1.1 建筑冷热源概述在线视频

同学们好

我是清华大学建筑技术科学系的石文星

从今天开始

让我们一起来学习《建筑冷热源》课程

在进入课程之前

让我们来看看网上广泛流传的两个段子

一个是 在炎热的夏季

网上就会流传这样的段子

说 人类有两个救命恩人

一个是 后羿

一个是 威利斯•开利

我们小时候

就知道后羿射日的故事

在远古的时候

天上出现了十个太阳

英雄的后羿射下了九个

给我们的地球留下了一个太阳

有这一个太阳的照射

就足以给我们带来光明和温暖

如果没有后羿

人类将无法生存

威利斯•开利是空调的发明人

他发明的空调 使我们的房间变得清新 凉爽

有了空调 我们的房间

就可以四季如春了

开利为什么会发明空调呢

这得从1901年说起

当时有一个印刷公司

到处寻求能够调节空气温度 湿度的设备

以获得高质量的印刷产品

开利接受了这个任务

他想 如果能够像供热设备一样

将换热器中用于供暖的蒸汽换成冷水

不就可以除去空气中的水分和热量了吗

于是他在1902年

研制出了世界上第一套空气调节系统

1915年 开利筹集了32万美金

成立了至今还非常有名的开利公司

1922年 他成功地研发出了世界上

第一台离心式冷水机组

这是暖通史上

具有划时代意义的事件

1928年 开利公司又研发出了

世界上的第一台家用空调

并安装了在美国国会的办公室里

在第二次世界大战以后

美国经济飞速发展

同时 空调也进入了我们千家万户

这个段子就说明了建筑冷源的重要性

这里的建筑冷源就是空调

可见 没有空调就没有夏季的清凉

还有一个段子 是以漫画的形式流传的

漫画的内容是这样的

北方的建筑里面装有暖气

且供热太足

室内燥热如夏

穿着短袖吃雪糕

开着窗户摇蒲扇

而在南方 天气湿冷

室内又没有采暖的设施

使人冷得发抖

只好围着被子 钻进被窝

我们先不说这些做法是否合理

但至少说明了 建筑热源的重要性

这里的建筑热源

就是保证室内温暖的 暖气

及其提供供暖热水的热源

可见 没有建筑热源

即使是 气温比较温和的南方

冬天的室内也是非常寒冷的

下面 我们开始进入课程的第一讲

建筑冷热源概述

在这一讲里

我将介绍三个内容

第一 建筑的冷热负荷

需求冷热量和需求品位

第二 建筑中常用的冷热源设备与系统

最后

简要介绍一下 我们课程的主要内容及其相互关系

我们人类大部分时间在室内度过

随着时代的发展

人们对工作 生活环境的要求也越来越高

要求室内有适宜的温度 湿度

和清新 健康的空气品质

这种实现对室内环境控制的技术

就是 暖通空调（HVAC）

为了维持室内的温度 湿度和空气品质

就需要从室内移除多余的热量 水分

或补充不足的热量和水分

并去除多余的污染物

这种多出或不足的部分 就可以理解为房间的负荷

针对热量和水分而言

就是建筑中的冷 热负荷

在这里 我们需要明确三个问题

建筑的冷热负荷

维持室内温度 湿度的方法

以及室内冷热需求的量和质

首先 我们来看看建筑的冷热负荷

在《暖通空调》课程中

我们已经学过

建筑的冷热负荷包括

热负荷和湿负荷

我们通常称为热 湿负荷

热负荷由室内的热源 围护结构

和新风带入房间的热量

室内热源包括照明 发热设备 人体散热等

围护结构的传热包括墙体 窗户 屋顶

和地面的传热量

还有 室外空气带入房间的显热

湿负荷 是由室内水面

和人体等湿源产生的水蒸气

以及室外新风带入的水蒸气的潜热构成

下面 以热负荷为例

看看室内负荷的特征

随着季节的变化

