暖通空调系统

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暖通空调系统设计冷热源控制策略

暖通空调系统

搞懂冷热源、风水路、末端与控制四大子系统的耦合逻辑

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暖通空调系统设计冷热源控制策略

暖通空调系统

搞懂冷热源、风水路、末端与控制四大子系统的耦合逻辑

1第 1 页 · 暖通空调系统

暖通空调系统的定义

上一页整体认识了暖通空调系统。这一页要精确回答:它为什么叫「系统」而不叫「设备」?先抛一个反直觉的问题——家里同时摆着暖气片、电风扇、柜机空调,算不算「暖通空调系统」?

制热——冬季向室内输送热量
通风——引入新风、排出污浊空气
空调
制冷、除湿、调温三件事一起做
系统级协同
冷热源、管道、末端、控制四部分联动响应
一辆完整的汽车对应 →暖通空调系统

发动机=冷热源、油路=管道、车轮=末端,三者必须联动才能跑起来

2第 2 页 · 暖通空调系统的定义

系统三大组成要素

从左到右:热源产冷热、输配搬运、末端释放,三者缺一不可;虚线表示反馈信号。

图解渲染中…
A产生冷/热量的设备,如冷水机组、锅炉、热泵B把冷热量从热源搬运到末端的管网系统C直接处理室内空气的末端装置,决定室温D冷热负荷被满足后,会反馈调节热源出力
3第 3 页 · 系统三大组成要素

分类依据与标准

上一页我们认识了系统的三大组成要素。但同样的零件拼起来,可以是家里的壁挂机,也可以是覆盖整栋楼的中央空调。区分它们,靠三个独立维度:媒介、用途、规模。

媒介维度
冷热量靠什么介质搬运:水、风、冷媒,或它们的组合
用途维度
为人的舒适(住宅、写字楼)还是为工艺需要(机房、手术室、洁净车间)
规模维度
服务范围从一个房间、一栋楼,到跨城区域供热供冷
三维独立
同一系统可同时落在三个维度上,三者互不矛盾、可叠加
物流配送分类对应 →HVAC 系统分类

媒介≈运输方式(公路/铁路/航空),用途≈货物类型(普货/冷链/危化),规模≈运量(小件/整车/整列)

4第 4 页 · 分类依据与标准

四大系统类型总览

全空气/全水/空气-水/冷剂系统架构对比

四大系统类型总览
全空气/全水/空气-水/冷剂系统架构对比
5第 5 页 · 四大系统类型总览

分类维度对比

水系统和冷媒系统都能制冷供热,但传热介质截然不同——直接决定末端形式、输配能耗与适用场景的分化。

水媒介系统
  • 冷热量靠水循环输送至末端
  • 末端形式灵活:盘管、辐射、新风
  • 主机集中布置,便于统一调节
  • 水泵输配,能耗在系统占比较大
冷媒媒介系统
  • 冷热量靠制冷剂直送末端
  • 末端即内机,一体化布置
  • 各末端独立控制,启停灵活
  • 管路长度受限,需解决回油
大型集中场景(统一调节、末端灵活)选水系统;分散独立控制或既有建筑改造(管路短、独立计费)选冷媒系统。
6第 6 页 · 分类维度对比

全空气系统原理

前页按末端介质把系统分成四类。这一页聚焦最'重'的一类——全空气系统:房间里只见送风口,不见冷热水管。这种'只管风不管水'的设计,背后是什么机制?

全负荷空气承担
室内冷、热、湿负荷全部由送风空气承担,末端只送风、不通冷热水
集中处理流程
新回风混合后经过滤、冷却除湿或加热加湿,处理到送风状态点再经风管送入房间
三项调节参数
靠改变送风温度、含湿量、风量三项参数,匹配室内负荷变化
适用边界
风管截面大、占用层高,常见于商场、剧场、航站楼等大开间场所
中央厨房统一配送对应 →全空气系统

厨房统一调好汤的味道通过管道送到各餐桌;机房统一调好空气参数通过风管送到各房间

7第 7 页 · 全空气系统原理

系统组成与流程

全空气系统一次完整循环:处理→输送→送入→调节→回风→回到起点

1
空气处理
混合新风与回风,过滤、加热或制冷、加湿至送风状态
2
风管输送
处理后的空气沿送风管输送到各房间末端入口
3
末端送入
经散流器等末端装置均匀送入室内工作区
4
室内调节
空气与房间热湿负荷交换,实现温湿度控制
5
回风收集
回风口吸入室内空气,集中收集至回风管
6
返回机组
回风沿风管返回AHU,与新风混合进入下一轮
8第 8 页 · 系统组成与流程

