CN105222292B - 全空气空调实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全空气空调实验系统，解决了现有的空调实验系统难以满足全空气空调系统各工况的实验要求的缺陷，包括模拟空气系统、连接模拟空气系统的模拟热泵及蒸汽系统及用于控制模拟空气系统和模拟热泵及蒸汽系统内各部件的电气控制柜，整个全空气空调实验系统通过电气控制柜控制相应的部件的开/闭，改变空气循环路径或改组系统中微缩模型空间物理性质，实现封闭式系统、直流式系统和混合式系统，能够模拟总共八类空调工况，可根据需求自主地构建系统的控制回路，满足教学和科研的需要。

Description

全空气空调实验系统

技术领域

本发明涉及一种空调实验系统，尤其是一种能模拟在现各种工况的全空气空调实验系统。

背景技术

全空气空调是：根据房间送风参数的需求，将空气在空气处理装置中进行处理之后，通过风道输送到房间中。房间内的冷负荷、热负荷、湿负荷完全由空气来承担。根据处理的空气来源不同可分为：封闭式系统、直流式系统和混合式系统。封闭式系统不利用室外新风，完全是室内空气循环，系统负荷最小，但是卫生效果较差。直流式系统是将室内的空气全部排出，不再纳入到循环系统内，通风换气效果好，但是能耗较高。混合式系统兼顾了封闭式系统和直流式系统的特点，将室内一部分空气抽回，经重复处理后再送入室内使用。

随着中国经济的迅速发展，能源和环境问题日益尖锐。特别是在炎热的夏天，电力供应日趋紧张。在可以预见的将来一段时间内，这种状况还会继续，并且会日趋严重。为此，国家一再倡导节能减排，以实现国民经济的可持续良性发展。

我国的建筑暖通空调节能工作与发达国家相比起步较晚，国内相关企业在暖通空调系统实验研究装备方面，主要存在两方面的问题，一是设备功能单一，每个设备只能实现暖通空调的某个特定功能，难以形成整体的系统概念；二是设备局限于采用已有的技术展现制冷制热原理和过程，重点在于培训实验操作者掌握传统制冷制热技术和设备维护、维修技能，缺乏技术上的突破创新和节能意识的体现。

而且现有的空调实验系统难以满足全空气空调系统各工况的实验要求。

发明内容

本发明解决了现有的空调实验系统难以满足全空气空调系统各工况的实验要求的缺陷，提供一种全空气空调实验系统，通过电气控制系统内的各种控制部件来操控空气系统区及热泵系统区的各个部件，可根据教学和科研需求自主地构建系统的控制回路，实现全空气空调系统的各种运行工况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全空气空调实验系统，包括空气循环模拟系统、服务空气循环模拟系统的模拟热泵及蒸汽系统及用于控制空气循环模拟系统和模拟热泵及蒸汽系统内各部件的电气控制系统；空气循环模拟系统包括一个模拟空调区以及与模拟空调区相连的排风风道、送风风道，排风风道与送风风道之间跨接有两回风风道，排风风道、送风风道和回风风道内均设置有风量调节阀，送风风道内设置有两级加热装置，模拟空调区内设置有室内模拟热源；模拟热泵及蒸汽系统包括风冷热泵模块机、保温水箱、处于保温水箱内连接风冷热泵模块机的沉浸式换热器、设置于送风风道内连接保温水箱的表面式换热器、连接保温水箱的循环水泵和向送风风道喷蒸汽的蒸汽发生器；电气控制系统控制各风量调节阀的开度、模拟热泵及蒸汽系统的工况、加热装置的功率和循环水泵的电机频率，从而实现全空气空调实验系统冬季工况模拟运行和夏季工况模拟运行，每一季节的模拟工况又均可完成封闭式系统、直流式系统、一次回风系统和二次回风系统，以及这些系统之间的切换运行。整个全空气空调实验系统通过电气控制系统控制相应的部件的开/闭，改变空气循环路径或改组系统中微缩模型空间物理性质，实现封闭式系统、直流式系统和混合式系统，能够模拟总共八类空调工况，可根据需求自主地构建系统的控制回路，满足教学和科研的需要；尤其是排风风道与送风风道之间跨接的两个回风风道，通过电气控制系统控制两回风风道的开/闭，从而创意性地实现一次回风系统和二次回风系统，直观展现和量化分析全空气空调系统节能运行策略。

