集中式系统

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系统架构基础概念设计原理图解

集中式空调系统

用图解看清集中式的设计原理、典型形态与失效边界,奠定架构认知的地基

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系统架构基础概念设计原理图解

集中式空调系统

用图解看清集中式的设计原理、典型形态与失效边界,奠定架构认知的地基

1第 1 页 · 集中式空调系统

集中式系统的定义

家里每个房间装一台空调,那是分散的;走进商场、医院、写字楼,整栋楼共用一台大设备,冷热空气从机房通过风管送到每个房间。这就是「集中」的思路——把三件事统一起来。

冷热源集中
整栋楼共用机房里的制冷或制热主机,规模远大于家用空调
空气处理集中
冷却、加热、加湿、过滤全在机房内的组合式空调机组完成
风道统一配送
处理后的空气经主风管、干管、支管层层送入各房间末端
连锁餐厅的中央厨房对应 →集中式空调系统

统一采购→冷热源集中,统一切配烹饪→空气处理集中,统一配送→风道送达各房间

2第 2 页 · 集中式系统的定义

系统分类全景图

从机房往外送的「介质」是什么,决定了它是哪种集中式系统。

图解渲染中…
C机房集中处理空气,风管送到房间送风口D机房只产冷/热水,末端是风机盘管E机房同时送新风(空气)和冷热水F制冷剂直接进室内机吸热,省去大管
3第 3 页 · 系统分类全景图

空气处理过程全流程

集中式空调把空气处理拆成六个串行功能段,每段各司其职,缺一段就会留下系统性漏洞。

1
混合段
新风与回风按设定比例混合,是卫生与节能的源头设计
2
过滤段
逐级滤除尘埃与微生物,保护盘管、保证洁净度
3
冷却段
经冷水盘管降温除湿,承担室内显热与潜热负荷
4
再热段
升温补偿过降温,实现温湿度独立精确控制
5
加湿段
冬季或干燥工况下补充水分,维持设计相对湿度
6
送风机
提供克服管网阻力的动力,把处理好的空气送达末端
4第 4 页 · 空气处理过程全流程

关键设备与组件

风机、冷却盘管、加热盘管、加湿器、过滤器的位置与作用

关键设备与组件
风机、冷却盘管、加热盘管、加湿器、过滤器的位置与作用
5第 5 页 · 关键设备与组件

风机盘管与空气处理机组

上一页我们认识了系统中那些'明星设备',但它们各自负责什么、适合什么场合,其实大有讲究。最容易混淆的两位主角——AHU和FCU——放到一起对比,边界才看得清。

FCU 风机盘管
末端机组,盘管内走冷热水调温,送风量小,多吊装在房间吊顶内
AHU 空气处理机组
集中处理新风与回风的过滤、加热、加湿/除湿,再经大风量风管送往各区
关键差异
FCU只管末端小范围、以水为主;AHU管全楼大风量、以风为主,兼管冷热源
系统形式边界
末端分散、调温为主→FCU走空气-水系统;大空间或新风占比高→AHU走全空气
酒店房间里的空调对应 →FCU 与 AHU 的协作

房内空调=FCU只调本室;机房大设备=AHU统一处理新风与冷源

6第 6 页 · 风机盘管与空气处理机组

焓湿图上的处理过程

看两条平行轨迹:夏季冷却除湿与冬季加热加湿,对比同一送风目标的不同处理路径。

图解渲染中…
W室外新风入口状态点Mix新风与回风混合后的状态Cool夏季沿冷却线降至接近饱和Humid冬季等焓加湿提升含湿量
7第 7 页 · 焓湿图上的处理过程

能耗来源与计算逻辑

冬天你家开空调制暖,电表转得飞快——但电费并不全花在'制造热'上。集中式系统的能耗其实分散在三个环节,每个环节都有不同的占比和节能空间。

冷热源能耗
冷/热源制备冷热量时直接消耗的能量,如冷水机组耗电、燃气锅炉耗气
输送能耗
水泵搬运冷热水、风机搬运空气所消耗的电能,集中在动力设备
末端处理能耗
新风预处理、空气混合、过滤、加湿等空气处理过程的耗功
典型占比关系
冷热源50-60%、输送30-40%、末端5-10%,输送常被低估
外卖配送对应 →集中式空调能耗构成

