《热能转换与空调技术》课件

热能转换与空调技术热转换调术现领从础热能与空技是代工程域的核心学科，涵盖了基力学原理到进调统识课讨热种应先空系的全方位知体系本程将深入探能在各工程用中的转换调术统设计节优机制，重点分析空技的工作原理、系以及能化策略课程导引1课程目标热热转换调统设计掌握力学基本定律，理解能原理，熟悉空系与运行2知识结构从础论应热传热术领基理到工程用，涵盖力学、学、制冷技三大核心域3行业现状调业产值亿节环术为发空行年超万，能保技成展重点未来趋势热能与能量转换简介热能的物理本质能量转换应用热质规则动动总内组转换处发动转为能是物分子无运的能和，是能的重要成部能量在日常生活中无不在汽车机将化学能机械观现为温观动剧阳电转为电电热电转为热分在宏上表度的高低，在微上反映分子运的烈能，太能池板将光能能，水器将能能热过传导辐种进传递这转换过转换术程度能可以通、对流、射三方式行些程都遵循能量守恒定律，但效率因技水平而异常见能量转换类型化学能热能→烧过转热烧烧烧响现烧术达热燃程是最常见的化学能能方式，如煤炭燃、天然气燃等燃效率直接影能量利用率，代燃技可95%以上的效率热能机械能→轮内热设备过质热环热转换为现轮达内间汽机和燃机是典型的机，通工的力循将能机械能代汽机效率可45%，而燃机效率通常在30-40%之机械能电能→发电实现电转换设备发电达发电约为发电综约为机是机械能向能的核心水力效率可90%以上，风力效率45%，而火力合效率40%工程案例火力发电1燃料燃烧锅炉内温烧产热热给温压煤粉在高燃，生大量能加水，形成高高蒸汽2蒸汽做功压动轮转热转换为驱动发电高蒸汽推汽机叶片旋，能机械能，机转运3电能输出发电转换为电过变压压输电统机将机械能能，通器升后送到网系发电热转换约为锅炉轮火力厂的能效率40%，其中效率90%，汽机效率45%苏湾电压术单达江田核站采用水堆技，核能利用效率更高，机容量1000MW，年发电达亿时量可80千瓦工程热力学基本概念热力系统状态与状态参数热统总称热状态统观质总力系是研究对象的，可力是系宏性的为闭统质变开压温状态分口系（量不）、和，由力、度、比容等统质换数状态数为口系（有量交）和孤立系参确定参分强度参统质换统数赖质数（无能量和量交）系（不依量）和广延参边义响结质类界的定直接影分析果（与量成正比）两平衡系统热热状态统力平衡包括力学平衡、平衡和化学平衡只有在平衡下，系状态数值这热础条的参才具有确定，是力学分析的基件状态参数与状态方程压力参数绝压热压测值标压为压为压测响热计对力是力学分析的基准，表力是工程中常用的量准大气

