湿空气的物理性质及其焓湿图.docx

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湿空气的物理性质及其焓湿图

第一章湿空气的物理性质及其焓湿图

教学目的：

1.理解并掌握有关湿空气及描述其物理性质的概念：

压力、温度、含湿量、相对湿度、密度（比容）。

2.掌握湿空气焓湿图的组成，掌握其绘制方法。

3.掌握湿球温度和露点温度的概念和物理意义。

4.熟练掌握焓湿图的应用方法：

确定空气状态，空气状态变化过程线，空气的各种处理过程在i—d图上的表示，两种状态空气混合过程。

5.了解空气状态参数的计算法。

重点：

湿空气物理性质的描述，焓-湿图的组成，应用其确定空气状态，空气状态变化过程线，空气的各种处理过程在i—d图上的表示，两种状态空气混合过程。

难点：

应用焓-湿图确定空气状态，空气状态变化过程线，空气的各种处理过程在i—d图上的表示，两种状态空气混合过程。

第一节湿空气的物理性质

一、基本概念

１、大气的组成成分：

水蒸气、氧气、二氧化碳等。

２、干空气：

由各种气体成分组成，空调中视为稳定的混合物。

３、湿空气：

由干空气和一定量的水蒸气组成，空调工程中称其为湿空气。

二、理论基础

湿空气中水蒸气含量虽少，但它决定了空气环境的干燥和潮湿程度，且影响着湿空气的物理性质。

因此研究湿空气中水蒸气含量的调节是空气调节中的主要任务之一。

三、状态参数

在常温常压下，湿空气可视为理想气体。

可以用理想气体状态方程描述其状态参数。

1、湿空气的压力B

湿空气的压力即大气压力，B＝Pg＋Pq（Pa）

2、湿空气的密度

＝g＋q＝Pg/RT＋Pq/RT

＝0.003484B/T-0.00134Pq/T

一般取=1.2Kg/m3

3、湿空气的含湿量d

湿空气中的水蒸气密度与干空气密度之比称为湿空气的含湿量。

d＝q/g=0.622Pq/Pg=0.622Pq/（B-Pq）（Kg/Kga）

4、相对湿度

湿空气的水蒸气压力与同温度下的饱和湿空气压力之比称为相对湿度；它表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度。

＝Pq/Pq,b×100%d/db×100%

5、湿空气的焓i

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

i＝1.01t+（2500+1.84t）d/1000（KJ/Kga）

以上各式构成了湿空气特性的主要方程组,应牢固掌握。

第二节湿空气的焓湿图

在空气调节中，经常需要确定湿空气的状态及其变化过程。

确定方法有：

按公式计算；查表；查焓湿图。

焓湿图的作用有：

简化计算；直观描述湿空气状态变化过程。

湿空气的状态参数中，t，B，d为独立变量，其他为演变参数。

常用的湿空气性质图是以i与d为坐标的焓湿图，i为纵坐标，d为横坐标，坐标夹角大于135度。

在一定的大气压力下，在选定的坐标比例尺和坐标网格的基础上，绘制出等温线、等相对湿度线、水蒸气分压力标尺及热湿比等即形成焓湿图。

1、等i线及等d线

2、等温线

ｉ＝１．０１ｔ＋（２５００＋１．８４ｔ）ｄ

＝ａ＋ｂｄ

３、水蒸气分压力标尺

P

＝Ｂ·ｄ／（0.６２２＋ｄ）＝ｆ（ｄ）

4、等相对湿度线

P

＝ｆ（ｔ）

P

＝·P

5、热湿比线

＝ｉ／ｄ＝Ｑ／Ｗ（ＫＪ／Ｋｇ）

第三节湿球温度与露点温度

一、湿球温度

1、热力学湿球温度

理论上，湿球温度是指在定压绝热条件下，空气与水直接接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度，也称热力学湿球温度。