厨房做饭=冷热源,骑手跑腿=输送,到手装盘加热=末端处理

E=E冷热源+E输送+E末端E_{总}=E_{冷热源}+E_{输送}+E_{末端}
8第 8 页 · 能耗来源与计算逻辑

能耗分析典型案例

以一栋办公楼的集中空调系统为例,把能耗拆开看、再对症优化。

1
采集运行数据
从电表、BMS、运维记录抓取全年能耗与运行参数
2
拆分到子系统
把总电耗按冷机、水泵、风机、冷却塔逐项归类
3
识别主要耗能
看清各部分占比,找到真正吃电的大头
4
计算能效指标
用 COP、kW/冷吨、系统 EER 衡量效率高低
5
提出优化方向
针对薄弱环节给方案:变频、自然冷却、余热回收
9第 9 页 · 能耗分析典型案例

多区域服务的需求与挑战

看到这里你可能会问:所有区都按同一种送风状态送风,能行吗?现实是——东向办公室和西向卧室同一时刻一个要冷、一个要热,一套空气很难让两边都满意。

区域热湿负荷差异
功能(办公/卧室/机房)、朝向、人员密度、新风量不同,每区负荷各异
同时性矛盾
同一时刻,有的区需供冷,有的区需供热;一套冷热源难以两全
末端控制方式
再热/再冷、风机盘管+新风、VAV 变风量等——靠末端装置分区独立调节
冷热抵消陷阱
统一送风后再单独调各区,多余冷/热量互相抵消,能耗翻倍
一桌人点不同口味的菜对应 →一套系统服务多区域

有人要辣有人要清淡,后厨不能只出一道菜;中央空调也得给各区单独『加料』或『减料』

10第 10 页 · 多区域服务的需求与挑战

定风量 vs 变风量 vs 风机盘管

定风量、变风量都叫"全空气系统",一字之差,能耗与适用场合却天差地别——风机盘管又是另一条路。

定风量 CAV
  • 调节方式:靠改变送风温度,风量恒定不变
  • 控制逻辑:调节盘管冷/热水的流量
  • 能耗特征:风机长期满速,电耗居高不下
  • 适用场景:负荷稳定、单一大空间或小建筑
变风量 VAV
  • 调节方式:靠改变送风量来调节室温
  • 控制逻辑:变频风机+末端风阀联动调节
  • 能耗特征:部分负荷可省电30%以上
  • 适用场景:负荷波动大、多分区共享系统
大型公建首选变风量;区域少用定风量;多户住宅直接上风机盘管——看负荷波动率选型。
11第 11 页 · 定风量 vs 变风量 vs 风机盘管

单风机 vs 双风机系统

一次回风系统中单、双风机的结构差异与能耗差异

单风机 vs 双风机系统
一次回风系统中单、双风机的结构差异与能耗差异
12第 12 页 · 单风机 vs 双风机系统

VAV系统的定义与原理

前页对比了CAV和VAV,VAV胜在灵活。本页深挖它的内核:送风温度为何基本不变?靠什么末端调风量?下限在哪里?为何特别节能?短板又是什么?

定温变风量
送风温度基本保持设计值不变,靠改变送风量来匹配各区域实时变化的冷热负荷
VAV 末端箱
装在支风管上,含电动调节阀和控制器;按室内温度信号调节开度,控制该区域风量
最小送风比
风量不能无限下调——下限受最小新风需求和气流组织双重约束,常见取值30%~60%
节能逻辑与边界
风量下降使风机功率近立方关系急降;但冷热需求相反区域单靠VAV难兼顾,常配再热
办公室每个工位独立调风量对应 →VAV变风量机制

每个工位(区域)独立调风≈每个VAV Box按室温反馈独立调节风量;送风温度全局恒定

PV3V50%P87.5%P \propto V^{3} \Rightarrow V \downarrow 50\% \Rightarrow P \downarrow 87.5\%
13第 13 页 · VAV系统的定义与原理

