01第一讲绪论

1空调与制冷技术Air-conditioning&Refrigeration人类进入居住环境自由王国的一个重大飞跃清华大学建筑学院建筑技术科学系2006年9月2第一讲绪论AC&R的发展历史世界中国今后的展望3一．空调的世界历史沿革人类基本生存的需要经济发展的需要早期空调方法–通风：靠建筑设计获得自然通风–制冷旧石器时代：收集和利用天然冷量新石器时代：规划和发展天然冷量1815年，BOSTON的FredericTudor开始用船向温暖地区运天然冰。1864年业务遍布南美、远东、中国、菲律宾、印度和澳大利亚。–采暖：烧柴的壁炉烧柴和煤的铸铁采暖炉蒸汽集中区域供暖系统4一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段1.初期：采暖与通风为主1~4世纪,古罗马时代,据考察有将热空气从床下送入房间的装置18世纪的英国，由于工业革命的兴起,城市人口急剧膨胀，只有一部分人才有取暖19世纪后期，欧洲出现了保持人体舒适和维持健康的必要的通风换气法规5一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段1.初期：采暖与通风为主古希腊人的采暖方式6一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段2.1755－1875年，人工制冷史的初级阶段热力学理论–WilliamCullen的学生JosephBlack(生于法国)创造了量热学（热量、温度、比热）–物质的状态方程–热力学第二定律1755年可以看作人工制冷史的起点–1748年，WilliamCullen（苏格兰人，格拉斯哥大学教授）科学地观察到乙醚蒸发会引起温度的下降–1755年，WilliamCullen发明了第一台采用减压水蒸发的制冷机，同时发表了“液体蒸发制冷”论文，开创了人工制冷的新纪元7一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段2.1755－1875年，人工制冷史的初级阶段机械空调出现–1805年蒸汽压缩制冷被提出–1834年做出了蒸汽压缩制冷机械模型–1850年代初做了进一步的蒸汽压缩制冷实验–1867年在SanAntonio，D.Holden和J.Muhl建成蒸汽锅炉驱动的制冷装置–1875年Linde制造出第一台甲醚压缩机–1876年Linde制造出氨压缩机–1875年前产生了四种制冷机：空气膨胀式制冷机、（氨）吸收式制冷机、蒸发式制冷机、水减压蒸发式制冷机，拉开人工制冷序幕8一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段3.1875－1914年：制冷开始工业化制冷开始工业化–1890年代中出现最早的电动压缩机–1890年代蒸汽发动机成为制冷和通风(离心风机)的动力发现与发明了各种制冷剂：NH3,SO2,CHClF2等制冷技术的广泛应用：酿造、食品、水产、肉食加工、冷藏链、土木工程、娱乐学术交流：1908年第一届国际制冷大会在法国巴黎召开，1909年，国际制冷学会成立91869年D.Holden设计的制冰装置10一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段3.1875－1914年：制冷开始工业化1890年代中期出现的早期蒸汽驱动的风机11一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段3.1875－1914年：制冷开始工业化1890年代早期的电动制冷压缩机121890年代制作成了由风机和喷水室组成的空调系统1900年已经正式使用并制作出机械冷却空气的系统1900年以后热风系统出现，与冷风系统合并1900s美国印刷厂采用风机和喷水室组成的空调系统，应用于工业建筑1902年开利(Willis.H.Carrier)在印刷厂首次应用了空调装置；一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段3.1875－1914年：制冷开始工业化13一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段4.1914－1945年：战争推进制冷发展压缩式制冷机称霸制冷行业–氟利昂的出现–回转式压缩机普及制冷进入日常生活–家用冰箱、食品储藏柜、冷藏库、冷藏运输空调进入（美国）生活的各个领域–电影院、交通运输工具、特殊场合（军事）14一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段4.1914－1945年：战争推进制冷发展1922年医院有了空调；1922年,由开利研制出了第一台离心式冷冻机15一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段4.1914－1945年：战争推进制冷发展1907年在Chicago的CongressHotel采用喷水室空调系统，首次应用于民用建筑。1919－1920芝加哥一电影院采用喷水室空调16一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段5.1945－1975年：技术进步与推广在世界范围内，惊人的发明甚少，更多的则是技术的进步与推广–制冷剂品种广泛增加–蒸气压缩式制冷技术仍然占主导地位–压缩机与部件的性能改善–应用领域广泛化工工业冶金与机械工程公共工程运动场海水淡化污水净化人工降雨人工环境工程（空调工程）17一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段6.1975年以后：普及与挑战现代空调技术高度发展，无处不在–工业建筑：电子、精密仪器、纺织、烟草、音像制品、制药、化工、生物决定了产品质量–商用建筑：商场、影剧院、体育设施、写字楼、会议厅、餐饮设施、娱乐设施决定了营业额–居住建筑：宾馆客房、住宅、医院病房、幼儿园决定了居住者的健康–交通工具：飞机、船舶、火车、地铁、汽车决定了安全与健康–特殊用途：手术室、实验室、果菜储藏、温室、宇航、军事、核能决定性因素18一．