作为优选，风量调节阀包括设置于排风口处的排风调节阀、设置于送风风道新风口处的新风调节阀及设置于两回风风道处的回风调节阀，模拟空调区的送风口处设置有可调速轴流风机。整个系统以可调速轴流风机作为动力源，可对风道内的空气流速进行连续调节，新风调节阀用来调节新风风量，排风调节阀用来调节排风风量，回风调节阀用来调节回风风量。

作为优选，两回风风道分置于表面式换热器的两侧，其中处于送风风道新风口处与表面式换热器之间的回风风道为一次回风风道，处于表面式换热器与模拟空调区送风口之间的回风风道为二次回风风道。

作为优选，送风风道内的两加热装置包括预热器和再热器，其中预热器设置于靠近送风风道新风口处的位置，再热器设置于送风风道内靠近送风口处的位置。

作为优选，送风风道的新风口处设置有新风过滤器；蒸汽发生器包括设置于送风风道内的蒸汽喷管，蒸汽喷管连接蒸汽加湿器，蒸汽加湿器由电气控制系统来控制。

作为优选，排风风道靠近模拟空调区的进风口处设置有温湿度传感器，送风风道内根据空气状态变化过程设置有温湿度传感器和风速传感器。

作为优选，表面式换热器由供水管和回水管连接，连接保温水箱的循环水泵为单相自吸水泵，单相自吸水泵设置于供水管与保温水箱之间的管路上，单相自吸水泵与表面式换热器之间设置有三通，三通三个支路上均设置有水流量调节阀，三通的其中一支路连接至保温水箱；回水管与保温水箱之间的管路上设置有水流量计。

作为优选，沉浸式换热器以螺旋形的方式盘绕于保温水箱内，沉浸式换热器盘绕成两个螺旋结构，两螺旋结构之间相互独立，每一螺旋结构均具有一个供液口和一个回气口，两螺旋结构的供液口在保温水箱外合成一路，两螺旋结构的回气口在保温水箱外合成一路。

作为优选，保温水箱采用不锈钢板制作，外表贴橡塑保温板，保温水箱外壁设置有水位计，保温水箱在水位计的下接口处连接有泄水阀。

作为优选，系统进行夏季工况模拟运行时，室内模拟热源处于工作状态，靠近送风风道新风口的加热装置关闭，蒸汽发生器关闭，风冷热泵模块机处于制冷工况；系统进行冬季工况模拟运行时，室内模拟热源关闭，在模拟空调区内放置冰盒，加热装置根据需要运行，蒸汽发生器根据需要运行，风冷热泵模块机处于制热工况。

本发明的有益效果是：整个全空气空调实验系统通过电气控制系统控制相应的部件的开/闭，改变空气循环路径或改组系统中微缩模型空间物理性质，实现封闭式系统、直流式系统和混合式系统，能够模拟总共八类空调工况，可根据需求自主地构建系统的控制回路，满足教学和科研的需要。

附图说明

图1是本发明一种系统结构示意图；

图2是本发明一种空气循环模拟系统示意图；

图3是本发明一种模拟热泵及蒸汽系统示意图；

图4是本发明一种保温水箱俯视图；

图5是本发明一种封闭式空调系统冬季运行工况示意图；

图6是本发明一种封闭式空调系统夏季运行工况示意图；

图7是本发明一种直流式空调系统冬季运行工况示意图；

图8是本发明一种直流式空调系统夏季运行工况示意图；

图9是本发明一种一次回风空调系统冬季运行工况示意图；

图10是本发明一种一次回风空调系统夏季运行工况示意图；

图11是本发明一种二次回风空调系统冬季运行工况示意图；

图12是本发明一种二次回风空调系统夏季运行工况示意图；

图中：1、电气控制系统，2、二次回风风道，3、空气循环模拟系统，4、一次回风风道，5、模拟热泵及蒸汽系统，6、模拟空调区，7、温湿度传感器，8、排风风道，9、排风调节阀，10、一次回风调节阀，11、风速传感器，12、二次回风调节阀，13、室内模拟热源，14、可调速轴流风机，15、再热器，16、蒸汽喷管，17、表面式换热器，18、送风风道，19、预热器，20、新风过滤器，21、新风调节阀，22、风冷热泵模块机，23、温度控制器，24、水流量计，25、蒸汽加湿器，26、单相自吸水泵，27、泄水阀，28、保温水箱，29、沉浸式换热器，30、水位计。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种全空气空调实验系统（参见图1），包括空气循环模拟系统3、连接空气循环模拟系统的模拟热泵及蒸汽系统5及用于控制空气循环模拟系统和模拟热泵及蒸汽系统内各部件的电气控制系统1。