101.325kPa，工程大气98kPa力量精度直接影力算的准确性温度参数温热状态数绝温开热础摄温应单温测虑传响应时间度是力学中最重要的参之一对度（尔文）是力学分析的基，氏度是工程用的常用位度量需考感器和精度要求比容参数单质质积数热计变质胀压缩过数比容是位量工所占的体，是密度的倒在力算中，比容化反映工的膨或程，是分析做功能力的重要参热力学过程分类等温过程等压过程温过热统度保持恒定的程，常见于大容量系压过压腾力保持恒定的程，如大气下的沸绝热过程等容过程热换过温过积过刚内热无量交的程，保良好的快速程体保持恒定的程，性容器的加功与热量的区分功的概念与计算热量的传递特性传递种现为积热热温传递从温温功是能量的一形式，表力与位移的乘在力学量是由度差引起的能量，只能高物体向低物体自为积变轴动积变发传递热传递种传导赖质碰中，功可分体化功、功、流功等体化功量的三方式各有特点依物分子计动辐质W=∫pdV，是最基本的功量算公式撞，对流需要流体运，射无需介产实际驱动设备转热计显热变热变有用功是指对外界生效益的功，如机械运无量算公式Q=mcΔT适用于化，而潜化需用Q=mL统为维计显热热调统设计关响用功是指系持运行而消耗的功，如克服摩擦阻力提高有算准确区分和潜对空系至重要，直接影统关键设备选计用功比例是提高系效率的型和能耗算热力学第一定律能量守恒既创灭转换能量不能造也不能消，只能能量转化种转换各形式的能量可以相互数学表达内变净热ΔU=Q-W，能化等于量热热现它统内变热间关闭统内力学第一定律是能量守恒定律在力学中的具体体，揭示了系能化与量、功量之的定量系对于口系，能传统净热减统增量等于入系的量去系对外做的功第一定律的数学表达工程应用简化稳态流动系统数应动势变闭口系统方程在大多工程用中，能和能化相态动开统为较简为对于稳流的口系，能量方程对小，可以忽略因此方程化闭统热达为₁₁₁₂₂₁₂这调统对于口系，力学第一定律表h+c²/2+gz+q=h+c²/2+h+q=h+w是空制冷系分为内变₂为焓为为础dU=δQ-δW其中dU能化，δQ gz+w式中h，c流速，z高析的基方程为传热为统这为单质热为单质入量，δW系对外做功是最度，q位量量，w位量功基本的能量平衡方程能量守恒实际案例85%30%热回收效率节能潜力废热统过优热实现节工厂回收系的典型效率水平通化管理可的能比例

2.5MW回收功率钢铁热发电大型厂余回收装机容量钢铁业过实综热项炉废热发电统某大型企通施合管理目，将高气余用于和供暖系热锅炉温热产驱动轮发电组发电发电达采用余回收高烟气量，生的蒸汽汽机，年量时时热过热泵术温应实现2000万千瓦同，低品位余通技提升度后供厂区采暖，了级能源的梯利用热力学第二定律热流方向性热发从温传温这量只能自地高物体向低物体，是自然界的基本规律过程不可逆性实际热过质所有的力程都是不可逆的，存在能量品的降低永动机不可能类动实现从单热热转第二永机无法，即不可能一源吸并全部化为功热转换热力学第二定律揭示了能量的方向性和限制性，是理解机效率和制冷系统论础该种质个实工作原理的理基定律有多表述方式，但本都指向同一事转换过损能量程中存在不可逆失第二定律应用热机工作原理制冷机工作机制热从温热热₁温热热从温热热₂温热机高源吸收量Q，对外做功W，向低源放出制冷机消耗外功W，低源吸收量Q，向高源放出₂₁₂热₁热₁数₂单优量Q根据第一定律W=Q-Q机效率η=W/Q=量Q制冷系COP=Q/W，表示位功耗的制冷量₂₁实际总诺质统达1-Q/Q，效率是小于卡效率制冷系的COP可5-6现轮联环电轮轮组变频调过调节压缩转统负代燃气机合循厂采用燃气机和蒸汽机合，充分空通机速，使系在部分荷下保持高效运温热综达负时变频调频调利用高烟气余，合效率可60%以上，是目前最高效的行在荷率50%，空的能效比可比定空高30%发电术显火力技以上，著降低运行成本热效率与卡诺循环等温膨胀绝热膨胀质温₁温胀从热质绝热胀温从₁₂工在高T下等膨，源吸工膨，度T降至T，对热₁收量Q外做功绝热压缩等温压缩质绝热压缩温从₂₁质温₂温压缩工，度T升至T，恢工在低T下等，向冷源放复态热₂初出量Q诺环论热环仅决温热温₂₁现实热传热温卡循是理上最高效的机循，其效率取于高低源的度η=1-T/T中的机由于存在摩擦、差总诺诺为热设计论等不可逆因素，效率是低于卡效率，但卡效率机提供了理上限热能转换过程与设备锅炉系统锅炉热转换设备转为热现锅炉进烧术热热达是能的核心，将燃料的化学能化蒸汽的能代采用先的燃技和余回收装置，效率可92%以上热交换器热换实现间热传递应电业热换传热积优交器不同流体的量，广泛用于化工、力等行板式交器具有效率高、占地面小的点蓄热装置热术热热时间统变热储热温蓄技可以平衡供与用的差，提高系运行效率相蓄材料具有密度高、度稳定的特点汽轮机气轮机原理/蒸汽进入温压过调节阀进轮高高蒸汽通入汽机叶片做功2动动转热转换为蒸汽推叶片旋，能机械能发电输出3转带动发电产电转换子机生能，完成能量轮过栅胀过现轮级轮设计级总达临汽机的工作程是蒸汽在叶通道中膨做功的程代汽机采用多叶，每提取部分能量，效率可45%超数轮进温达压过热轮则为质启动界参汽机的汽度600℃以上，力超24MPa，大幅提高了效率气机以燃气工，具有快、功率密度高的发电领特点，广泛用于航空和域热泵与制冷循环1逆向热传递热泵实现热从温温传递违热量低向高的，背自然流方向2外功驱动维传热过进需要外界提供功量来持逆向程的行3能效放大单电获单热实现应消耗1位能可得3-4位量，能量放大效热泵术术应过电获技是制冷技的逆向用，通消耗少量高品位能源（能）来得大热热泵环温热泵量低品位能空气源在-15℃境度下仍能正常工作，地源利用温达热泵术业热土壤的稳定度，全年COP可