VAV系统与CAV系统对比

左右两条路径展示 CAV 与 VAV 在负荷响应、控制复杂度、能耗上的差异。

图解渲染中…
v3VAV 末端装置,按各区需求独立调节送风量c4风机无论负荷大小均按设计满载运行v5风机随负荷降速,节约输配电耗v4需控制总管静压,保证各末端调节有效
14第 14 页 · VAV系统与CAV系统对比

VAV系统的发展背景

节能需求、建筑大型化、个性化控制要求推动VAV普及

VAV系统的发展背景
节能需求、建筑大型化、个性化控制要求推动VAV普及
15第 15 页 · VAV系统的发展背景

VAV系统构造全貌

带你看一次空气从机房到房间的完整旅程。

1
空气处理机组
集中完成过滤、加温、加湿等全部处理过程
2
主风管
将处理后的空气从机房输送到各楼层区域
3
分支风管
按楼层或防火分区再分流到各个房间
4
VAV箱
按房间负荷调节送风量,配再热实现分区独立控温
5
末端送风口
以合适速度和气流组织把风送入室内
16第 16 页 · VAV系统构造全貌

VAV末端装置详解

先沿风路看气流走向,再看控制器闭环,最后对比两类箱体。

图解渲染中…
V电动调节风阀,开度由控制器决定C末端控制器,闭环大脑Q双风阀串联,响应快、精度高
17第 17 页 · VAV末端装置详解

送风管路系统的设计要点

上一页我们看到VAV末端通过调节风阀开度来改变送风量——但阀门一关,管路里的压力就飙上来了。如果不处理,要么风机白费电,要么远端末端抢不到风。这页讲管路系统怎么应对这个变化。

风压平衡
风机全压 = 末端动压 + 沿程摩擦阻力 + 局部构件阻力,每条支路压损需匹配末端需求
静压控制
VAV系统中阀位关小→管路静压升高,变频调速风机把最不利末端静压维持在最低够用值
低速化设计
主干管降低设计风速(如5-7 m/s),减小压损、容纳变风量范围,并控制再生噪声
末端压力独立
VAV末端自带补偿机构,管内压力波动时仍输出设定风量,各房间互不干扰
城市供水管网对应 →变风量送风管路

水泵=风机,水压=风压,用水量变化=阀位变化,调水泵保最远端水压=变频风机保最不利点静压

P1P2=(N1N2)2\dfrac{P_1}{P_2}=\left(\dfrac{N_1}{N_2}\right)^2
18第 18 页 · 送风管路系统的设计要点

回风与新风系统设计

送风管路把空气送进房间,那这些空气用完之后去哪了?它不会消失——必须被回收、再处理、补进新风,这三股气流必须协同配合,差一点都不行。

新风最小需求
GB 50738 规定人均 ≥30 m³/h 新风,且不低于总风量的 10%,用于稀释 CO₂ 与室内污染物
回风利用价值
回风温湿度已接近室内设定,与新风混合后只补偿小段焓差,可大幅降低冷热源负荷
新风-排风平衡
稳态下新风量 = 排风量;余压通过门缝与建筑渗透泄出,排风口常设在卫生间与厨房
新风能耗占比
夏季新风负荷常占空调总能耗 20~40%,是集中式系统节能改造的首要突破口
餐厅洗碗池循环对应 →新风-回风-排风闭环

脏碗回收清洗后再用(回风)、必须补新碗(新风)、坏碗扔掉(排风),进出水量必须守恒

ηsave=1TrTsToTs=ToTrToTs\eta_{\text{save}} = 1 - \frac{T_r - T_s}{T_o - T_s} = \frac{T_o - T_r}{T_o - T_s}
19第 19 页 · 回风与新风系统设计

定静压控制法

定静压控制通过监测主风管压力反馈,调节风机转速,保证最不利末端也能获得足够风量。

1
设定静压值
在主风管上设一个目标静压作为控制基准
2
找最不利点
在离风机最远、压损最大的末端附近装压力传感器
3
实时测压
传感器持续反馈当前管路静压实际值
4
对比偏差
比较实测值与设定值的差距和方向
5
调风机转速
变频器根据偏差调速,压力低则加速、足够则降速
20第 20 页 · 定静压控制法