室外温度 一年四季呈现周期性的变化

如果 我们不采用任何降温和加热设备

也就是说 不采用空调和供暖设备

室内的温度也将随着气候的变化而变化

这个室温就叫 自然室温

自然室温与室外温度

室内发热量和建筑围护结构的保温性能

等因素密切相关

从图中可以看出

当围护结构的保温性能做得更好时

自然室温将更为平缓

另一方面

前人的研究表明

人体的舒适温度在16-28℃范围内

因此，当自然室温落在这个范围内

人们就感到舒适

不需要运行采暖或空调设备

比如 我们在春天和秋天就感到室内非常舒适

为了维持冬季的室温不低于16℃

夏季不高于28℃

这就需要在冬季供暖 夏季供冷

如果 需要维持室内的湿度

则夏季需要除湿

冬季需要加湿

这种夏季需要从室内排出的余热 余湿的总热量

就是建筑的冷负荷

冬季需要投入的热量和湿量

即 水蒸气潜热量

就是冬季的热负荷

由此可见

建筑的冷热负荷

是建筑特性和室内舒适性需求共同决定的

为了保证 室内温度维持在舒适的范围内

则必须在夏天和冬天

利用建筑冷热源设备向建筑供冷或供热

需要说明的是

冷热源设备提供的冷热量

是这些设备的供冷和供热能力

而建筑负荷 则是冷热源设备的负载

为了维持室内（所需）的温度和湿度

则需要冷热源设备向建筑

提供与负载相等的制冷或制热能力

当建筑结构一定时

室内负荷与室内需求水平关系很大

如夏天的室温越低 冬天的室温越高 新风量越大

都会导致建筑的冷热负荷越大

因此 除特殊工艺外

我们在使用时

不要对房间品质提出过度需求

则可降低室内负荷

同时 也就可以降低吃掉这些室内负荷所消耗的能量

那么 自然会有人问

如何维持室内所需的温湿度呢

那就让我们一起来看看

维持室内温湿度的方法吧

在夏季 当室内有多余的热量和水分的时候

则需 将它们移到室外环境中去

此时 我们就需要提供热汇和湿汇

这个热汇 也就是带走热量的冷源

从获取冷量和去除水分的冷源

和湿汇的类型来看

这些冷源 可以来自于天然冷源

如 地下水 冰雪等

也可以 来自于人工冷源

制取人工冷源的设备有

冷水机组 空调器等

当冷源的温度低于被处理空气的露点温度的时候

这些冷源不仅是除去热量的载体

同时也是 除去空气中水蒸气的湿汇

从空调系统的形式或者温度 湿度处理过程来看

这些冷源和湿汇可以是合二为一的

也可以是 各自独立的

前者是目前常用的方法

如 我们使用的房间空调器 风机盘管 空调箱等设备

它们在降温的同时 也实现了室内的除湿

这种空气调节系统可被称为

温湿度耦合控制系统

后者是 近年来发展起来的温湿度独立控制系统

在空调系统中

分别设置独立的温度和湿度控制系统

其中 空调系统中的湿汇

就是我们常说的除湿机

有冷冻除湿机 转轮除湿机 溶液除湿机

等多种类型

而冷源则可以采用地下水

和冷水机组制取的温度较高的冷水

另一方面

在冬季 当建筑或房间有热量损失时

则需补充热量

这就需要有提供热量的热源

热源的种类很多

包括 地热水 太阳能等天然热源

还包括 工业余热

以及各种各样的锅炉 热泵等人工热源

有了热源后

还需要 适宜的末端放热设备与之匹配

将高温的载热介质 送入室内的末端散热设备内

这些散热设备 通过对流 辐射或导热的方式

将热量投入房间中

以维持室内的需求的温度

当我们感到 室内空气很干燥时

还需要 通过加湿的方式向室内补充水分

以提高空气的湿度

这就需要 采用必要的加湿设备来实现

关于加湿设备

我们已经在《暖通空调》课程中学过

