第11章 建筑设备与空调系统节能.docx

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第11章建筑设备与空调系统节能

第十一章建筑设备与空调系统节能

第一节泵与风机及其能效

一、泵与风机的分类和工作原理

根据泵产生的压力大小，可以将水泵分为三类：

低压泵（压力在2MPa以下）、中压泵（压力在2～6MPa）、高压泵（压力在6MPa以上）。

二、泵与风机的能效

（22-1）

（22-2）

1．机械损失和机械效率

（22-3）

2．容积损失和容积效率

图11-3泵容积损失分析图

a）叶轮入口和级间的泄漏示意图；b）分段式多机泵的平衡装置

（11-4）

（11-5）

3．流动损失和流动效率

1）摩擦损失和局部损失

2）冲击损失

（11-6）

4．泵与风机的总效率

（11-7）

三、提高泵与风机能效的方法

四、泵与风机的运行与建筑节能

一般的节能措施有：

①更新和改造，用高效率泵与风机替代原有的效率比较低的泵与风机。

②选择水泵或风机特性与系统特性匹配。

管网特性曲线尽量通过效率的最高点，对于流动特性变化比较大的管网系统，应尽量选择效率曲线平坦型的水泵。

③在主要管路上安装检测计量仪表。

例如，在水管路上安装电磁流量计或超声波流量计以及温度计，结合楼宇自控系统，能够掌握水泵是否工作在特性曲线的经济区。

④切削叶轮、减小直径。

如果所选水泵的流量和扬程远大于实际需求，最简单的方法就是减少叶轮的直径，从而减小轴功率。

但是这种方法只适用于扬程比较稳定的系统。

⑤调节入口导叶，从而改变水泵或风机的流量压力曲线。

入口导叶调节范围较宽、所花代价小、有较高的经济性，并可实现自动调节，因此被广泛采用。

；

；

；

（11-8）

第二节锅炉及其能效

一、锅炉的种类及其工作原理

锅炉的工作包括三个同时进行着的过程：

燃料燃烧的过程，包括燃料的输送、燃烧和燃烧后的灰渣清除（针对固体燃料）；空气的助燃过程，包括空气的输配、助燃和烟气的处理排放；传热过程，包括炉膛向水冷璧传热、烟气向对流管束传热、以及水的加热和汽化过程（针对蒸汽锅炉）。

