練習制冷系統(tǒng)故障診斷關鍵問題的研究

1、制冷系統(tǒng)故障診斷關鍵問題的研究Study on Key Point of Fault Detection and Diagnosis for Refrigeration System（一） 立項依據(jù)1、 項目的立項依據(jù)近年來，室內空氣的污染已經(jīng)直接影響到人們的健康甚至生命安全。特別是2003年SARS的暴發(fā)流行以及長期存在的“空調病”已引起了全球各地學術界的高度重視。室內空氣污染給社會造成的嚴重后果給暖通空調領域提出了新的挑戰(zhàn)，如何從源頭上更有效地防止室內環(huán)境被污染并保障公共環(huán)境衛(wèi)生安全已成為刻不容緩的任務和課題。HVAC（heating, ventilation and air condit

2、ioning）系統(tǒng)建造和存在的最主要目的是為人類提供健康和舒適的環(huán)境，然而隨著HVAC系統(tǒng)的長期應用狀況及生物醫(yī)學方面的發(fā)現(xiàn)，HVAC系統(tǒng)已經(jīng)成為導致建筑室內環(huán)境污染的主要根源之一。特別是近年來對HVAC系統(tǒng)過分強調其節(jié)能的要求，HVAC系統(tǒng)從設計開始，到其日常的運行及維護等方面，都幾乎忽略了它的原始目的之一提供健康、衛(wèi)生的室內環(huán)境。歐洲在上世紀90年代中期就開始注重HVAC系統(tǒng)對室內環(huán)境的影響特性，研究人員通過一個項目名為“European IAQ-Audit project”1的工作，調查了56個辦公樓。結果發(fā)現(xiàn)所有大樓的室內空氣品質都較差，而且室內人員對室內環(huán)境的不滿意率都較高。這個項目

3、的最重大發(fā)現(xiàn)是：HVAC系統(tǒng)本身就是污染室內空氣的兩個最大根源之一（另一個是眾所周知的建筑及裝飾材料），而通常所認為的室內人員對室內空氣品質的污染影響則遠遠小于它們。在同時進行的另一個項目名為“European Database on Indoor Air Pollution Sources in Buildings”2也獲得了幾乎完全相同的結論：整個HVAC系統(tǒng)，包括其部件和設備，都是污染室內環(huán)境的罪魁禍首之一。盡管這些項目的研究以及其他類似的研究3,4,5,6都報道證實了HVAC系統(tǒng)及其部件和設備在傳輸空氣的同時也污染了空氣，但是，HVAC系統(tǒng)污染空氣的過程、污染途徑和機理，至今還未有完全

4、明了的解釋。近幾年來，無論是國內還是國外，無論是政府部門還是HVAC生產(chǎn)商及研究機構，都對HVAC的健康問題十分重視，因此一些凈化室內空氣的裝置和設備，如光觸媒、高壓靜電等，都大有推廣應用的趨勢。但是，如何正確、合理和恰當?shù)貞眠@些裝置和設備，其前提條件在于獲知污染源之所在及污染之機理。否則，一方面可能會造成HVAC建造和運行成本的增加，而且凈化效果不明顯；另一方面還有可能造成室內環(huán)境的二次污染。而解決問題的關鍵所在，就是要完全了解HVAC系統(tǒng)污染空氣的途徑和機理，只有這樣才能在設計和運行維護中采取包括增加凈化設備在內的各種有效措施，保持室內環(huán)境的健康性和衛(wèi)生性。而當前還未有相關方面的研究報道

5、。當前，來自于歐洲7國的12個大學、研究所和公司開始了一個簡稱為AIRLESS（Design, Operation and Maintenance Criteria for Air Handling Systems and Components for Better Indoor Air Quality and Lower Energy Consumption, Pre-Normative Research）7的項目，針對歐洲當前HVAC系統(tǒng)的設計和使用狀況，該項目希望獲得目的在于提高和改進HVAC系統(tǒng)及其設備和部件性能的應對策略以及相應的理論和規(guī)范，其最終目的是為了建立HVAC系統(tǒng)設計和運行

6、維護的統(tǒng)一標準和協(xié)議?；趪獾难芯窟M展狀況，我們建議目前我國也應開展相應的研究，其主要原因有二：(1). 我國近年來的經(jīng)濟快速發(fā)展使我國進入了一個電力十分緊缺的階段，這使得當前國內的建筑空調系統(tǒng)從設計到運行維護方面，都以簡化和節(jié)能為首要考核指標，這無疑會使HVAC系統(tǒng)在惡化室內空氣品質和影響人們身體健康方面埋下隱患。研究HVAC系統(tǒng)污染室內環(huán)境的途徑，了解其機理，就可為找出解決問題的方法提供先決條件，同時，也可為HVAC系統(tǒng)合理的節(jié)能設計和恰當?shù)墓?jié)能運行控制策略提供理論基礎。(2). 基于建筑空調的迅猛發(fā)展趨勢和健康節(jié)能的要求，從自主知識產(chǎn)權角度出發(fā)，在未來的幾年里，我國應制定自己的HVAC

