1、 毕业设计 开题报告 建筑环境与设备工程 郑州金悦宾馆空调系统设计 一、选题的背景、意义 1.1 空调的发展史 今天，我们的生活当中已经离不开空调了，各种新型空调还在不断涌现。空调从诞生发展到今天，从简单的空调扇到传统的制冷空调，再到今天节能化、智能化的超空调时代，已经走过了百余年的历程。 1902 年，美国人威利斯开利设计了第一个空调系统， 1906 年他以“空气处理装置”为名申请了美国专利。开利的发明缘于一个印刷作坊，印刷机由于空气温度与湿度的变化使得纸张伸缩不定，油彩对位不准，印出来的东西模模糊糊。为此开利打开 了空调机商业化之门。自那以后的 20 年间，开利的空调逐渐被用来调节生产过程
2、中的温度与湿度。并进入诸多行业，如化工业、制药业、食品及军火业。 空调发明后的 20 年间，享受的对象一直是机器，而不是人。 1922 年开利工程公司研制成功在空调史上具有里程碑地位的产品 离心式空调机，简称离心机。离心机最大的特点是效率高，这为大空间调节空气打开了大门。从此，人成为空调服务的对象。 家用空调的研制始于 20 世纪 20 年代中期。 1928 年开利公司推出了第一代家用空调。但因经济大萧条和二次大战，空调一直没能得到广泛的应用。 50 年代后经济起飞，家用空调才开始真正走入千家万户。 20 世纪 60 年代，新型的燃气空调在日本出现了。燃气空调是以燃气为能源的空调设备，与电力空
3、调相比，具有如下优势：功能全、设备利用率高、综合投资省；设备能源利用率高、运行费用省；天然气为清洁能源、燃烧后产生的有害气体少；机械运动部件少、震动小、噪音低、磨损小、使用寿命长；制冷工质为溴化锂的水溶液，价格低廉且无公害；最为重要的是：大量使用燃气空调不仅有利于改善供电紧张状况，而且对于提高电力负载率，改善电力峰谷平衡率都有十分可观的效果。这不仅能解决能源综合利 用，减少资源浪费。而且对于提高电力设备运转利用率和有效控制电力设备投资的盲目增长，降低电力成本和稳定供电能力都有显著的经济效益和社会效益。另外。大量使用燃气空调对于有效平衡燃气季节峰谷、提高燃气管网利用率、降低供气综合成本起到不言而
4、喻的作用。 20 世纪 60 年代末，日本从政府到民间一致推动燃气空调的发展，大约用了lO 年的时间，燃气空调占据了日本中央空调市场的 85%左右。韩国在研究了日本的经验之后，也推动了燃气空调的生产和应用。如今，其燃气空调在国内市场上的占有率比日本还高。 20 世纪 70 年代后期，世 界各国对太阳能利用的研究蓬勃发展，太阳能空调技术也随之出现。随着太阳能制冷空调关键技术的成熟特别在太阳能集热器和制冷机方面取得了迅猛发展，太阳能空调也得到了快速发展。 80 年代初期，变频空调技术在日本开始运用。 1982 年，日本生产了第一台交流变频空调。变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加
5、了变频控制系统的空调。它的基本结构和制冷原理和普通空调完全相同。传统空调压缩机依靠其不断地“开、停”来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。变频空调的主机是自动进行无级变 速的，它可以根据房间情况自动提供所需的冷（热）量；当室内温度达到期望值后，空凋主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，从而保证环境温度的稳定。变频空调具有节能、噪音低、温控精度高、调温速度快、电压要求低、环境温度要求低等特点。 90 年代中期，太阳能空调技术获得了长足的进步，真空管集热器和溴化锂吸收式制冷机大量进入了市场。新式太阳能空调的实现方式主要有两种，一是先实现光电转
6、换，再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷。这种实现方式原理简单、容易实现，但成本高。像青岛海尔就生产过这种太阳 能冰箱和空调；二是利用太阳的热能驱动进行制冷，这种制冷方式技术要求高，但成本低、无噪音、无污染。后一种方式正得到越来越广泛的应用。 1998 年，变频空调技术取得了重大突破，日本研制出了直流变频技术，直流变频空调性能比交流变频空调更加优异。从这以后，直流变频空调迅速成为现代空调的主流，目前直流变频空调已在日本和欧美家用空调市场占 90%以上。在我国，继海尔在 1998 年率先推出国内首台直流变频空调以后，国内生产变频空调的厂家也迅速增加，中国变频空调市场尤其是直流变频空调市场开始有了