2、等湿球温度线

在工程上，可以近似认为等焓线即为等湿球温度线。

3、湿球温度计

利用普通水银温度计，将其球部用湿纱布包敷，则成为湿球温度计，纱布纤维的毛细作用，

能从盛水容器内不断地吸水以湿润湿球表面，因此，湿球温度计所指示的温度值实际上是球表面水的温度。

二、露点温度

在含湿量不变的条件下，湿空气达到饱和时的温度，称为露点温度。

第四节焓湿图的应用

一、湿空气状态变化过程在焓湿图上的表示

1、湿空气的加热过程

利用热水、蒸汽及电能等热源，通过热表面对湿空气加热，则其温度增高而含湿量不变。

AB，＝＋。

2、湿空气的等湿冷却过程

利用冷媒通过金属等表面对湿空气冷却，在冷表面温度等于或大于湿空气的露点温度时，空气中的水蒸气不会凝结，因此其含湿量不变而温度降低。

AC，＝－。

3、湿空气的等焓加湿过程

利用定量的水通过喷洒与一定状态的空气长时间直接接触，则水及其表面的饱和空气层的温度等于湿空气的湿球温度。

因此，此时空气状态的变化过程（AE）近似于等焓过程，

＝4．19ts。

4、湿空气的等焓加湿过程

利用固体吸湿剂干燥空气时，湿空气的部分水蒸气在吸湿剂的微孔表面上凝结，湿空气含湿量降低，温度升高，其过程（AD）近似于等焓降湿过程。

5、湿空气的等温加湿过程

向空气中喷干蒸汽，其热湿比＝iq＝2500＋1.84tq，对于低压蒸汽2500＋1.84t，即该过程近似于等温加湿过程。

6、湿空气的冷却去湿过程

使湿空气与低于其露点温度的冷表面接触，则湿空气不仅降温而且脱水，因此可实现冷却干燥过程（AG）。

第二章空气的热湿处理

教学目的：

1.了解空气热湿处理的途径。

2.了解用喷水室处理空气的方式、特点及系统组成，熟悉其处理过程在焓湿图上的表达。

3.熟悉用表面式换热器处理空气的方式、特点及系统组成。

4.了解空气的其他热湿处理方法、特点：

各种加热、冷却、加湿、减湿处理过程，相关设备及系统组成和特点，了解其在实际工程中的适用性。

重点、难点：

各种加热、冷却、加湿、减湿处理过

第一节空气热湿处理的途径及使用设备的类型

一、

空气热湿处理的各种途径

在I-D图上分析可知，在空调系统中，为得到同一送风状态点可以有不同的空气处理途径。

以完全使用室外新风的空调系统为例，将室外空气处理到送风状态点的方案如图。

夏季处理方案有三种，冬季有五种。

各种方案是由简单的空气处理过程组合而成。

由此可见，可以通过不同的途径，即采用不同的空气处理方案而得到同一种送风状态。

至于究竟采用哪种途径，则须结合各种空气处理方案及使用设备的特点，经过分析比较才能最后确定。

二、空气热湿处理设备的类型

1、热湿交换设备：

通过介质与空气进行热湿交换

（1）介质：

水，水蒸汽，液体吸湿剂，制冷剂

（2）类型：

A、直接接触式：

喷水室，蒸汽加湿器，局部加湿器，液体吸湿装置。

B、表面式：

空气加热器，空气冷却器。

C、混合式：

淋水表冷器。

1、其他热湿处理设备：

电加热器，固体吸湿装置。

第二节空气与水直接接触时的热湿交换

一、空气与水直接接触时的热湿交换原理

空气通过敞开的水表面或将水喷到空气中，水就与空气发生热湿交换，总热交换=显热交换+潜热交换。

显热交换：

温差导热、对流、辐射；

潜热交换（质交换、湿交换）：

水蒸汽压力差凝结、蒸发。

图3—2空气与水的热、湿交换

（a）敞开的水面（b）飞溅的水滴

质交换以层流分子扩散（水表面饱和空气层）和紊流脉动扩散（饱和空气层空气）两种形式进行，形成对流质交换。

当空气与水在一微元面积df上接触时，空气温度变化为dt，含湿量变化为d（d），空气与水之间发生热湿交换：

显热交换：

dQX=Gcpdt=（t-tb）df

湿交换：

dW=Gd（d）=（Pq-Pqb）df=（d-db）df

潜热交换：

dQq=rdW=r（d-db）df

总热交换：

dQz=dQx+dQq=[（t-tb）+r（d-db）]df

若水温变化为dtw，则总热交换量为：