空气循环模拟系统（参见图2）整体为内部可视结构，包括一个模拟空调区6、连接模拟空调区的排风风道8和送风风道18，排风风道与送风风道之间跨接有两回风风道，两回风风道分别为一次回风风道4和二次回风风道2。送风风道连接模拟空调区的进风口处设置有可调速轴流风机14，自送风风道始端的新风口处起依次设置有新风调节阀21、新风过滤器20、预热器19、表面式换热器17、蒸汽喷管16、温湿度传感器7和风速传感器11。新风调节阀、新风过滤器、预热器、温湿度传感器和风速传感器均设置于一次回风风道与送风风道的新风口之间，表面式换热器17和蒸汽喷管16设置于送风风道处于一次回风风道和二次回风风道之间的位置处，表面式换热器前方设置有温湿度传感器，蒸汽喷管后方设置有温湿度传感器，表面式换热器和蒸汽喷管之间设置有温湿度传感器和风速传感器。送风风道在二次回风风道与可调速轴流风机之间设置有再热器15，再热器的前方设置有温湿度传感器，可调速轴流风机的后方设置有温湿度传感器和风速传感器。排风风道的排风口处设置有排风调节阀9，排风风道连接模拟空调区的位置处设置有温湿度传感器。一次回风风道内设置有一次回风调节阀10，二次回风风道内设置有二次回风调节阀12。

模拟热泵及蒸汽系统（参见图3）包括风冷热泵模块机22、保温水箱28、处于保温水箱内连接风冷热泵模块机的沉浸式换热器29、蒸汽加湿器25。保温水箱与表面式换热器相接，表面式换热器具有供水管和回水管，供水管与保温水箱之间的管路上设置有单相自吸水泵26，单相自吸水泵与表面式换热器之间设置有三通，三通三个支路上均设置有水流量调节阀，三通的其中一支路连接回保温水箱；回水管与保温水箱之间的管路上设置有水流量计24。保温水箱（参见图4）采用不锈钢板制作，外表贴橡塑保温板，保温水箱外壁设置有水位计30，保温水箱在水位计的下接口处连接有泄水阀27，保温水箱顶部连接有温度控制器23。沉浸式换热器以螺旋形的方式盘绕于保温水箱内，沉浸式换热器盘绕成两个螺旋结构，两螺旋结构之间相互独立，每一螺旋结构均具有一个供液口和一个回气口，两螺旋结构的供液口在保温水箱外合成一路，两螺旋结构的回气口在保温水箱外合成一路。

电气控制系统控制排风调节阀、一次回风调节阀、二次回风调节阀、新风调节阀、预热器、再热器、可调速轴流风机、单相自吸水泵、蒸汽加湿器、室内模拟热源和风冷热泵模块机。温湿度传感器和风速传感器均连接电气控制系统，

下面对八类全空气空调系统模拟工况进行具体说明：

1、封闭式空调系统冬季运行工况（参见图5）：室内模拟热源关闭，开启一次回风调节阀，关闭二次回风调节阀，关闭新风调节阀和排风调节阀，蒸汽加湿器工作并由蒸汽喷管喷出加湿蒸汽，开启单相自吸水泵，并控制风冷热泵模块机处于制热工况，关闭预热器，根据需要可开启再热器，根据需要可在模拟空调区内放置冰盒，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于封闭式空调系统冬季运行工况。实验的时候：调节一次回风调节阀的开度、可调速轴流风机的风速、表面式换热器的热媒水流量和温度、以及再热器的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程。

2、封闭式空调系统夏季运行工况（参见图6）：开启室内模拟热源，打开一次回风调节阀，关闭二次回风调节阀、新风调节阀和排风调节阀、蒸汽加湿器，开启单相自吸水泵，并控制风冷热泵模块机为制冷工况，关闭预热器，根据需要可开启再热器，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于封闭式空调系统夏季运行工况。实验的时候：调节一次回风调节阀的开度、可调速轴流风机的风速、表面式换热器的冷媒水流量和温度、以及室内模拟热源的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程。