4.5以上技在建筑供暖、工余回领应阔收等域用前景广热泵工作原理压缩过程压缩温压剂压缩温压电热机将低低制冷蒸气成高高蒸气，消耗功率，是泵统变频压缩负调节频系的核心部件机可根据荷需求运行率冷凝过程温剂热热高制冷蒸气在冷凝器中放冷凝成液体，放出的量用于供暖冷温响统热凝度直接影系的供能力和效率节流过程压剂过节压温剧电胀阀高液体制冷通流装置降，度急下降子膨可精确剂统调节控制制冷流量，提高系精度蒸发过程温剂发环热发环发温低制冷在蒸器中吸收境量蒸成蒸气，完成循蒸度证统关键的控制是保系稳定运行的热能转换装置案例工业蒸汽动力装置航空与船舶发动机现业动临数温达发动压压温烧代工蒸汽力装置采用超界参，主蒸汽度600℃，航空机追求高功重比，采用高比气机和高燃室，推压过热环热环热组达经济热力25MPa通再循和回循提高效率，大型机重比可10:1船舶柴油机注重燃油性，大型低速机效率达达效率可45%以上可52%压轮实现热电联产艺热综轮启动优舰动背式汽机，排汽用于工加或供暖，合能燃气机具有快、运行可靠的点，广泛用于船力和分达轮满数发电联环术轮轮结显源利用率可80%抽汽式汽机可足不同参的用汽需布式合循技将燃气机与蒸汽机合，效率著应求，适性强提升空调技术基础舒适性空调工艺性空调务员满产艺环严主要服于人舒适需求，控制足生工对境的格要内温湿质电温湿室度、度、空气品和气求，如子厂房需要恒恒，组织设计数药间洁净环流参夏季制车需要境精度要远调26±2℃，冬季20±2℃，相对求高于舒适性空湿度40-60%节能环保要求现调统须顾节设备代空系必兼舒适性和能性，采用高效、智能控制和可实现绿碳再生能源，色低运行空调基本结构室内机组室外机组连接系统发内压缩剂电线包含蒸器、室风集成机、冷凝制冷管路、源温传线构内机、度感器等，器、外风机等核心部和控制成室外负责内环统动连纽带室空气的循件，是系的力机的接管路温调节变频变频温质响和度风源采用直流技保量直接影系负动调术统机可根据荷自的室外机能效比可效率和可靠性达速，降低噪音和能