dQz=Wcdtw

在稳定工况下，空气与水之间热交换量是平衡的。

二、空气与水直接接触时的状态变化过程

空气与水直接接触时，水表面形成的饱和空气边界层与主流空气之间通过分子扩散和紊流扩散，使边界层的饱和空气与主流空气不断混掺，从而使主流空气状态发生变化。

因此，空气与水的热湿交换过程可以视为主流空气与边界层空气不断混合的过程。

三、热、湿交换的相互影响及同时进行的热湿传递过程

1、刘伊斯关系式的推导

对于绝热加湿过程，在dF接触面上，空气传给水面的显热量等于水面水分蒸发所需

要的潜热量：

（t-tb）df=r（d-db）df

db=/r（t-tb）

对于Gkg/s的湿空气本身而言,空气失去的显热等于水分带来的潜热：

Gr（d-db）=Gcp（t-tb）

db=cp/r（t-tb）

由上可得：

/=cp，此即为刘伊斯关系式，它表明对流热交换系数与对流质交换

系数之比为常数。

2、适用条件与适用过程

质交换的Sc=热交换的Pr

质交换的Sh=热交换的Nu

适用过程：

绝热加湿，冷却干燥，等温加湿，加热加湿等。

3、总热交换

dQz=dQx+dQq=[（t-tb）+r（d-db）]df=[cp（t-tb）+r（d-db）]df

考虑水分蒸发或凝结时的水的液体热的转移，令：

cp=1.01+1.84d，r=iq=2501+1.84tb

代入上式得：

dQz=（I-Ib）df

第三节用喷水室处理空气

一、喷水室的构造和类型

1、构造

（1）喷嘴：

使水流雾化

（2）排管：

布置喷嘴，一~四排

（3）挡水板（前、后）：

前：

均流与挡水，后：

分离水滴与空气，减少过水量

（4）外壳

（5）底池

（6）管道系统：

供水管，循环水管，溢流管，补水管，泄水管

（7）水泵

2、类型

（1）卧式，立式

（2）单级，双级

（3）低速，高速

（4）带填料

二、喷水室的喷水室的热工计算方法

喷水室的热工计算方法主要分两类，一类基于热质交换系数，另一类基于热交换效率。

本文主要介绍第二种方法。

用热交换效率表示喷水室的实际处理过程与理想过程的接近程度，并用来评价喷水室的热工性能。

1、全热交换效率E

对于绝热加湿过程：

2、通用热交换效率E`

3、影响热交换效果的因数

E=f（v，，structure，ts1，tw1）

（1）空气质量流速的影响

v=G/3600f，v、E、E`（P）

v=2.5~3.5kg/（m2s）

（2）喷水系数的影响

=W/G（kgw/kga）

E、E`（水泵耗能）

（3）喷水室结构特性的影响

喷嘴排数：

一~三排

喷嘴密度：

水苗叠加，空气旁通，

喷水方向：

对垂直排管，单排逆喷，双排对喷，三排一顺二逆，对水平排管，垂直上喷。

排管间距：

对垂直排管，600MM；对水平排管，上密下疏

喷嘴孔径：

d水滴细E（易堵）

（4）空气与水的初参数的影响

空气与水的初参数决定了喷水室内热湿交换推动力的方向和大小。

第四节用表面式换热器处理空气

一、表面式换热器的构造与安装

（一）表面式换热器的构造

1、结构：

肋管式换热器

2、材料：

管：

钢，铜，铝；肋片：

铜，铝

3、类型：

绕片管（SRZ加热管，JW表冷器），串片管，轧片管（表冷器）

（二）表面式换热器的安装

1、安装方式：

垂直安装；水平安装；倾斜安装

2、多台使用方式（串、并联）：

串联加大焓差，并联增大风量；应注意换热器与管路的并、串关系。

3、配件：

截止阀，泄水排污阀，旁通管，压力表、温度计

二、表面式换热器的传热性能

第三章空气调节系统

教学目的：

1.了解空调系统的分类方法。

2.熟练掌握新风量的确定方法和空气量的平衡计算。

3.熟悉普通集中式空调系统（一次、二次回风空调系统）的组成、特点，掌握该系统空调方案的确定、计算及在焓湿图上的表达方法。

4.了解变风量空调系统的原理和设备组成，了解变风量空调系统的分类和特点，了解变风量空调系统的几种主要控制方式。