二、锅炉的能效

1．锅炉效率的定义

锅炉的热效率是锅炉的重要技术经济指标，它表明锅炉设备的完善程度和运行管理的水平。

燃料是重要能源之一，提高锅炉热效率以节约燃料，是锅炉运行管理的一个重要方面。

图11-4锅炉热平衡示意图

锅炉的热平衡的公式可写为：

（11-9）

（11-10）

（11-11）

（11-12）

（11-13）

锅炉效率：

（11-14）

（11-15）

三、锅炉效率的测定方法

锅炉的热效率可以用热平衡实验方法测定，测定方法有正平衡实验和反平衡实验两种，

1．正平衡法

（11-16）

（11-17）

（11-18）

（11-19）

2．反平衡法

（11-20）

四、锅炉的运行与建筑节能

锅炉运行的节能方法表22-1

分类

具体的措施

减小排烟损失

加大传热面积

加装省煤器、空气预热器

降低蒸汽压力、热水温度

减少燃烧用空气量

减小散热损失

充分有效的保温措施

在停止燃烧时减少排烟量

减少给水系统的热损失

排污水的热回收

凝结水的回水利用

加装热水加热器

控制

热水回水的控制

台数控制

维修、运行、管理

余（蓄）热的利用

传热管壁积灰的消除（检查排烟温度）

检查空气比

，充分利用锅炉自身产生的各种余热是提高锅炉能效的重要措施，余热的利用主要包括以下三个方面。

1．燃料及炉膛的余热利用

2．排污水的余热利用

本、提高锅炉运行经济性的有效措施。

3．烟气的余热利用

图11-5燃油燃气锅炉加装节能器的示意图

第三节制冷机及其能效

一、制冷机的种类和工作原理

根据工作原理，制冷机可分为：

压缩式制冷机、吸收式制冷机、蒸气喷射式制冷机、半导体制冷机。

1．压缩式制冷机

2．吸收式制冷机

二、制冷机的能效

1．性能系数（CoefficientofPerformance,COP）

（11-21）

2．能效比（EnergyEfficiencyRatio，EER）

（11-22）

3．综合部分负荷值（IntegratedPartialLoadValue,IPLV）

（20-23）

（11-24）

4．非标准部分负荷值（NonstandardPartialLoadValue,NPLV）

三、提高冷水机组（热泵）能效的方法及运行节能

1．提高制冷机的运行负荷率

2．合理调节蒸发温度和冷凝温度

3．减小机组水侧污垢热阻（污垢系数）

第四节电梯及其能效

一、电梯的种类

按用途分类有，乘客电梯：

为运送乘客而设计的电梯；载货电梯：

为运送货物而设计的电梯；客货（两用）电梯：

以运送乘客为主，但也可运送货物的电梯；杂物电梯：

只运送杂物不允许人员进入的电梯；住宅电梯：

为供住宅楼使用而设计的电梯；船用电梯：

供船舶上安装使用的电梯；汽车用电梯：

为运送汽车而设计的电梯；观光电梯：

供乘客观光的轿厢壁透明的电梯；病床电梯：

为医院运送病床而设计的电梯；其他电梯：

包括冷库电梯、建筑电梯、矿井电梯等。

按拖动方式分类有，交流电梯：

交流电动机拖动的电梯；直流电梯：

直流电动机拖动的电梯；液压电梯：

靠液压传动的电梯；齿轮齿条式电梯：

靠齿轮齿条传动的电梯。

按电梯速度分类有，低速电梯：

速度为1m/s及以下的电梯；快速电梯：

速度大于1m/s而小于2m/s的电梯；高速电梯：

速度在2～3m/s的电梯；超高速电梯：

速度超过3m/s的电梯。

按控制方式分类有，手柄开关控制电梯：

由司机用手柄操纵电梯的起动、运行和平层进行控制的电梯；按钮控制电梯：

一种具有简单自动控制方式的电梯，具有自动平层功能；信号控制电梯：

一种自动控制程度较高的有司机电梯；集选控制电梯：

有/无司机操纵的电梯；并联控制电梯：

2或3台电梯的厅外召唤信号并联共用，电梯具有集选功能；梯群控制电梯：

多台电梯集中排列，共用厅外召唤按钮，按规定程序和客流量的变化由电脑集中调度和控制电梯。

按有无减速装置分类有，无齿轮电梯：

曳引机由曳引轮和制动轮组成，由电动机直接连接，用于高速电梯；有齿轮电梯：

曳引机由曳引轮、减速箱和制动轮组成，通过齿轮减速箱与电动机连接，用于低速和快速电梯；

按操作方式分类有，无司机电梯；有司机电梯；有/无司机电梯。

按驱动方式分类有，液压式电梯；曳引式电梯；螺旋式电梯；爬轮式电梯。

按有无机房分类有，有机房电梯；无机房电梯。

二、电梯的工作原理

三、电梯的能效评价方法

综合考虑上述因素，通常采用“能效指数”综合评价电梯产品在能源效率方面的性能指标。

电梯能效指数的定义为电梯运送载荷所做的功与能耗的比值。

更严谨的定义为：

在电梯工作周期内，轿厢运送有效载荷完成的工作量（所运送的载荷重量与被移动的垂直距离之乘积）与在此运行周期内该电梯所耗费电能的比值。

依据检测检验得到的能效指数值。

可将电梯产品分为5个等级：

等级1——表示最为节电，达到国际先进水平；

等级2——表示比较节电，达到国内先进水平；

等级3——表示能源效率为产品平均水平；

等级4——新产品准入门槛；

等级5——属限制、淘汰产品。

四、电梯的运行与建筑节能

五、提高电梯能效的方法

提高电梯能效的方法可以分为两类，一类是从调节电梯配置情况和运行效率上着手，另一类是从调节电机拖动系统上着手。

1．调节电梯的配置

2．调节电机拖动系统

第五节三“变”技术

一、VAV空调系统

1．VAV空调系统的概念和特点

变风量空调系统是全空气空调系统的一种，它是通过改变送风量（也可调节送风温度）来控制某一空调区域温度的一种空调系统。

该系统是通过变风量末端装置调节送入房间的风量，并相应调节空调机的风量来适应该系统的风量需求。

变风量空调系统可根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变，自动调节空调送风量（达到最小送风量时调节送风温度），以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求。

同时根据实际送风量自动调节送风机的转速，最大限度的减小风机动力，节约能量。

一般地讲VAV空调系统有以下特点：

（1）变风量系统属于全空气系统，没有风机盘管的凝水问题和霉变问题；

（2）能实现局部区域（房间）的灵活控制，可根据负荷的变化或个人舒适要求自动调节各房间的送入能量，在考虑同时使用系数的情况下空调器总装机容量可减少10%～30%左右；