4.0以上耗控制系统温智能控制器集成湿应度、度、人体感种传实现等多感器，节精确控制和能运远行支持手机APP程控制空调原理一蒸气压缩制冷循环冷凝器节流装置温剂热剂实现压侧高制冷蒸气放冷凝成液控制制冷流量，高低释热环压体，放量到境的力分界压缩机蒸发器压剂压缩压温剂发热产将低制冷蒸气成高蒸低制冷液体蒸吸，生环动气，提供循力制冷效果压缩环应场额统过剂变压变实现热转论环蒸气制冷循是目前用最广泛的制冷方式，占据95%以上的市份系通制冷的相和力化量的移，理循效诺环现统环剂既证减氧层率接近卡循代系采用保制冷如R

32、R410A，保性能又少对臭的破坏蒸气压缩循环压力焓图-点点点点a→b c→d压缩熵压缩过焓值温压缩节阀焓节过压闪为机中等程，增加，度升高，消耗功流中等流程，力降低，部分液体蒸蒸气1234点点点点b→c d→a压过焓值热发压发过焓值发热冷凝器中等冷却和冷凝程，大幅下降，放出冷凝蒸器中等蒸程，增加，吸收蒸量压焓图环观显状态数变发焓值热焓值减过图计统力-是分析制冷循的重要工具，直示各点的参化制冷量等于蒸器中增量，冷凝等于冷凝器中量通解法可以快速算系性能数优环设计参，化循热力状态图与循环分析

4.5理论COP环数理想制冷循的制冷系

3.2实际COP虑种损实际数考各失后的性能系15%过冷度剂过温冷凝器出口制冷的冷度5K过热度发剂过热温蒸器出口制冷的度焓熵图图种热别压缩过实际压缩过传热损压缩-（h-s）是另一重要的力分析工具，特适用于分析程的效率程由于摩擦和存在不可逆失，机熵为过优设计压缩喷间术调的等效率一般75-85%通化可以提高效率，如采用液冷却、中冷却等技EER（能效比）是衡量空性能的重要标计为输指，算公式制冷量除以入功率空调系统类型分体式空调中央空调系统内设计灵较单调统组处组统室外机分离，安装活，成本低冷型适用于夏季制集中式空系包括冷水机、空气理机、风管系等适实现变频术应显负实现温湿质冷，冷暖型可全年运行技的用著提高了部分用于大型建筑，可精确的度控制和空气品管理荷效率联统调间连VRV多机系介于分体机和中央空之，一台室外机可接柜种内满场内间变剂术实现负挂壁式、式、天花式等多室机型式足不同所需求智多台室机，各房独立控制制冷流量技精确的备洁净能化程度不断提升，具自清、空气化等附加功能荷匹配冷水机组与风冷水冷对比/风冷式机组为质简统环温以空气冷却介，安装便，无需冷却塔和水系但受境度影响较温显大，高天气下效率下降明水冷式机组为质较泵辅设备以水冷却介，效率高且稳定需要冷却塔、水等助，初资维护较投和成本相对高混合式机组结优势节负况换实现合风冷和水冷，可根据季和荷情切运行模式，全年高效运行组压缩从数大型冷水机通常采用离心式或螺杆式机，制冷量几百千瓦到千千瓦不等悬组极块设计磁浮离心机消除了机械摩擦，效率提升20%以上，运行噪音低模化允许负变数块负根据荷化投入不同量的模，提高部分荷效率热泵空调技术空气源热泵环为热应利用境空气作源，用最广泛水源热泵为热以地下水或地表水源，效率稳定地源热泵浅层热温利用地能，全年度稳定热泵调过换阀变剂实现热换热时内换为发环空通四通向改制冷流向，制冷和制功能的切冬季制，室外机功能互，室外机作蒸器吸收热内为内热温热泵术传统热泵应环热应境量，室机作冷凝器向室供超低技突破了空气源的用限制，可在-25℃境下正常制，拓展了用围热泵温节储热废热储实现节范地源利用土壤度的季性特性，夏季将建筑存到地下，冬季再提取使用，能量的跨季利用地源热泵工程实例系统调试与运行地埋管系统安装设备进统调试检查温地质勘探与设计完成安装后行系，水流量、为设备状态监统垂直地埋管深度通常80-120米，水平埋管深度度分布和运行建立完善的控系，进详细质热数实现动行的地勘探，确定土壤物性参和地2-4米采用高密度聚乙烯管材，具有良好的耐自化运行管理况负计蚀导热下水情根据建筑荷算所需的地埋管长度腐性和性能数优设计和量，化管路布局办楼热泵项总积设计负热负统钻个单统某公地源目建筑面2万平方米，冷荷1200kW，荷800kW采用垂直U型地埋管系，孔120，孔深度100米系运行达传统调统节节约费该项获绿认证为续发3年来，平均COP到

