冷式的。在這種循環(huán)中，冷凝器應是制冷劑－空氣熱交換器，空氣吸收來自高壓制冷劑的熱量。 制冷機組名義制冷量為 30～ 18000kw（ 8～ 5100tons）。在美國，出售的大部分制冷機組是用電的，利用蒸汽壓縮制冷循環(huán)來制得冷凍水。在設計中， 這種系統所使用的壓縮機也有往復式、螺桿式、旋渦式和離心式。一小部分的離心式制冷機利用內燃機或蒸汽機代替電來啟動壓縮機。 在建筑中所使用的制冷機組類型根據應用場所來確定。對于大的辦公室建筑或制冷機組需服務于多個建筑時，通常使用離心式壓縮機。在所需制冷量小于 1000kw（ 280tons）時，使用往復式或螺桿式制冷機組較合適。在小的應用場合，若低于 100kw（ 30tons）時，使用往復式或旋渦式制冷機組。 蒸汽壓縮式制冷機 四種電啟動的蒸汽壓縮式制冷機組的名義制冷量范圍。每種制冷機以所使用的壓縮機類型來命名 。各種系統的制冷能力范圍從最小的旋渦式（ 30kw， 8tons）到最大的離心式（ 18000kw， 5000tons）。制冷機可使用 HCFCs（ R22， R123） 或 HFCs（ R－ 134a）制冷劑。制冷機的效率通常用輸入功（用 kw表示）與制冷量（用 tons 表示）的比值表示。 1tons 的制冷量等于 或 1200btu／ h。用這種方法衡量效率，其數值越小越好。離心式制冷機的效率最高。而往復式是這四種類型中效率最低的。表中所提供的效率是根據 ASHRAE Standard30（ ASHRAE， 1995）在穩(wěn)定狀態(tài)下測 得滿負荷時的效率，這些效率中不包括輔助設備的能耗，比如泵，冷卻塔的風機，而這些設備可以增加 ～ 制冷機組在大部分時候是在部分負荷下運行的。只有在建筑物的最高熱負荷時，制冷機才在額定制冷量附近運行。知道制冷機在部分負荷下效率是怎樣變化的，這是很重要的。圖 給出了往復式、螺桿式、旋渦式、帶葉片控制的離心式制冷機組、壓縮機頻繁啟動的制冷機組在滿負荷時的百分比下相應的效率（用 kw/ton 表示）。往復式制冷機在占滿負荷較小的百分比運行時，效率增加。相反地，帶葉片控制的離心式的效率在負 荷為額定負荷的 60％以后是基本不變的 ,它的 kw/ton值隨百分