变静压控制法

通过实时跟踪末端需求,把静压设定值从固定改为动态浮动,风机只在需要时才出力。

1
采集末端信号
读取各VAV末端阀位、风量或支管压力等实时反馈
2
锁定临界末端
挑出阀位接近全开、或压力最低的那个作为基准点
3
重置静压设定
按临界末端的需求反算出刚好能满足所有末端的最低压力
4
调节风机转速
变频器驱动风机跟随新设定值,需求小则慢、大则快
5
闭环持续寻优
传感器持续反馈,负荷一变就重新寻最低能耗运行点
21第 21 页 · 变静压控制法

总风量控制法

总风量控制法直接汇总所有末端需求来调节风机。

1
末端上报需求
各VAV末端根据区域实时负荷计算所需风量
2
汇总总需求
中央控制器把所有末端需求相加得到总风量
3
调节风机转速
风机转速直接跟随总需求,无需静压设定
4
实现总风量平衡
送风总量等于需求总量,供需实时一致
22第 22 页 · 总风量控制法

多种控制策略对比

三个决策维度交叉指向三种策略:看哪个维度主导你的项目,决定走哪条路。

图解渲染中…
F1静压设定值随最不利末端阀位动态下调G1全系统协调找到总送风量最小的工作点
23第 23 页 · 多种控制策略对比

VAV系统优点总结

从VAV核心机理出发,看它如何派生出四大优势。中心是因,四周是果。

图解渲染中…
A1末端按需调节送风量,是所有优势的根源B1风机功耗随风量成立方关系下降B2每个区域由独立末端装置单独控制B4长期低负荷运行降低设备磨损
24第 24 页 · VAV系统优点总结

VAV系统局限性分析

四大局限按投资、调试、噪声、场景四个维度并列展开,先看中心再看四象限。

图解渲染中…
末端噪声末端装置节流时产生的气流与机械噪声小面积不经济区域少时节能收益难以覆盖高昂的初投资
25第 25 页 · VAV系统局限性分析

VAV适用建筑类型

VAV不是万能的——办公楼、商业综合体、酒店用它得心应手,但搬到住宅或小型建筑就水土不服。区分的关键在哪?

适合VAV的建筑
  • 负荷分时波动大:办公朝九晚五、商场客流潮汐
  • 多区域差异化需求:朝向/业态不同,需独立控温
  • 全年/全天长时段运行:摊薄初投资与维护成本
  • 规模足够大:风道、机房有规模经济性
不适合VAV的建筑
  • 负荷相对平稳:住宅全天居家,无明显峰谷
  • 各区同时使用率高:小户型全屋同开空调
  • 间歇运行:商铺朝开晚关,运行不连续
  • 规模太小:末端与控制初投资难摊薄
判断标准不是'楼大不大',而是'负荷是否分时波动+各区是否要独立控制'——两条都满足,VAV才显优势。
26第 26 页 · VAV适用建筑类型

典型VAV工程实例解析

按工程实操顺序读图:从项目参数→设备选型→控制策略→运行效果。

图解渲染中…
E2VAV末端(VAV Box):每个温控区一个,按室温独立调风量S1变静压复位:按最不利末端自动调整送风静压S3新风焓值控制:按室外空气焓值自动调节新风量
27第 27 页 · 典型VAV工程实例解析

常见设计问题与解决

设备齐全、末端接入VAV,并不等于每个房间都舒适。运行中常把压力、噪声、温度和新风问题混为一谈,因此要按“现象—根因—对策”逐项排查。

风压不足
最不利环路阻力超计算,或风机偏离高效区;重测压降并校核风机曲线
噪声超标
风速过高、阀门前后的高压降、消声器偏小或末端再声都会致病;应按声源减振消声
区域不均
负荷、管路损失和设定值偏差会叠加;重算分区负荷,均衡阻力并按需求设定
新风不足
总新风量或压力控制不足,会使阀门开度与实际新风量脱节;按人数和面积双重校核
小区供水对应 →集中式空调

风机像水泵、风管像水管:压力低则远端没风,流速高则噪声;支路阻力不均造成冷热差异,进风小则新风不足

28第 28 页 · 常见设计问题与解决

VAV系统知识自测

点击作答

在VAV系统中,当某个服务区域的实际温度低于设定值(即冷负荷需求减小)时,该区域送风末端装置最典型的响应动作是?