7、突飞猛进的发展。 1999 年，燃气空调在中央空调领域也获得了重大的发展。空调使用大户美国由于早期电力基础设施雄厚，燃气空调的发展在相当长的时间里受到制约。1999 年 7 月，因连续高温导致空调用电剧增，美国国内推广燃气空调的呼声高涨。在 2000 年美国中央空调销售市场中，燃气空调份额迅速提高到 7%。欧洲、非洲及东南亚各国近几年对燃气空调逐渐有了认识，有许多销售商因看到其巨大的市场潜力而开始全面开展燃气空调的推广工作，现已取得实质性进展。中国的燃气事业起步较晚，发展速度也较慢，燃气空调占整个空调的比率还很低，燃气空调所耗燃气占燃气总 消耗的比率更低。 进入到 21 世纪，燃气空调的发展前
8、景更为广阔。如今，全球能源专家己充分认识到天然气将是 2l 世纪的全球能源，随着燃气空调的巨大经济效益和社会效益逐渐被世人所了解和认识，燃气空调发展前景非常广阔，燃气空调的优势被全球能源专家和空调专家一致认同，许多国家已经或正准备实施一系列燃气空调推广措施。 1.2 空调的发展前景 近年来，为了满足各阶层消费者的各种需要，国内空调市场上还出现了多种新型空调：（ 1）智能空调，采用人性智能设计，无需人手操作即可自动开关。智能空调还可根据光线强弱、人员多少、 内外温差自动调节运行状态，以达到最佳室温。这种顺应趋势发展的空调自然成为新的主流；（ 2）隐形空调，专为中国家庭设计。由于中国家庭的房间面积
9、较小，房间的举架较矮，往往因为安空调占用空间较大而影响了居室的美观。生产专门为中国家庭设计的不占空间甚至能隐形的空调成为发展新的趋势；（ 3）双面出风空调，可以上下双面出风的变频空调改变了原有空调单一的送风方式。不直吹人体，不得“空调病”。为可以呼吸的具有双向换新风功能的柜式空调重新定义了健康的概念，将生活质量进一步提高；（ 4）一拖多空调。如今一户多室的住房结构已经成为主要 的户型，一套普通的空调不能满足多室要求，购买多套空调既增加了经济负担又影响了房间的美观。一拖多空调的应运而生满足了新结构的新需求，尤其是变频一拖多空调已经成为消费者的首选产品。 展望将来，网络技术的发展必将为空调带来一场
10、全新的技术革命。传统空调的概念将发生质的改变，空调网络信息时代的到来成为不可逆转的潮流。一些新型空调产品开始预留网络接口，实现网络开放。通过选配的网络控制器可实现千里之外的网络遥控。集中控制器可实现同时控制 128 台空调，为智能化小区物业管理提供便利。高技术、高附加值的特点把空调这种最 初简单的舒适品推向了一个全新的概念，成为人们在工作和生活中必不可少的人性化智能家电。 二、相关研究的最新成果及动态 当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。可以说，现代技术进步离开了制冷技术发展是不可想象的。为了让空调企业的技术人员及时了解空调制冷技术
11、的最新进展，本文以近期间有关空调制冷技术的相关文献为基础，对其中的主要内容进行综合报道，以供大家参考。 2.1 制冷剂的研究进展 总的看来，可以把制冷剂的发展历程划分为两个阶段，第一 个阶段是从自然物质到人工合成的物质；那么制冷剂发展的第二个阶段将再回归到自然物质。 早期的制冷剂是自然界中容易获得或制取的物质，如乙醚、氨、 CO2 等。但是这些早期的制冷剂最后都因为制冷设备庞大效率较低，所以在后来出现热力性能较好的氟利昂制冷剂后，最后在 20 世纪 50 年代退出常规制冷系统。 1929 年美国通用公司合成出 R12，以后很快出现了 R11、 R22 等称为氟利昂的系列卤代烃化合物，因其优良的