典型风系统图解

左右并列展示一次回风与二次回风流程,对比关键节点差异。

图解渲染中…
C1冷却或加热空气的核心换热设备,决定系统能耗B2a进入表冷器前的回风,先与新风混合B2b绕过表冷器,在下游混入已处理空气M3二次回风与处理后空气汇合的节点
9第 9 页 · 典型风系统图解

直流式vs循环式

直流式和循环式看似只差一个'用不用回风'的开关,背后却是能耗与卫生的根本取舍。

直流式(全新风)
  • 空气来源:100% 室外新风,不掺回风
  • 能耗特征:冷热量全部从零开始,运行费高
  • 室内空气品质:最优,杜绝交叉污染
  • 典型场景:手术室、负压病房、有害物车间
循环式(回风系统)
  • 空气来源:新风与部分回风混合处理
  • 能耗特征:回收回风余冷余热,运行费低
  • 室内空气品质:需保证最小新风量
  • 典型场景:办公、商场、酒店、住宅
常规舒适空调首选循环式节能;只要室内有污染或洁净度要求高,就只能选直流式。
10第 10 页 · 直流式vs循环式

全水系统原理

上节课的全空气系统靠大风管把冷热量送到每个房间——想象30层楼每层都要塞巨型风管。本页换思路:让水扛主要冷热负荷,风管只负责送新风。

水的能量密度高
同等冷热负荷下,水管截面积只需风管的千分之一级
风机盘管末端
水在盘管内流过,风扇让室内回风经过盘管被冷却或加热
新风机组
单独处理室外新风,仅承担通风换气与湿度预处理
双环路架构
水管网走全楼冷热水,风管网只送新风到各区域
冷热源与水循环
冷热机房制取冷热水,水泵驱动水在管网中循环
北方集中供暖暖气片对应 →风机盘管+新风系统

锅炉房→热水管→每户暖气片;对应冷热机房→水管→每间FCU,新风机组另走独立风管

ρwcwρaca=41801.23500\frac{\rho_w c_w}{\rho_a c_a} = \frac{4180}{1.2} \approx 3500
11第 11 页 · 全水系统原理

四管制与两管制

左右对照读图:左列两管制的管路与季节切换限制,右列四管制如何破除该限制。

图解渲染中…
a1供水管与回水管各1根,冬天走热水、夏天走冷水b1冷水供回+热水供回共4根管,冷热两套回路独立并行
12第 12 页 · 四管制与两管制

系统优缺点分析

初投资低但室内品质受限的特点

系统优缺点分析
初投资低但室内品质受限的特点
13第 13 页 · 系统优缺点分析

空气-水系统原理

前两页的全空气、全水各有短板——风管粗或没法引入新风。空气-水系统干脆把活儿拆成两份:让空气管通风除湿、水管管温度调节,各派擅长。

空气:通风+潜热
新风机组处理后送入室内,承担换气与除湿,带走余湿与CO₂
水:显热主力
高温差冷热水经末端与室内换热,承担大部分显热负荷,效率高
典型末端组合
风机盘管FCU处理室内循环负荷,并联一套独立新风系统提供通风
冷热分配比例
水通常承担60%~80%显热,空气承担余下显热+全部潜热,比例可调
搬家具+开窗通风对应 →空气+水分工

搬运工(高温差水)搬走大件——显热主力;通风员(新风)开窗除湿——空气与潜热

14第 14 页 · 空气-水系统原理

典型系统架构

沿气流读图:室外新风经新风机组处理后送入各房间 FCU,FCU 同时接收冷热源的水完成末端调温,回风与排风形成闭环。

图解渲染中…
A1新风机组:集中处理新风,过滤+预冷/热+加湿Z1风机盘管:各区独立末端,水-空气换热HS冷热源:冷水机组+锅炉制备冷/热水
15第 15 页 · 典型系统架构