这里就不再赘述了

不同气候 不同类型建筑的冷 热量需求差异很大

需要供冷和供热的时间长短也很不一样

因此 这些建筑排出

或补充热量所需的空调 供热能耗

也存在着很大的差异

这里给出了 典型气候区不同建筑

全年需要供冷 供热的天数分布

我们发现

在夏热冬暖地区的广州

办公建筑 商场仅有少量时间有供暖需求

而在严寒地区的哈尔滨

其供暖的时间非常长

但 哈尔滨的住宅建筑1年内

却只有41天的室温可能超出28℃

欲维持28℃以下的室温

则 需要使用空调

我们需要通过冷热源设备

向室内投入冷量和热量 以维持室内的温湿度

然而投入冷热量的多少

仅仅是一个量的概念

但是 冷热量是有品位的

相对于环境而言

温度越高的热量和温度越低的冷量

其品位越高

也就是热力学中的热量㶲

或冷量㶲越高

热量的品位高低 是由热力学第二定律决定的

那么 我们需要采用多高温度的冷热量

就可以吃掉房间的冷热负荷呢

这就是我们要讨论的

建筑对冷热量品位的需求问题

夏季我们需要对室内降温

则必须提供比室温更低的冷却介质

如 冷水机组制取的冷水

空调器进入室内机的低温制冷剂

但 如果需要除湿的话

则需要提供 比室内空气露点温度更低的冷却介质

因此 在温湿度耦合控制系统中

降温 除湿由一套设备来完成

故需要提供的冷水 制冷剂的温度

就必须低于室内空气露点温度

这一般都需要人工冷源 才能完成

当采用温湿度独立控制系统时

降温 除湿由不同的设备完成

故 降温时所需要的冷水或制冷剂的温度只需低于室温即可

这样就可以使人工冷源设备的效率更高

同时 在条件允许的情况下

可采用各种各样的自然冷源

如 地下水 低湿地区由冷却塔制取的冷却水等

此时 再选取合理的除湿设备

对室内空气或新风进行除湿

即可获得整个系统能效比

比温湿度耦合控制系统的能效比更高的效果

顺便说一下

在建筑中 还有一些工艺要求的冷源需求

例如 利用冰箱储存各种各样的食品

果蔬 鸡蛋等需要存放在0℃以上的冷藏室

冷冻食品则需要储存在-18℃以下的冷冻室

还有一些食品可以贮存在

0℃以下到冻结点以上的冰温室

建筑中还有饮水机 冰淇淋机等电器

这些电器 都属于工艺用冷设备

需要根据工艺要求 提供所需温度的冷源

虽然 这些冷源的品位需求是工艺要求决定的

但 它也属于我们建环专业所涉及的

人工环境技术领域

其基本理论和技术方法是完全相同的

建筑中的用热

除了炊事 开水用热的需求温度品位较高以外

供热 采暖和生活热水的需求

水温一般都比较低

大都在45℃以下

即使是散热器 就是暖气片

我们也可 适当地增大暖气片的散热面积

采用温度更低的热水

这样 我们就可以有更多的自然热源可以利用

当采用热泵作为热源设备使用时

其耗电量将更少

因此 建筑中需要的热源

除炊事和烧开水以外

实际上 都是品位或者温度较低的热源

我们应尽可能采用

温度较低的热源用于建筑供暖

我们应尽可能地不要将

高品位的电能 天然气直接转化的热能用于供暖

而应该将这些高温 高品位的能源

用在更为需要的地方去

例如 冶炼 发电 汽车等领域

如果一定需要消耗电能和天然气

我们应充分应用所学知识

采用一定的技术措施

通过消耗少量的电能和天然气

使之转化为品位更低

但数量更大的热量加以利用

我们常常讲的建筑节能

实际上 不仅要节约建筑需要的冷热量的多少

同时 还要节约冷热量的品位

也就是说

既要节约建筑所需冷热的量

更要节约所需冷热的质

坚持这个原则

才是我们对建筑用能的高尚品德（追求）