4.2，比空系能40%以上，年运行用30万元目得了色建筑三星，成可持展的典型案例新型空调技术变频与节能直流变频技术电子膨胀阀技术电变频实现压缩转连续调电胀阀剂应负变采用直流无刷机和控制器，可以机速的子膨可以精确控制制冷流量，适荷化，保持最佳节频调变频调负显发温过热传统热胀阀相比定空，空在部分荷下运行效率著提高，的蒸度和度相比力膨，控制精度提高10节显能效果明倍以上变频统压缩内电级调节统宽负围内结传全直流系包括机、室外风机全部采用直流机，系多能力使系在广的荷范保持高效运行合统进环温负馈实现剂实时优统整体效率一步提升智能化控制算法可根据境度和荷感器反，制冷流量的化控制，提高系稳定性和变动调节数化自运行参可靠性太阳能与热能转换在空调中的应用太阳能热水联合空调阳热产热驱动实现阳统达电太能集器生水，吸收式制冷机制冷夏季制冷冬季供暖，太能的全年利用系COP可

0.7，无力消耗的制冷效果光伏直驱空调系统为调电电储电统调节调阳发电光伏板直接空供，多余量存在蓄池中智能控制系根据光照强度空运行功率，最大化利用太能并网型太阳能空调发电优应调电销间阴从电电实现经济备储统发光伏先供空用，余量上网售夜或雨天网取，效益最大化配能系可提高自自用比例空调与热能回收新风预处理余热回收利用过热进热换调统热热新风通回收器与排风行交，回收空系冷凝用于生活水加预预热热夏季冷冬季，提高能源利用率系统优化集成废热综合利用统筹虑调热实废热过热泵术温考空、采暖、水等需求，将低品位通技提升度等现统优级扩应围系整体化，大用范级热调统调废热热应热达节某五星酒店安装了全回收型空系，将客房空的冷凝用于游泳池和洗浴中心的水供回收效率到75%，每年约热热费热统证内质时热达显处这种水加用50万元新风回收系在保室空气品的同，回收效率到70%以上，著降低了新风理的能耗综为绿标合能源利用模式已成色建筑的准配置空气净化与健康空调多级过滤系统级过滤细采用初效、中效、高效三，有效去除PM

2.

5、菌、病毒等有害物质过滤颗过滤达HEPA高效器对

0.3微米粒的效率

99.97%以上紫外线杀菌技术线细结构杀灭达术UV-C紫外可破坏菌和病毒的DNA，率

99.9%光催化技结线剂醛污合紫外和催化，分解甲等有机染物负离子净化释负污质负浓达放离子中和空气中的正离子染物，改善空气品离子度到每个时显应立方厘米1000以上具有明的健康效智能监测控制实时监测醛标动调节净远监PM

2.