空调的世界历史沿革（6阶段）阶段6.1975年以后：普及与挑战在世界范围内，制冷技术得到普及与发展–现有技术的普及、改进、发展–高性能部件诞生–智能化控制制冷面临的挑战–环境保护ODP、GWP关注原始技术方案–节能节材系统与部件优化能源的综合利用19二、空调在中国的发展历史清代“冰窑”冬季贮冰夏季出售传统的采暖方式：炉子、火盆、火炕、火墙31年上海纺织厂，采用深井水作冷源的喷水室空调50年代在多数北方主要城市建成城市热网80年代前采暖通风、工业空调为主85年房间空调器需求量8万台80年代末舒适空调大发展，空调设备总产值约5亿元20二、空调在中国的发展家用空调器产量居世界首位1.3212.3524.07682.56786.12974.011156.871337.641826.672333.6431353500050010001500200025003000350040008085909596979899200020012002200321家用能耗设备的增长010203040506019961997199819992000百户拥有量024681012平方米空调器热水器人均居住面积22每百户家用空调器拥有量0102030405060708090Air-conditioner/100family199654.949.8352000908362广州上海北京广东省23二、空调在中国的发展高等教育发展：设置暖通空调专业的院校02040608010012019771997199920032004843906011024三、空气调节的定义Air-conditioning广义获得满意的建筑室内空气环境的手段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更狭义人工和机械的手段同时处理空气多参数(温度、湿度、速度、辐射、空气质量等)25三、空气调节的定义Air-conditioning方法广义狭义更狭义供冷、净化空调：多参数处理散热器采暖：单一温度处理机械通风：单一洁净度处理建筑设计(绝热、遮阳、蓄热等)其它自然手段(自然通风、自然采光、太阳能采暖等)26四、空气调节的分类与处理参数工艺性空调–应用场合：工业建筑，医院、实验室、演播室–处理参数：温度、湿度、洁净度、风速、压力–控制标准表达方式：空调基数＋允许波动范围精密仪器制造车间要求：温度200.1℃，相对湿度505％超大规模集成电路生产车间：洁净度标准为M1级(直径0.1m的尘粒个数350粒/m3)合成纤维生产车间要求：相对湿度552％–特点精度高难，对测量和控制设备及控制算法要求高参数少易，多数仅对一两个参数有高要求27四、空气调节的分类与处理参数舒适性空调（应用场合：商用建筑，民用建筑）–处理参数：温度、湿度、风速(平均值、脉动频率、脉动幅度)、空气质量(新鲜度、气味、洁净度、VOC浓度、负离子含量)、平均辐射温度、噪声、压力等。–控制标准表达方式：空调基数五星级宾馆客房：温度23~25℃，相对湿度50~60％，风速0.25m/s，新风量100m3/h，含尘量0.15mg/m3，噪声30dB–特点：参数多难，参数间相关关系对人体感觉的影响复杂，新因素存在未知影响精度低易，人体有一定的容忍度28五．存在的问题和前沿研究的焦点存在的问题（1）–高能耗，建筑能耗占社会总能耗30％以上中国：目前25%（含采暖）。97家用空调器新增装机容量占全国发电总装机容量增加的25％。98年全国电力增容1500万kW，空调峰值容量1400万kW。日本：30％美国：35％29我国建筑能耗状况公共建筑大型公共建筑（星级宾馆、高档写字楼、购物中心）–用电占民用建筑用电量30％以上–大型公共建筑空调电耗是居住建筑的10倍以上。同地区、同类型建筑能耗差别很大2005年暑期政府办公楼能耗调查：空调用电量为20～80kWh/年–一些地区的大型建筑空调用电量占城市用电量广东省：40％上海：31.1％重庆：23％采暖空调系统能耗一般占整个建筑能耗的40~60％预计2020年需增加4500亿kWh/年用电量30我国民用建筑的能耗构成采暖空调65%生活热水15%照明家电14%炊事6%空调采暖47.2%照明32.3%电梯、卫生20.5%住宅：现有面积100亿m2，能耗占74％用电量10~30kWh/m2年大型办公楼公共建筑能耗占26％，用电量100~300kWh/m2年空调用电占50～60％3190年代末上海公共建筑一次能源消耗比例%空调照明热水动力与其他宾馆46.113.5319.4商场40.533.710.715.2办公楼49.733.32.717医院30.313.941.81432存在的问题（2）都市环境污染–空调排热造成的城市热岛效应–空调室外设备产生的噪声污染–室外设备设置不当造成的视觉污染–地球温室效应(CO2排放)–臭氧层被破坏(CFC物质)病态建筑综合症：建筑的非天然环境影响居住者健康–封闭空间新风不足，VOC及致病微生物排除不良–稳态的室内热湿环境使人体调节功能退化33存在的问题（2）微生物积聚的空气冷却器积尘的风道成为二次空气污染源34前沿研究的焦点（1）环境保护与可持续发展–资源与传统能源的合理利用，新的建筑设备与系统–新能源、天然能源和多种能源的综合应用–建筑环境控制与建筑设计紧密结合，主动＋被动如何实现“舒适＋健康”？–新的空气处理流程和系统，达到降低过程能量损失的目的–新末端设备的开发：满足人的热舒适与IAQ要求–高水平的系统设计：Designbysimulation通过建筑热模拟设计系统的全年运行方案通过CFD设计手段提高室内热环境与空气质量环境35前沿研究的焦点（2）照明改进风机、水泵新风优化控制围护结构改进热回收、被动式系统5~10%10~15%10~15%10~15%5~15%办公楼建筑的节能途径(节能30~50%)36前沿研究的焦点（3）本学科难点–高水平的设计要考虑自然的、人为的、社会的、经济的、心理的等等因素，以及涉及使用者的行为学、人体工程学等知识，绝对不是现有技术的堆砌或者仅仅满足标准和规范的要求。–由于涉及的人员量大面广，新技术的采用要谨慎、保证可靠。37六.关于本课程专业课有什么不同于以往基础课的特点？–基础课＝科学专业课＝技术–基础课＝建筑材料专业课＝盖房子–培养运用基础课的理论分析解决本专业问题的能力–涉及的基础理论知识范围极广，非一两本教材可涵盖。要求对以往学习的理论知识融会贯通，灵活运用作业–以思考题、应用分析题为主考核与评价