12、热力学特性，无毒，不燃烧，极其稳定等性质，很快成为制冷剂的主角，被大量生产和使用，如家用冰 箱、汽车空调、小型冷库都用 R12，至 20 世纪七十年代，包括制冷剂，发泡剂在内的各种卤代烃的年产量达到数百万吨，并有继续增加的趋势。 但是，氟利昂是一种化学性质非常稳定的人工合成物质，当它们挥发到大气中以后很长时间不会被自然界分解，而一直扩散到平流层，在大气层 11km至 45km处的同温层与臭氧层相遇，由于在平流层受到强烈太阳紫外线照射，含氯的氟利昂分子（称为氯氟碳化合物，英文缩写为 CFC）便分解游离氯原子，而氯原子可以催化分解臭氧分子，在反应中氯原子被不断的放出，所以分解反应不断进行，氯原子使
13、臭 氧层受到破坏、减薄直至消失。由于氟得昂被大量使用，导致近年来南极上空的臭氧空洞不断扩大；而且据报道在我国青藏高原上空也出现了臭氧空洞，因此对氟利昂制冷剂的替代势在必行。 2.2 国际 R22 替代技术的情况 在成功地进行了 CFC 的替代之后 ,人们更多地把注意力投向 HCFC。而其中首当其冲的无疑就是制冷空调行业中应用最广泛的 HCFC 中的 R22， ,该制冷剂自1936 年问世以来就以其优越的综合性能席卷了整个制冷界 ,并且在设计、制造、运行、维修等方面积累了丰富的成功经验。 然而由于 R22 对臭氧层的耗损作用和较高的温室效应值， 1992 年的哥本哈根国际会议将其列入了逐步禁用范
14、围， 1995 年的维也纳国际会议对其规定的禁用日程为，按照履约要求，我国应在 1999 年 7 月 1 日将 CFC 类物质的消耗量冻结在 1995 年至 1997 年的平均水平上，至 2005 年削减 50%， 2010 年全部淘汰。 严格地说，目前还没有找到任何一种单工质的性能优于 R22 的制冷剂。而目前 R22 的主要替代工质包括 HFCS 类工质和天然工质。虽然对于 HFCS 类工质的研究已比较成熟，由 HFCS 类工质组成的非共沸混合物理论上可利用各组分沸点不同实现劳伦兹循环，提高制冷循环效率，但 HFCS 类工质仍然存在一定的 GWP 值（全球变暖潜能值），与 R22 使用的矿
15、物油不相溶，需要使用与之相溶的合成油，并且与干燥剂、密封材料及其他材料的相溶性也需要进一步研究，所以越来越多的人将目光投向了天然工质。天然制冷剂的最大优点在于其 GWP 值及 ODP（臭氧潜能值）值约为 0，不会对环境造成危害，并具有优良热力性能及经济性，目前研究比较成熟的此类制冷剂包括了 R407C， R32/134a,R410a,R134a，以及碳氢化合物 R1270 等等。 2.3 天然制冷剂 HFC 替代物虽然解决了臭氧层的消耗问题，但其较高的 GWP 值仍然是困扰人们的一个不可忽视的问题。如果从环境的可接受性考虑，天然制冷剂无疑是解决问题最彻底而又最完满的途径。以挪威的劳伦曾 (G.
16、Lorentzen)教授为代表的提倡天然制冷剂的流派投向了“取之于自然 ,还之与自然”的天然制冷剂。 国际制冷学会 (IIR)从 1994 年起举办两年一度的专题讨论天然工质的国际会议，交流探讨在此领域中的新发现和成果。目前在天然制冷剂中以氨、丙烷与其他烃的混合物及 CO2 制冷技术最有可能成为 R22 的长期替代物。 CO2 制冷技术已经跨进实际应用的门槛。日本几大公司开发的 CO2 热泵热水器已上市多年，年产已达十万台。日本冷冻空调空调协会标准 JRA-4050-2004家电热泵热水机（二氧化碳冷媒）对这类产品的性能、安装等有严格的规定。实际上热水器稍加改装，即可变为有热回收的家用空调，所
17、以将 CO2 用于家用空调也只有一步之遥。在汽车空调方面，可以说国际上各大汽车公司都进行了 CO2汽车空调的研制，并能过专门协调机构联合攻关，国际汽车工程学会不断发布有关报告。欧盟正在讲座相关 CO2 汽车空调的标准，准备在 2008-2010 年将欧洲的汽车空调全部改为 CO2 系统。 R134a 汽车空调只是过渡性的，一旦时机成熟，向CO2 系统转变已是定局。而这个“时机”不仅是技术性的，而且是政策性、商业性的。 2.4 热声制冷 除了在制冷剂方面的进展，在新的制冷理论及实践方面也有许多进展，如热声制冷技术的研究和运用。 热声制冷是 21 世纪以来发展的一种新的制冷技术，与传统的蒸汽压缩式