3、直流式空调系统冬季运行工况（参见图7）：关闭室内模拟热源、一次回风调节阀、二次回风调节阀，开启排风调节阀、新风调节阀、预热器，蒸汽加湿器工作并由蒸汽喷管喷出加湿蒸汽，开启单相自吸水泵，根据需要可开启再热器，并控制风冷热泵模块机处于制热工况，根据需要可在模拟空调区内放置冰盒，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于直流式空调系统冬季运行工况。实验的时候：调节排风调节阀、新风调节阀的开度、可调速轴流风机的风速、表面式换热器的热媒水流量和温度、以及预热器和再热器的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程。

4、直流式空调系统夏季运行工况（参见图8）：开启室内模拟热源、排风调节阀、新风调节阀，关闭一次回风调节阀、二次回风调节阀和蒸汽加湿器，开启单相自吸水泵，并控制风冷热泵模块机为制冷工况，关闭预热器，根据需要可开启再热器，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于直流式空调系统夏季运行工况。实验的时候：调节排风调节阀、新风调节阀的开度、可调速轴流风机的风速、表面式换热器的冷媒水流量和温度、以及室内模拟热源的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程。

5、一次回风空调系统冬季运行工况（参加图9）：关闭室内模拟热源、二次回风调节阀，开启排风调节阀、一次回风调节阀、新风调节阀、预热器，蒸汽加湿器工作并由蒸汽喷管喷出加湿蒸汽，开启单相自吸水泵，根据需要可开启再热器，并控制风冷热泵模块机处于制热工况，根据需要可在模拟空调区内放置冰盒，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于一次回风空调系统冬季运行工况。实验的时候：调节排风调节阀的开度、新风调节阀的开度、一次回风调节阀的开度、可调速轴流风机的风速、表面式换热器的热媒水流量和温度、以及预热器和再热器的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程。同时修正一次回风调节阀相对排风调节阀及新风调节阀的开度关系，获得一次回风空调系统冬季运行工况的各种节能效果、制热效果。

6、一次回风空调系统夏季运行工况（参见图10）：开启室内模拟热源、排风调节阀、新风调节阀、一次回风调节阀，关闭二次回风调节阀、预热器和蒸汽加湿器。开启单相自吸水泵，根据需要可开启再热器，并控制风冷热泵模块机制冷工况，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于一次回风空调系统夏季运行工况。实验的时候：调节排风调节阀、新风调节阀和一次回风调节阀的开度，调节可调速轴流风机的风速、表面式换热器的冷媒水流量和温度、以及室内模拟热源的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程，同时修正一次回风调节阀相对排风调节阀及新风调节阀的开度关系，获得一次回风空调系统夏季运行工况的各种节能效果、制冷效果。

7、二次回风空调系统冬季运行工况（参见图11）：关闭室内模拟热源，开启排风调节阀、一次回风调节阀、二次回风调节阀、新风调节阀、预热器，蒸汽加湿器工作并由蒸汽喷管喷出加湿蒸汽，开启单相自吸水泵，根据需要可开启再热器，并控制风冷热泵模块机处于制热工况，根据需要可在模拟空调区内放置冰盒，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于二次回风空调系统冬季运行工况。实验的时候：调节排风调节阀、新风调节阀、一次回风调节阀和二次回风调节阀的开度，调节可调速轴流风机的风速、表面式换热器的热媒水流量和温度、以及预热器和再热器的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程。同时修正一次回风调节阀相对排风调节阀及新风调节阀的开度关系、一次回风调节阀和二次回风调节阀之间的回风比例，获得二次回风空调系统冬季运行工况的各种节能效果、制热效果，且可以与一次回风空调冬季运行工况进行比较，来指导实际空调系统的运行控制方案。