（3）可以消除或减小再热量，室内无过热过冷现象，由此可减少空调负荷15%～30%左右；

（4）部分负荷运转时可大大降低风机能耗，据模拟计算，全年平均空调负荷率为60%时，VAV空调系统（变静压法控制）可节约风机动力78%。

（5）系统的灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑。

2．VAV空调系统的组成

（1）末端装置

图20-1VAV装置原理图

（2）系统控制器

（3）变频风机

3．VAV空调系统的控制

二、VRV空调系统

1．VRV空调系统的概念和组成

变制冷剂流量空调系统是制冷剂流量可自动调节的一大类直接蒸发式空调设备的总称。

图20-2室内外机组合示意图

2．VRV空调系统的压缩机技术

图20-3蜗旋式压缩机工作原理

3．VRV空调系统的节能

VRV空调系统的节能性表现在以下几个方面：

（1）空调系统在全年的绝大部分时间里是处于部分负荷运行状态，常规空调在设计时是按照设计负荷选定的制冷设备，在非额定工况下，制冷机COP值较低，而VRV空调产品在部分负荷下运行时也有较高的COP值，

（2）VRV空调系统中，不同的房间可以设定不同的温度，以满足不同使用者的要求，避免了集中控制造成的无效能源消耗，也提高了舒适水平

（3）空调系统直接以制冷剂作为传热介质，传送的热量约为水的10倍、空气的20倍，且不需用庞大的水管和风管系统，不但减少了耗材，节省了空间，还减小了输送耗能及冷媒输送中的能量损失。

三、VWV空调系统

图20-4一次泵水系统

a）一次泵定流量系统；b）分区一次泵定流量系统；c）一次泵变流量系统

。

图20-5二次泵水系统

a）定流量水系统；b）分区供水定流量水系统；c）台数控制变流量水系统

第六节除湿供冷

一、温湿度独立控制

图20-6除湿系统与常规制冷结合的复合式系统工作原理

图20-7空气处理过程

各种除湿技术比较表20-1

除湿方式

除湿原理

特点

冷凝除湿

将湿空气温度冷却至露点温度以下，凝结析出水蒸汽除湿。

冷冻水的温度很低，致使冷机运行效率较低；同时把干空气也冷到了同样低的温度，某些情况下还需要再热来满足送风温度的要求，造成能量的浪费；潮湿表面滋生和传播霉菌。

固体除湿

利用蒸汽压差，以固体吸附剂吸收空气中的水蒸汽。

常用的固体吸附剂有硅胶，活性炭，沸石（分子筛）、氧化铝凝胶等多孔材料，以及氯化锂晶体、高分子材料等可吸水盐类。

固体吸附除湿设备有固定式和转轮式两种，都是动态过程，期间混合损失大，效率低。

液体除湿

利用蒸汽压差，以液体吸附剂吸收空气中的水蒸汽。

常用的吸湿剂有溴化锂、氯化锂、氯化钙、乙二醇、三甘醇等溶液。

液体除湿消除了制冷剂对环境的破坏作用；可使用低温热源驱动，为低品位热源的利用提供了有效的途径。

能提高空气品质，消除潮湿表面，除尘，消毒灭菌等作用。

加压除湿

增加空气压力，使空气中的水蒸汽冷凝。

该方法压缩能耗大，不适合大容量的除湿。

膜除湿

利用特殊材料制成的膜，可以使空气中的水蒸汽从分压大处向分压小处转移，从而达到除湿的目的。

膜除湿根据膜两侧水蒸汽传递的推动力可分成压缩法、真空法、加热再生法等。

目前该技术对膜强度要求较高，能耗较大，成本高，离实际应用尚有一定距离。

二、除湿空调

1．固体除湿空调

图20-8转轮除湿器示意图

图20-9通风式干燥冷却系统

2．液体除湿空调系统

图20-10水冷式除湿器结构简图

图20-11交叉流型板式除湿器结构简图

3．复合式除湿空调系统

图20-12复合除湿空调系统简图

图20-13太阳能固体转轮式除湿制冷系统

第七节辐射供冷

一、辐射供冷的概念和空调系统组成

辐射供冷是指降低围护结构内表面中的一个或多个表面温度，形成冷辐射面，依靠辐射面与人体、家具和围护结构等其余表面的辐射热交换，以及辐射冷表面与室内空气对流换热，对房间进行降温的技术方法。

辐射供冷空调系统形式一般是辐射供冷与独立新风系统相结合，主要由冷源设备、新风处理机组、冷却盘管、送风口以及自动控制系统组成。

图20-14置换通风与辐射吊顶空调系统示意图

二、辐射供冷的节能性

（1）送风量的减少降低了输送空气的能量消耗。

（2）辐射供冷降低人体实感温度，减少了系统能耗。

（3）采用温湿度独立控制系统，提高了制冷设备的COP值。

三、辐射供冷空调的系统结构

图20-15几种典型辐射吊顶板

图20-16吊顶空调系统示意图

四、辐射供冷需要解决的问题

1．冷表面结露问题

2．初投资问题

3．吊顶冷却能力问题

第八节热回收

所谓热回收即回收建筑物内外的余热（冷）或废热（冷），并把回收的热（冷）量作为供热（冷）或其它加热设备的热源而加以利用。

建筑空调系统热回收的方式很多，按热回收的能量不同形式，可分为显热回收（heatrecovery）和全热回收（energyrecovery），按照热回收在空调系统中的不同位置，可分为排风热回收、建筑内区热回收和机组冷凝热量的回收等。