诱导式vs风机盘管式

空气-水系统能兼顾新风与节能,关键在末端。末端有两种典型形式——诱导式和风机盘管式,都靠盘管换热,但送风机制截然不同。

诱导式原理
高压一次风从喷嘴射出,靠卷吸效应带动室内空气混合过盘管。
风机盘管原理
自带风机+水盘管,强制室内空气循环经过盘管换热。
新风承担方式
诱导式一次风即新风;FCU需另配新风系统。
控制独立性
诱导式一次风由系统统一调度;FCU每台独立控制。
单位班车 + 私家车对应 →诱导式 vs 风机盘管

班车统一发车(中央一次风),沿途有人上下车(诱导室内空气);私家车自己开自己停(自带风机,独立控制)

16第 16 页 · 诱导式vs风机盘管式

冷剂系统原理

上回讲的全水系统,水在末端盘管里「间接」换热。今天看更直接的——冷剂系统让制冷剂亲自跑到每个房间的蒸发器里沸腾吸热,所以家用空调一开机凉意就来。

直接蒸发机制
制冷剂在室内机蒸发器中沸腾吸热,与空气完成一次换热,没有中间介质
闭式冷剂回路
室外机→分歧管→多台室内机→分歧管→室外机,制冷剂在管路中封闭循环
电子膨胀阀节流
按各房间负荷独立调节冷剂流量,按需供冷不浪费
VRF与分体的差异
VRF即变制冷剂流量,VRV是大金注册商标本质相同;VRF一拖多独立控温,分体一对一
冰块直接搬进房间对应 →直接蒸发

冰块=制冷剂,房间=室内机,制冷剂直接进蒸发器吸热;不像水系统要靠盘管间接换热

Q˙=m˙r(制冷量=冷剂质量流量×汽化潜热)\dot{Q} = \dot{m} \cdot r (制冷量 = 冷剂质量流量 × 汽化潜热)
17第 17 页 · 冷剂系统原理

VRF系统架构

从室外机出发,沿冷媒管路看 VRF 如何把一台主机拓展为多台末端,并支持室外机并联扩容。

图解渲染中…
b1气液两相冷媒主管,铜管c1分歧器:把主管冷媒按需分配到末端a1变频压缩机所在,多台可并联
18第 18 页 · VRF系统架构

定频vs变频技术

定频便宜但耗能,变频节能但价高——选谁取决于使用场景。

定频压缩机
  • 固定转速,靠反复启停调节温度
  • 启停瞬间耗电高,COP较低
  • 室温波动±2℃,舒适度一般
  • 适合预算低、使用时间短的场所
变频压缩机
  • 转速可调,匹配负荷连续运行
  • 避开启停峰值,节能20%~30%
  • 室温波动±0.5℃,体感平稳
  • 适合长时间运行、对舒适度敏感场所
长时间使用选变频,短期/预算紧选定频;变频是行业演进方向。
19第 19 页 · 定频vs变频技术

选型核心考量因素

前面我们看了各种系统的内部结构和工作原理,但工程现场更现实的问题是——面对一个具体项目,怎么从这些系统里挑出最合适的那一个?答案藏在这四个核心考量里。

建筑类型与功能
商场、办公、医院、厂房对温湿度和洁净度要求差异巨大,决定系统基本形式
使用特点与负荷
全天运行还是间歇使用、负荷波动幅度、同时使用系数,影响主机容量与控制策略
能耗与运行经济性
运行费占全生命周期60%~80%,能效等级直接影响长期开支
初投资与综合账
设备购置安装费高不等于划算,需结合运行费、维护费算总账
买车选配置对应 →HVAC系统选型

建筑类型=车型定位,使用特点=行驶工况,能耗=油耗,投资=购车预算——多维度权衡才能选对

20第 20 页 · 选型核心考量因素

住宅系统选择路径

从独栋到公寓,住宅类型直接决定可选系统范围。

1
识别住宅类型
独栋、联排、公寓,约束条件差异显著
2
勘察安装条件
是否有设备阳台、外机位、管井空间
3
评估既有设施
是否有冷媒管、暖气管路或地暖
4
匹配系统方案
综合空间、设施、预算确定系统类型
21第 21 页 · 住宅系统选择路径