18、制冷系统相比，热声热机具有无可比拟的优势：无需使用污染环境的制冷剂，而是使用惰性气体或其混合物作为工质，因此不会导致使用的 CFCS 或 HFCS 臭氧层的破坏和温室效应而危害环境；其基本机构是非常简单和可靠，无需贵重材料，成本上具有很大的优势；它们无需振荡的活塞和油密封或润滑，无运动部件的特点使得其寿命大大延长。热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点，可成为下一代制冷新技术的发展方向。 所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应，热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。当然，实际
19、的热声理论远比这复杂的多。 当然，热 声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。目前，美国在热声领域内的投入最大，研究机构最多，取得了许多突破性的进展。如上世纪 90 年代早期，美国海军研究生院（ NPS）的 Garrett 教授开发的热声制冷机； 2000 年左右，开发了太阳能驱动的热声制冷机；还有在美国 LOS Alamos 国家实验室（ LANL）， SWIFT 教授领导着世界著名的热声研究组，他们主要研发的热声驱动的脉管制冷（低温制冷）；另外还有开式热声制冷和空调、高频微型热声机制冷以及还在研发中的种种技术。 热声技术的应用是相当丰富的，热声能量 转换技术将会给包括制冷工业在内的整个能
20、源工业带来很大的影响，它的简单、环保、节能高效的特性符合当今时代的需要，当然就目前的现状而言，由于设计水平远没有达到最优化的程度，材料的选择及制造技术都还在完善之中，而普通的制冷系统经过上百年的发展和改进，热声制冷的单件成本会高于普通传统制冷装置，但随着材料的选择和制造工业艺的日趋成熟，可以肯定热声制冷机会具有极大的成本优势。 5、国内制冷技术研究的状况 我国空调制冷行业走的是与我国家电企业相同的从技术引进到仿制的过程，虽然在生产规模上我国空调企业已 经比较大，但是在核心技术方面至今没有摆脱“照猫画虎”或“拿来主义”的圈子。从发达国家引进技术，我们得到的往往都是一些“过时”的技术。目前相当普遍
21、的现象就是，许多国内空调企业所生产的空调产品，虽然在生产规模上逐年扩大，但没有走出劳动密集型的模式，可以说没有真正的自有技术，在综合实力上处在国际分工的低端。这样的企业对新出现的制冷技术只能“望洋兴叹”了。 据了解，直到目前尚未有国内企业对新型制冷剂或者新型制冷技术进行深入研究开发并申报相关专利。就是一些看起来比较“敏感”准备开发新产品的，不过也只是在 打听如何能买到成品压缩机等等。由此可见我国企业目前所追求的不是技术上的领先、而仍然热衷于为国外高技术制冷企业“打工”，缺少长远打算。可以说，我们与国外的差距并不仅是技术开发方面的差距，而更在于创新观念上的差距。与此形成鲜明对照的是，欧美及一些国
22、家已将相关研究纳入国家计划，或是各大公司联合攻关，有关制冷方面新型循环原理、压缩机、换热器的专利层出不穷。 实际上目前我国一些大学一直在进行相关研究，如华中科技大学开展的热声制冷技术研究已有十多年的历史，是国内在热声研究方面第一个获得国家自然科学基金资助 的单位，目前为国内热声制冷研究中心。天津大学也在国家自然科学基金、教育部博士点基金和天津市自然科学基金的资助下，开展 CO2 跨临界循环的研究，此外，各种耐高温压的高效换热器也在研发之列。总的来说，我们虽起步较晚，但发展也比较快，目前主要是一个如何尽快实现产业化的问题。 三、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的