29第 29 页 · VAV系统知识自测

全年运行调节概述

交响乐团指挥会根据乐章切换声部配器——冬季、夏季、过渡季各有完全不同的打法。空调系统也一样,三种典型工况对应三套调节逻辑。

过渡季工况
室内外温差小,部分区域需冷、部分区域需热,可充分利用新风
冬季工况
以制热为主,关注盘管防冻、新风预热、空气加湿
夏季工况
以制冷为主,重点是除湿、再热防过冷、冷凝水排放
调节策略框架
根据室外温湿度判断工况,切换设备组合与运行模式
乐队指挥调度声部对应 →暖通工程师调度设备组合

冬季突出低音声部(制热)、夏季突出管乐声部(制冷)、过渡季各声部均衡

30第 30 页 · 全年运行调节概述

过渡季节调节(1)

从室内需求到室外判断,看免费冷却如何被触发

图解渲染中…
C1室外气温是否低到有利用价值E1室外空气含热量是否低于室内H1省去电耗最大的冷水机组K1常规过渡季补偿运行方式
31第 31 页 · 过渡季节调节(1)

冬季运行调节(2)

冬季集中式机组调节五步走——锁定最小新风、接力加热、合理加湿、看清温湿耦合、选定主控策略。

1
锁定最小新风阀
冬季按人员下限取最小新风,避免开大白白浪费加热量
2
预热加主加热
极寒先预热防冻,主加热再把混合风抬到送风目标温度
3
加湿放在加热后
蒸汽喷入未饱和空气才被吸收,紧跟主加热效率最高
4
识破温湿耦合矛盾
加热让温度升,相对湿度必然下降——两者天然互相拉扯
5
选定主控策略
洁净医疗湿度优先,一般办公温度优先,按场景二选一
32第 32 页 · 冬季运行调节(2)

夏季运行调节(3)

夏季工况的核心矛盾是:除湿要过冷,再热又费能。这组步骤拆解如何用露点控制平衡这对矛盾。

1
确定机器露点
按最不利区域湿度需求设定露点温度,一般10–12°C,是除湿能力的基准。
2
冷却除湿处理
盘管表面温度低于露点,水蒸气析出,同时降温和除湿。
3
露点闭环控制
用出风露点传感器反馈调节冷水阀,保证含湿量稳定,避免过冷或除湿不足。
4
再热补偿
除湿后空气过冷,必须再热才能送入房间,造成冷热抵消。
5
送风参数优化
在保证除湿前提下尽量抬高送风温度,权衡再热量与除湿深度。
33第 33 页 · 夏季运行调节(3)

全年调节策略总览

沿主线读:全年→季节工况→控制策略→新风量。两侧分支对比焓值法与温度法的判别依据。

图解渲染中…
B工况判断看室外温湿度,结合建筑冷热需求E1焓值=温度+湿度共同决定的总能量(含潜热)E2温度法只比干球温度,忽略湿度影响F1潜热是水分蒸发/冷凝时的能量交换
34第 34 页 · 全年调节策略总览

综合讨论题解析

考试里最怕的不是计算题,而是『请综合分析某系统的优缺点』这种开放题——它考的不是记忆,而是把前后章节串起来的能力。

拆解题意
圈出关键词,识别考察的概念范围与提问角度
建立框架
原理→过程→设备→控制,按系统逻辑分层作答
关联知识点
把定义、分类、设备、控制串成完整链条
量化支撑
能用公式或能耗数据时,给出具体数字而非空话
检查边界
最后指出适用条件与局限性,体现深度思考
医生看诊对应 →综合题作答

问诊→检查→诊断→处方,分别对应审题→关联→分析→结论

35第 35 页 · 综合讨论题解析

课后思考

带着问题继续琢磨:系统选择、控制优化、能耗改进

课后思考
带着问题继续琢磨:系统选择、控制优化、能耗改进
36第 36 页 · 课后思考