商业建筑系统选择

商业建筑选型比住宅复杂——同一栋楼里可能有三种截然不同的用能节奏。

1
建筑定位
区分办公、商场、酒店三种典型场景,确定基本用能画像
2
负荷分析
算清内热源、人员密度、新风量等关键参数
3
运行画像
描绘全年、分季、分日的负荷曲线与用能时段
4
系统匹配
按场景与画像对应到全空气、全水、空气-水等系统族
5
约束校验
复核初投资、运行费、机房空间、噪声等边界条件
22第 22 页 · 商业建筑系统选择

工业建筑系统选择

工业建筑因工艺与洁净等特殊需求,系统选型须分五步逐项评估。

1
识别工艺负荷
梳理设备发热、产尘产湿等特殊负荷,区别于常规冷热负荷
2
确定洁净等级
按ISO 14644或GMP标准确定洁净度级别,影响送风形式
3
评估温湿精度
半导体、制药等工艺对温湿度波动敏感,需高精度控制
4
设计排风系统
工艺排风与粉尘废气独立处理,严禁混入系统回风
5
规划冗余备份
关键设备N+1冗余设计,保障连续生产不停机
23第 23 页 · 工业建筑系统选择

北美系统特点

集中冷热源统一供冷供热,水管送到各层AHU,末端VAV按各区温度反馈调节风量——北美商业楼宇主流范式。

图解渲染中…
chs冷水机组+锅炉集中布置,全楼统一调度vav1按室温反馈调风阀开度,负荷低时少送风
24第 24 页 · 北美系统特点

欧洲系统特点

先看政策、电源与负荷如何汇成两条主线,再沿虚线检查末端温度和互联边界。

图解渲染中…
a2指在政策与电气化条件下,热泵常被优先评估b2在用户或分区附近配置冷热源、储能和控制能力d1地暖等低温末端可降低热泵冷凝温度d4极端工况、高温热水或容量不足时仍需校核
25第 25 页 · 欧洲系统特点

日本系统特点

因果流向图:从日本国情约束出发,看多条技术线索如何汇聚到VRF多联机这条主线。

图解渲染中…
HVRF即变制冷剂流量多联机系统I1982年大金工业首创VRF技术F变频压缩机按需调节冷媒流量
26第 26 页 · 日本系统特点

中国系统特点

上图纵向读时间脉络,每个年代节点引出一条中国独有的技术特色分支。

图解渲染中…
B1中国北方以热电厂或区域锅炉房统一向小区输送热水或蒸汽B3每户装热量表,按实际用热量收费,告别按面积收费B4热电、地热、空气源、太阳能等多种热源协同互补
27第 27 页 · 中国系统特点

系统类型辨析

点击作答

某住宅用多联机室内机承担全部冷热负荷,独立新风系统仅送未处理的室外风。按介质分类,该系统属于?

28第 28 页 · 系统类型辨析

知识点总回顾

  • 系统骨架=冷热源+输配+末端,所有方案共享
  • 介质选择(风/水/剂)是分类与选型的根本维度
  • 无最优系统,建筑×使用×能源共同决定选型
  • 地域差异本质是气候×规范×能源结构耦合
延伸主题:冷热源设备:冷水机组与热泵暖通系统节能与能耗分析楼宇自控系统(BMS)
29第 29 页 · 知识点总回顾

深度思考题

先凭直觉写下你的判断,再对照参考答案——重点看思路而非结论。

1为什么同一栋商业建筑,业主自用与对外出租的空调系统选型逻辑会截然不同?

参考答案费用承担主体不同决定优先级。自用业主关注全生命周期总成本和舒适度;出租则要分户计量、按需启停,倾向可独立控制的末端系统,如VRF或风机盘管+新风。

2夏热冬冷地区的超高层写字楼,你会优先选全空气系统还是空气-水系统?为什么?

参考答案倾向空气-水系统。超高层内外区负荷差异大,末端需灵活调节;核心筒集中处理新风+水温调节更节能。但前提是层高和吊顶空间允许水管布置。

3在双碳目标下,传统四管制水系统会被淘汰吗?请给出你的判断和依据。

参考答案不会被完全淘汰,但形态必须进化——向大温差、配合热回收与蓄能演进;在中小建筑中被VRF替代。淘汰与否的边界是建筑规模和冷热源可得性。

30第 30 页 · 深度思考题
暖通空调系统 · 知识图解