：

全热回收器的热回收效率表20-2

类型

送风效率

排风效率

显热效率

潜热效率

全热效率

表中　s——表示新风；

e——表示排风；

t1、d1、i1——进口新风干球温度（℃）、含湿量（g/kg）、焓值（kJ/kg）；

t2、d2、i2——通过全热交换器后新风的干球温度（℃）、含湿量（g/kg）、焓值（kJ/kg）；

t3、d3、i3——进口排风干球温度（℃）、含湿量（g/kg）、焓值（kJ/kg）；

t4、d4、i4——通过全热交换器后排风的干球温度（℃）、含湿量（g/kg）、焓值（kJ/kg）。

一、几种典型的排风热回收装置

排风热回收装置（air-to-airenergyrecoveryventilationequipment）利用空气-空气热交换器（air-to-airheatexchanger）来回收排风中的冷（热）能对新风进行预处理。

气-气热交换器是排风热回收装置的核心，按照热交换器的不同种类，常用的排风热回收方式有转轮式热回收、板翅式热回收、热管式热回收和盘管式热回收等。

1．转轮（回转）式热回收

图20-17转轮式全热回收器的构造原理图图20-18转芯细部结构

2．板翅式热回收

图20-19板翅式热交换器结构示意图

3．热管式热回收

图20-20热管用于直流系统热回收

4．盘管式热回收

图20-21盘管式换回收示意图

二、几种新型的空调热回收装置

1．分离式热管用于空调热回收系统

图20-22分离式热管构造图

图20-25冷热负荷相等时的平衡系统图20-26冷热负荷不等时的平衡系统

2．冷凝排热——相变蓄热热回收空调系统

图20-27冷凝排热—相变蓄热热回收空调系统

3．溶液式全热回收型新风机组

图20-28溶液式全热回收型新风机组

第九节蓄热和蓄冷

一、基本概念

热能储存（ThermalEnergyStorage，TES）是指在蓄能装置（蓄热器）内在充能和放能过程中发生的物理或化学过程。

蓄能装置包括储存容器（通常是隔热保温的）、储存介质、充能和放能及其他附属装置。

蓄能系统是指从能源提取能量充入蓄热器和从蓄热器释放能量，以及在许多情况下将其转换成需要的能量形式的方式。

图20-29上海市历年的电力高峰负荷和最大昼夜负荷峰谷差

蓄冷空调的蓄冷方式有两种：

一种是显热蓄冷，即蓄冷介质的状态不改变，降低其温度蓄存冷量；另一种是潜热蓄冷，即蓄冷介质的温度不变，其状态变化，释放相变潜热蓄存冷量。

根据蓄冷介质的不同，常用蓄冷系统又可分为三种基本类型：

第一类是水蓄冷，即以水作为蓄冷介质的蓄冷系统；第二类是冰蓄冷（IceStorage），即以冰作为蓄冷介质的蓄冷系统；再一类是共晶盐蓄冷，即以共晶盐作为蓄冷介质的蓄冷系统。

水蓄冷属于显热蓄冷，冰蓄冷和共晶盐蓄冷属于潜热蓄冷。

水的热容量较大，冰的相变潜热很高，而且都是易于获得的和廉价的物质，是采用最多的蓄冷介质，因此水蓄冷和冰蓄冷是应用最广的两种蓄冷系统。

二、蓄冰空调

1.蓄冰空调原理

蓄冷系统的有两种设计思路，即全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷。

图20-30全负荷蓄冷和部分负荷蓄冷示意图

a）全负荷蓄冷；b）部分负荷蓄冷

2．蓄冰空调设备

（1）冰盘管式（Ice-On-Coil）

（2）完全冻结式（TotalFreeze-Up）

（3）动态制冰（DynamicIce-Maker）

（4）冰球式（IceBall）

（5）共晶盐（EutecticSalt）

（6）冰晶或冰泥（Crystal Ice or IceSlurry）

3．蓄冰空调系统

蓄冰空调系统的制冷机组与蓄冰装置可以有多种组成。

基本上可以分为串联系统和并联系统两种。

串联系统有机组位于蓄冰装置的上游和机组位于蓄冰装置的下游两种形式；并联系统有单（板式）换热器系统和双（板式）换热器系统。

（1）串联系统

图20-31主机上游的串联系统

（2）并联系统

图20-32单板式换热器并联系统

图20-33双板式换热器并联系统