23、目标 3.1 研究内容 3.1.1 空调系统 （ 1）根据节能标准选择合适的围护结构材料，进行各功能区域空调负荷的计算； （ 2）各系统方案的确定； （ 3）空气处理设备，制 冷制热设备的选择计算； （ 4）气流组织及风系统设计计算； （ 5）水系统设计计算及水泵选择； （ 6）空调机房的设计布置。 3.1.2 通风系统 地下车库的通风设计。 设计要求： （ 1）提供完整的计算书（内容包括中英文摘要，各个系统的具体计算数据，应用的计算公式及其来源，计算过程等），正文不少于 3 万字。 （ 2）制图要求 （ 1）图纸内容：图纸目录，首页图，主要设备明细表，平面图，剖面图，系统流程图，大样图以及机
24、房布置图。 （ 2）要求：图纸数量不少于 7 张 1 号图（或折合成 1 号图），达到施工图水平。 3.1.3 其它要求 （ 1）给其它专业提供配套所需的具体数据和要求（如设备用电、用水量，基础平面尺寸，设备重量等）。 （ 2）完成文献综述和开题报告 , 字数均要求在 4000 中文字数以上，同时完成两篇 2000 个英文字以上的外文文献翻译。 3.2 研究方向 3.2.1 酒店综合楼的空调特点 1）建筑特点 该酒店的外围护结构多为钢筋混凝土的框架结构 ,采用自重的轻型墙体材料作为外围护结构。大量采用玻璃幕墙 ,采用大面积单层玻璃幕墙加铝合金饰板作为高层写字楼外围护结构的主流 ,其玻璃幕墙主要
25、为 6mm 或 8mm 厚度的热反射镀膜玻璃。 2）使用特点 该酒店房间类型繁多，使用时间不一致，管理不太方便，在选择方案时应充分考虑。 3)空调系统注意事项 a.分区问题：考虑到建筑物建筑物结构上的差别和翻建类型的不同，可将将建筑物按防火分区分为 A 区和 B 区。 b.过度季节问题：过度季节部分房间可不用冷热源 ,但部分房间仍需要降温 ,这时应用室外空气直接进入需降温房间降温 ,即节能又简单 ;或考虑采用一台小容量的制冷机。 c.大空间空调形式问题：对于个别大空间可选择取全空气系统。 d.特殊房间的个别控制问题：用风机盘管系统以便控制。 3.2.2 方案比较 本设计为酒店的空调系统设计，系
26、统的选定应注意档次和安全的要求，按负担室内空调负荷所用的介质来分类可选择四种系统 全空气系统、空气 水系统、全水系统、冷剂系统。全空气系统分一次回风式系统和二次回风式系统，该系统是全部由处理过的空气负担室内空调冷负荷和湿负荷；空气 水系统分为再热系统和诱导器系统并用、全新风系统和风机盘管机组系统并用；全水系统即为风机盘管机组系统，全部由水负担室内空调负荷，在注重室内空气品质的现代化建筑内一般不单独采用，而是与新风系统联合运用；冷剂系统分单元式空调器系统、窗式空调器系统、分体 式空调器系统，它是由制冷系统蒸发器直接放于室内消除室内的余热和余湿。对于较大型公共建筑，建筑内部的空气品质级别要求较高，
27、全水系统和冷剂系统只能消除室内的余热和余湿，不能起到改善室内空气品质的作用，所以全水系统和冷剂系统在本次的建筑空调设计时不宜采用。 终上所述，拟采用风机盘管加新风系统，风机盘管的新风供给方式用单设新风系统，独立供给室内。而对于餐厅、门厅等空间较大、人员较多、温度和湿度允许值波动范围小的房间，拟采用全空气系统。 风机盘管空调方式，这种方式风管小，可以降低房间层高，但维修工作量大，如果水管漏水 或冷水管保温不好而产生凝结水，对线槽内的电线或其它接近楼地面的电器设备是一个威胁，因此要求确保管道安装质量。风机盘管加新风系统占空间少，使用也较灵活，但空调设备产生的振动和噪音问题需要采取切实措施予以解决。
28、对于该系统所存在的缺点，可在设计当中根据具体的问题予以解决和弥补。 对于空间较大的房间 (比如大厅和餐厅 )如果设置风机盘管水系统的话会用到较多的末端设备，造成投资上的浪费，因此此类房间采用全空气系统。 3.3 研究难点 我个人认为本设计的难点是在于对建筑中气流组织的分布和建筑负荷的计算 。 3.3.1 设计依据 采暖通风与空气调节设计规范（ GB50019-2003） 民用建筑暖通空调设计措施 高层民用建筑设计防范规范（ GB50045-95） 建筑设计防火规范 空气调节设计手册 办公建筑空调设计 3.3.2 工程概况 本工程为北京市银都办公楼空调设计，总建筑面积为 8992.8m2，共 10 层，带地下层，地下层面积为 1350m2。主体为钢筋混凝土框架、砖混结构，具体楼层功能和热工参数见图纸及设计原始资料件。要求对该办公楼进行夏季空调和必