5、甲、CO2等指，自化强度手机APP程时内质状况控，随掌握室空气量智能空调与节能控制术调应过习户习惯环变实现预测红应识别间内人工智能技在空控制中的用日益广泛，通学用和境化模式，性控制外人体感器可房人员实现温湿传质传统为决数分布，区域化精确控制度感器、空气量感器等多元感知系智能策提供据支撑数术识别户动优务数过习优逻大据分析技可以用的使用模式，自化运行策略云端服器收集海量运行据，通机器学算法不断化控制辑预测维护发现设备隐维统性功能可提前故障患，降低修成本并提高系可靠性空调系统节能设计要点建筑围护结构优化墙温热减热负提高体、屋面、门窗的保隔性能，少冷荷冷热源高效配置选择设备数高效制冷，合理确定装机容量和台输配系统优化减变输少管道长度，采用流量控制，降低送能耗智能控制策略实时间负预测施分区控制、程序控制、荷控制节设计从设备统个层综虑节础过围护结构热减调负设备选应虑能需要建筑、、系、控制四面合考建筑能是基，通提高工性能可少空荷30-50%型考全况负额况统设计统筹虑统现实现节关键年运行工，部分荷性能往往比定工更重要系要考各子系的匹配性，避免大马拉小车象智能控制是能运行的手段常见节能措施案例25%30%外窗节能潜力夜间运行节能辐热铝节业间预节采用低射玻璃和断合金框架的能效果商建筑夜冷运行的能比例40%15%变频系统优势智能控制贡献联变频统频统节带额节多机系相比定系的能幅度精确控制策略来的外能效益购过综节节约电时换组从热负某大型物中心通合能改造，年用200万千瓦主要措施包括更高效离心式冷水机，COP

3.2提升至

5.8；安装全回收器，新风荷降低60%；采用LED统优调营业时间实预值总资节显资照明和智能照明控制系；化空运行策略，非施冷和班运行改造投800万元，能效益著，投回收期

5.2年工程热力学综合案例1钢铁厂余热回收项目炉转炉热发电发电亿利用高煤气和煤气余，装机容量50MW，年量3时千瓦2商场空调系统设计统电异间间节采用冰蓄冷系，利用峰谷价差，夜制冰日融冰供冷，年约电费60万元3数据中心热管理务废热过热统办值从服器通回收系用于公区采暖，PUE

2.0降至

1.3热论实际项应综虑术经济环工程力学理在目中的用需要合考技可行性、合理性和境钢铁业热资温动应友好性企的余源丰富，但度和流量波大，需要采用适性强的余热术业调统设计资费热术利用技商建筑的空系要平衡初投和运行用，蓄冷蓄技可电异数热负极热以有效利用峰谷价差据中心的荷密度高，余回收潜力巨大，是未发来展的重要方向制冷剂的环保趋势淘汰类制冷剂CFC剂氧层严类剂R12等CFC制冷已全面禁用，对臭破坏重HCFC制冷如R22发达产也将逐步淘汰，国家已于2020年停止生推广环保制冷剂HFC剂氧层选择R410A、R32等HFC制冷不破坏臭，是目前的主流R32具有值为剂发更低的GWP，成新一代制冷的展方向天然制冷剂应用剂极值临CO

2、NH

3、R290等天然制冷具有零ODP和低GWP CO2跨界环热泵热应设备循在水器中用广泛，R290在小型制冷中使用增多第四代制冷剂研发类剂值较剂过HFO制冷如R1234yf具有超低GWP，但成本高混合制冷通优时满环成分化可同足性能和保要求空调行业技术标准级热围等制冷COP制COP适用范级产一能效≥

3.6≥

4.0高端品级产二能效≥

3.4≥

3.7主流品级三能效≥

3.2≥

3.4基本要求级四能效≥

3.0≥

3.1逐步淘汰级场五能效≥

2.8≥

2.8市准入标实动调产术进级国家能效准的施推了空品的技步，能效等每3-5年更新一槛检测标规额况负况种测试次，不断提高门要求准定了定工、部分荷工等多条评产业过认检测构进试验件，全面价品性能企需要通国家可的机行型式，获标识认证销碳标进标得能效和3C后方可售随着双目的推，未来能效准将严更加格。