5.熟悉风机盘管空调系统的组成和特点，熟悉风机盘管空调系统的新风供给方式，掌握风机盘管空调系统几种处理过程在焓湿图上的表示方法及计算方法。

6.了解局部空调机组的分类和特点，了解局部空调机组的不同应用方式。

重点：

新风量的确定方法和空气量的平衡计算。

普通集中式空调系统（一次、二次回风空调系统）的组成、特点，掌握该系统空调方案的确定、计算及在焓湿图上的表达方法。

风机盘管空调系统的组成和特点，风机盘管空调系统的新风供给方式，风机盘管空调系统几种处理过程在焓湿图上的表示方法及计算方法。

难点：

新风量的确定方法和空气量的平衡计算。

普通集中式空调系统（一次、二次回风空调系统）空调方案的确定、计算及在焓湿图上的表达方法。

风机盘管空调系统几种处理过程在焓湿图上的表示方法及计算方法。

第一节空调系统的分类

1.1空气调节的目的

Ø舒适性空调：

人体舒适、健康的环境

Ø工艺性空调：

生产工艺过程所要求的环境

1.2空气调节要解决的问题

1.3空气调节系统组成

（1）组成要素

广义：

获得满意的建筑室内空气环境的手段。

冷热源，空气处理设备，输配系统（管道和末端），被控对象（建筑空间）。

狭义：

采用人工或机械的主动手段获得满意的建筑室内空气环境（不含被动手段）。

空气处理设备，输配系统（管道和末端）

更狭义：

人工或机械的手段同时处理空气多个参数（温度、湿度、速度、辐射、空气质量等。

（2）四大主要组成部分：

Ø空调空间；

Ø空气输送和分配设备；

Ø空气处理设备；

Ø冷热源和自动控制设备。

空气调节的工作过程就是制冷系统和空气系统不断循环的过程。

（1）蒸发器是制冷剂从冷冻水回水摄取热量的装置。

在蒸发器中，低压液态制冷剂从冷冻水回水摄取热量后蒸发为低温低压的蒸汽。

（2）压缩机是提高蒸发后的低温低压制冷剂蒸汽压力，使其在冷凝器中容易液化的装置。

在压缩机中，蒸发后的低温低压蒸汽制冷剂被压缩到可以液化的高温高压蒸汽。

（3）冷凝器是把压缩后的高温高压蒸汽制冷剂进行冷却液化的装置。

在冷凝器中，把制冷剂从冷冻水回水摄取的汽化潜热和压缩机产生的压缩热传递给冷却水，使制冷剂冷凝为高压液体

（4）膨胀阀（或毛细管）是把冷凝后的液化制冷剂的压力降到能使其达到蒸发压力状态的装置。

高压液态制冷剂经过膨胀阀（或毛细管）降到低压制冷剂，以便使它能够在低压蒸发器中膨胀蒸发，从而完成制冷循环。

（5）冷却塔是冷却循环水的装置。

经过冷凝器的冷却水吸收了制冷剂的冷凝热而升温，为了使冷却水能循环使用，使它在流经冷却塔的过程中进行强制降温，然后返回冷凝器，从而完成冷却水的循环。

（6）在完成上述制冷工作循环的同时，经蒸发器降温了的冷冻水进入空调箱，在其中把空气系统中的回风和新风冷却后送入风道至末端空调室，在空调室升温的空气进入回风道，经过部分减排后回到空调箱与新风一起再行冷却，从而完成空气循环。

周而复始，空气调节工作过程持续不断地进行下去。

1.4空气调节系统分类

第二节新风量的确定和空气平衡

一、新风量的确定方法

1.卫生要求

，

=1~3g/kg，

=0.5~0.75g/kg，Z=20~110g/h

规范：

一般30m3/h.人；人员密集时7~15m3/h.人

2.补充局部排风量

3.保持空调房间的正压要求

4.最小新风量

二、空气的平衡

在空调系统全年运行过程中，常须改变新风比以节约能量。

对于全年新风量可变的系统，空气平衡的关系如图所示。

对房间：

送风量Ｌ=Ｌｘ＋Ｌｓ

对空调箱：

送风量Ｌ＝Ｌｈ＋Ｌｗ

当过渡季节增加新风量时，为保证室内恒定正压，则要求Ｌｗ＞Ｌｓ，Ｌｘ＞Ｌｈ而Ｌｘ－Ｌｈ＝Ｌｐ

即为系统要求的机械排风量。

通常在回风管路上装回风机和排风管进行排风，根据新风量的多少来调节排风量，以保证室内恒定的正压。

这种系统称为双风机系统。

第三节普通集中式空调系统

Ø特点：

风道与机房占空间大，设备集中易于管理。

Ø功能：

集中处理空气。

Ø结构：

Ø分类:

一、一次回风式系统

（1） 概念

（2） 系统图式

（3） 夏季空气处理过程i-d图的表示

（4） 夏季设计工况所需冷量分析

冷量：

Ｑｌ＝Ｇ（ｉｃ－ｉｌ）

室内冷负荷：

Ｑｎ＝Ｇ（ｉｎ－ｉｏ）

新风负荷：

Ｑｗ＝Ｇ（ｉｗ－ｉｎ）

再热负荷：

Ｑｈ＝Ｇ（ｉｏ－ｉｌ）

热平衡：

Ｑｌ＝Ｑｎ＋Ｑｗ＋Ｑｈ

当采用最大送风温差送风时，Ｑｌ＝Ｑｎ＋Ｑｗ

（5） 冬季空气处理过程i-d图的表示

（6） 冬季设计工况所需预热量分析

假定冬季采用与夏季相同的送风量，则冬季送风点的含湿量为：

，若

，则需设预热，即，当

时，

需预热。

预热器的设置位置：

混合前或混合后，前者适合非寒冷地区，后者适合严寒地

区，以防预热器冻裂。

热量分析：

Q1，Q2。

（7）夏季、冬季室内参数不同的一次回风系统

二、二次回风式系统

（1） 概念

（2） 系统图式

（3） 夏季空气处理过程i-d图的表示

（4） 夏季设计工况所需冷量分析

二次回风量：

一次回风量：

冷量：

实现二次回风方案的条件和缺点：

线与95％线有无交点以及露点能否实现（冷

源温度能否达到要求）。

（5） 冬季空气处理过程i-d图的表示

（6） 冬季设计工况所需预热量分析

若室外空气的焓小于此值，则需要预热，预热量：

；再热量：

三、集中空调系统划分和分区处理

1系统划分的原则

（1） 室内参数（温湿度基数和精度）相近以及室内热湿比相近的房间可采用同一系统；

（2） 朝向、层次等位置相近的房间宜采用同一系统；

（3） 工作班次和运行时间相同的房间采用同一系统；

（4） 对室内洁净度等级或噪声级别不同的房间，宜按各自的级别设计；

（5） 产生有害物的房间不宜和一般房间合用一个系统；

（6） 空调系统的分区应与建筑防火分区相对应。

2.系统分区处理的常见形式

（1）室内N点相同，热湿比ε不同：

采用定露点，分室加热系统

（2）室内tN相同，φN允许有偏差，热湿比ε也各不同：

采用定露点，相同的Δto，但需根据房间的重要性选择含湿量。

（3）室内tN相同，φN也相同，Δto也要求相同，热湿比ε不同:

分区空调方式：

集中处理新风，分散回风，分室加热。

即分区空调方式/分层空调方式。

（4）室内tN相同，热湿比ε不同：

双风道系统。

第四节变风量系统

普通集中式空调系统的送风量是全年固定不变的，并且按房间最大热湿负荷确定送风量，称为定风量（CAV）系统。

实际上房间热湿负荷不可能经常处于最大值，而是在全年的大部分时间低于最大值。

当室内负荷减少时，定风量系统是靠调节再热量以提高送风温度（减小送风温差）来维持室温的。

这样既浪费热量，又浪费冷量。

如果能采用减少送风量（送风参数不变）的方法来保持室内温度不变，则不仅节约了提高送风温度所需的热量，而且还由于处理风量的减少，降低了风机功率电耗以及制冷机的冷量。

VAV系统的运行费用相当经济，对于大容量的空调装置尤为显著。

一、原理和类型

1.原理：

根据室内负荷的增加（减少）、通过特殊的装置（末端设备）增加（减少）房间的送风量。

2.类型

（一）节流型

（1）百叶型（York产品）

（2）文丘里型：

文丘里型管内装可以滑动的滑块，通过滑块的移动改变气流流动截面面积从而改变风量（Trance产品）

（3）气囊型：

通过气囊膨胀（收缩）改变气流流通面积来变风量（Carrier产品）

节流型装置特点：

（1）装有定风量机构的变风量末端装置能保证较好的流量分配而且可以简化风道的阻力计算，因定风量机构能自动平衡管道内的压力变化。

第五节半集中式空调系统

风机盘管加新风空调系统是空气——水空调系统中的一种主要形式，也是目前我国民用建筑中采用最为普遍的一种空调形式。

它以投资少、使用灵活等有点广泛应用于各类建筑中。

一.风机盘管机组形式

从空气流程形式可分为吸入式和压出式两类。

吸入式的特点为风机位于盘管的下风侧，空气先经盘管处理后，由风机送入空调房间。

这种形式的优点是盘管进风均匀，冷、热效率相对较高；缺点是盘管供热水的水温不能太高。

压出式即风机处于盘管的上风侧，风机把室内空气抽入，压送至盘管进行冷、热交换，然后送入空调房间。

这种形式是目前使用最为广泛的一种结构形式。

风机盘管机组按其安装形式可分为立式明装、卧式明装、立式暗装、卧式暗装和吸顶式等形式。

立式明装机组表面经过处理，美观大方，安装方便，可直接拆下面板进行检修口通常设置在楼板上、靠外窗台下。

卧式明装机组结构美观大方，一般安装于靠近管道竖井隔墙的楼板或顶顶下。

立式暗装机组与立式明装机组相似，机组被装饰材料所遮掩，美观要求低，维修工作

量较前两种形式大。

装修设计时应注意使气流通畅，减小阻力。

卧式暗装机组是应用最多的一种形式，它安装在吊顶内，通过送风管及风口把处理后的空气送入室内，但其检修困难。

吸顶式（又称嵌入式）机组的特点是其送、回风口均布置在面板上，吸顶式机组就其面板送、回风形式分为单侧送风单侧回风型、两侧送风中间回风型和四边送风中间回风型几种形式。

二.风机盘管系统特点

风机盘管加新风空调系统，从其名称可见它由两部分组成：

一是按房间分别设置的风机盘管机组，其作用是担负空调房间内的冷、热负荷；二是新风系统才通常新风经过冷热处理，以满足室内卫生要求。

三.风机盘管加新风空调系统的空气处理过程

在风机盘管加新风空调系统中,新风在大多数情况下经过冷、热处理。

为了分析方便，可让风机盘管承担室内冷、热负荷,新风只承担新风本身的负荷。

（1）新风与风机盘管送风各自分别送入房间

夏季空气处理过程见图1,新风由新风机组从室外状态w处理到沿室内状态点N等焓线的露点L1,送入空调房间；而风机盘管机组把室内状态N空气处理机组出风状态L2,状态点L2的空气进入空调房间后根据室内热湿比线变到状态点N1；在空调房间中，状态点L2的新风与状态点Nl的空气混合到室内设计状态点N。

冬季空气处理过程见图2。

新风预热至WI状态点后，经加湿到01点，风机盘管内空气加热到02点，沿着室内热湿比线的平行线送入室内，与新风混合后达到室内状态点N。

这种方式使得新风与风机盘管分别运行，即使风机盘管停止运行，新风仍将保持不变。

（2）新风与风机盘管送风混合后送入房间

夏季空气处理过程见图3,新风由新风机组从室外状态W处理到沿室内状态点N线的露点Ll,室内空气由风机盘管处理到L2点,将状态点LI的新风与状态点L2的盘管送风混合到房间送风状态点O,最终使得房间空气参数保持在设计状态点N。

冬季空气处理过程见图4。

新风预热至Wl状态点后，经加湿到01点，室内空气由机盘管加热到02点，然后将状态点01的新风与状态点02的空气混合到房间送风状

这种方式无需设置专门新风送风口，对吊顶布置较有利；夏季风机盘管处理的空气状温度低些；当风机盘管停止运行时，送入室内的新风量会大于设计值。

（3）新风与风机盘管回风混合后送入房间

四、风机盘管的调节方式

1风量调节

2水量调节