8、二次回风空调系统夏季运行工况（参见图12）：开启室内模拟热源、排风调节阀、新风调节阀、一次回风调节阀、二次回风调节阀，关闭预热器和蒸汽加湿器。开启单相自吸水泵，根据需要可开启再热器，并控制风冷热泵模块机为制冷工况，启动可调速轴流风机，此时整个实验系统处于二次回风空调系统夏季运行工况。实验的时候：调节排风调节阀、新风调节阀、一次回风调节阀和二次回风调节阀的开度，调节可调速轴流风机的风速、表面式换热器的冷媒水流量和温度、以及室内模拟热源的加热功率等，然后通过各温湿度传感器及风速传感器在相应位置处的参数状态，将各个实验工况的不同空气处理过程分别在h-d图上进行表示，对实验中模拟的空气处理过程进行热平衡及风量平衡计算，可以分析各种平衡误差的产生原因，观测不同参数条件下空气状态的变化过程，同时修正一次回风调节阀相对排风调节阀及新风调节阀的开度关系、一次回风调节阀和二次回风调节阀之间的回风比例，获得二次回风空调系统夏季运行工况的各种节能效果、制冷效果，且可以与一次回风空调系统夏季运行工况进行比较，来指导实际空调系统的运行控制方案。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种全空气空调实验系统，其特征在于包括空气循环模拟系统、服务空气循环模拟系统的模拟热泵及蒸汽系统及用于控制空气循环模拟系统和模拟热泵及蒸汽系统内各部件的电气控制系统；空气循环模拟系统整体为内部可视结构，包括一个模拟空调区以及与模拟空调区相连的排风风道、送风风道，排风风道与送风风道之间跨接有两回风风道，排风风道、送风风道和回风风道内均设置有风量调节阀，送风风道内设置有两级加热装置，模拟空调区内设置有室内模拟热源；模拟热泵及蒸汽系统包括风冷热泵模块机、保温水箱、处于保温水箱内连接风冷热泵模块机的沉浸式换热器、设置于送风风道内连接保温水箱的表面式换热器、连接保温水箱的循环水泵和向送风风道喷蒸汽的蒸汽发生器；电气控制系统控制各风量调节阀的开度、模拟热泵及蒸汽系统的工况、加热装置的功率和循环水泵的电机频率，从而实现全空气空调实验系统冬季工况模拟运行和夏季工况模拟运行，每一季节的模拟工况又均可完成封闭式空调系统、直流式空调系统、一次回风空调系统和二次回风空调系统，以及这些系统之间的切换运行。

2.根据权利要求1所述的全空气空调实验系统，其特征在于风量调节阀包括设置于排风口处的排风调节阀、设置于送风风道新风口处的新风调节阀及设置于两回风风道处的回风调节阀，模拟空调区的送风口处设置有可调速轴流风机。

3.根据权利要求1所述的全空气空调实验系统，其特征在于两回风风道分置于表面式换热器的两侧，其中处于送风风道新风口处与表面式换热器之间的回风风道为一次回风风道，处于表面式换热器与模拟空调区送风口之间的回风风道为二次回风风道。

4.根据权利要求1所述的全空气空调实验系统，其特征在于送风风道内的两加热装置包括预热器和再热器，其中预热器设置于靠近送风风道新风口处的位置，再热器设置于送风风道内靠近送风口处的位置。

5.根据权利要求1所述的全空气空调实验系统，其特征在于送风风道的新风口处设置有新风过滤器；蒸汽发生器包括设置于送风风道内的蒸汽喷管，蒸汽喷管连接蒸汽加湿器，蒸汽加湿器由电气控制系统来控制。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的全空气空调实验系统，其特征在于排风风道靠近模拟空调区的进风口处设置有温湿度传感器，送风风道内根据空气状态变化过程设置有温湿度传感器和风速传感器。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的全空气空调实验系统，其特征在于表面式换热器由供水管和回水管连接，连接保温水箱的循环水泵为单相自吸水泵，单相自吸水泵设置于供水管与保温水箱之间的管路上，单相自吸水泵与表面式换热器之间设置有三通，三通三个支路上均设置有水流量调节阀，三通的其中一支路连接至保温水箱；回水管与保温水箱之间的管路上设置有水流量计。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的全空气空调实验系统，其特征在于沉浸式换热器以螺旋形的方式盘绕于保温水箱内，沉浸式换热器盘绕成两个螺旋结构，两螺旋结构之间相互独立，每一螺旋结构均具有一个供液口和一个回气口，两螺旋结构的供液口在保温水箱外合成一路，两螺旋结构的回气口在保温水箱外合成一路。

9.根据权利要求8所述的全空气空调实验系统，其特征在于保温水箱采用不锈钢板制作，外表贴橡塑保温板，保温水箱外壁设置有水位计，保温水箱在水位计的下接口处连接有泄水阀。

10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的全空气空调实验系统，其特征在于系统进行夏季工况模拟运行时，室内模拟热源处于工作状态，靠近送风风道新风口的加热装置关闭，蒸汽发生器关闭，风冷热泵模块机处于制冷工况；系统进行冬季工况模拟运行时，室内模拟热源关闭，在模拟空调区内放置冰盒，加热装置根据需要运行，蒸汽发生器根据需要运行，风冷热泵模块机处于制热工况。