7、系統(tǒng)的健康評判標準及相應的技術規(guī)范和協(xié)議。該建議項目的研究將會給今后的評價方法和技術協(xié)議提供堅實的理論基礎；正是基于上述原因，本研究確立以“空調系統(tǒng)污染建筑室內環(huán)境的途徑及機理的研究”為課題內容，集建筑環(huán)境與設備、工程熱物理等學科的基礎知識和研究方法，揭示HVAC系統(tǒng)的各個設備和部件在污染室內空氣中的作用，從而深入地了解其污染途徑和機理，為解決HVAC系統(tǒng)的健康和衛(wèi)生問題提供理論依據(jù)。參考文獻（略）2、 項目的研究內容、研究目標，以及擬解決的關鍵問題。（1）.研究內容1在影響室內環(huán)境的各種污染物中，微塵、可揮發(fā)性有機組份（VOCs, volatile organic compounds）和微生

8、物是影響人們健康的三大禍根，而HVAC系統(tǒng)及其部件正是這三大污染物初始的產(chǎn)生源之一或者傳播（抑制/加?。┑闹饕緩健Ｒ虼?，本研究確立這三種污染物作為污染室內環(huán)境的對象，研究和分析HVAC系統(tǒng)在空氣輸送過程中它們的產(chǎn)生機理、傳播（抑制/加?。┩緩揭约跋嚓P的影響因素，項目研究的主要內容包括以下三個部分：A. 研究HVAC系統(tǒng)的多個部件在微塵、VOCs和微生物的產(chǎn)生和傳遞中的貢獻。著重于空氣過濾器、風管、加濕器、翅片管換熱器和轉輪熱濕交換設備等部件，分析和研究它們在材料選用和結構設計上對三種污染物的產(chǎn)生或傳遞的影響；B. 研究HVAC系統(tǒng)部件所處的物理/化學環(huán)境工況對微塵、VOCs和微生物產(chǎn)生或傳播

9、的影響因素。著重于溫度、相對濕度和空氣流速等參數(shù)對三種污染物影響室內環(huán)境的抑制/加劇作用；C. 結合各部件及其環(huán)境工況對輸送空氣的污染機理，對兩種結構型式的HVAC系統(tǒng)（集中式和半集中式），從系統(tǒng)設計方面以及系統(tǒng)運行和維護方面對微塵、VOCs和微生物的產(chǎn)生機理或傳遞（抑制或加劇）途徑進行分析和研究。在系統(tǒng)設計方面著重于研究和分析系統(tǒng)布局和部件設置以及工況設計等因素；而在對系統(tǒng)運行和維護方面則著重于研究和分析運行控制工況以及維護保養(yǎng)周期和方法等因素。（2）.研究目標A. 通過實驗研究和理論分析相結合，找出HVAC系統(tǒng)及設備和部件在微塵、VOCs和微生物三種污染物的產(chǎn)生和傳遞中起重要作用的各種因素

10、，并獲知這些因素的影響關系以及關聯(lián)特性，從而揭示HVAC系統(tǒng)污染室內環(huán)境的途徑和機理，為使HVAC系統(tǒng)能夠維持良好健康的室內環(huán)境在設計、運行和維護等方面提供科學基礎和理論指導，并可以為今后相關標準和技術規(guī)范的制定創(chuàng)造必要的理論依據(jù)；B. 在國際著名期刊上（如“Building and Environment”，“Indoor Built Environment”等）發(fā)表研究論文5-8篇，在國內一級學報期刊上發(fā)表研究論文10-15篇；C. 培養(yǎng)博士生、碩士生10-15名。（3）.擬解決的關鍵問題A. 探明HVAC系統(tǒng)部件的材料和結構型式與微塵、VOCs和微生物等三種污染物的產(chǎn)生和傳遞之間的關系；

11、B. 揭示部件的各種工況環(huán)境（溫度、濕度和風速）對微塵、VOCs和微生物等三種污染物產(chǎn)生和傳遞的影響。3、 擬采取的研究方案及可行性分析。（1）.研究方案A. 實驗研究擬采用如下圖所示的實驗方法進行實驗。實驗研究和分析的內容包括：實驗方法原理示意圖a) 相同運行工況及參數(shù)下，空氣過濾器的類型、材料、等級及新舊程度對三種污染物的影響；在相同的過濾器情況下，運行工況的狀態(tài)或參數(shù)（溫度、相對濕度、空氣流速、有無預熱等）對三種污染物的影響；b) 風管長度、材料和制造工藝以及溫度、相對濕度和空氣流速等因素的影響；c) 加濕器的類型（噴嘴式、蒸汽式和超聲波式）、加濕器的開停周期、水的新鮮與潔凈程度等因素的

12、影響；d) 翅片管換熱器翅片表面是否有親水膜、干與濕狀況、翅片間最小窄面風速及翅片管壁面溫度等因素的影響；e) 轉輪熱濕交換設備的材質及密度、轉換周期、風速和溫濕度狀況等因素的影響；B. 實驗結果的理論總結通過實驗結果及分析，運用相關理論對各影響因素及其相互之間的關聯(lián)特性進行數(shù)學化總結，以獲得多種影響因素與三種污染物之間以及影響因素之間的關系式或邏輯關系表等；C. HVAC系統(tǒng)運行及維護管理方式的現(xiàn)有情況調研獲得并總結出典型結構型式HVAC系統(tǒng)的一些常規(guī)的運行及維護管理方式和方法；D. 仿真分析將獲得的污染物與影響因素的關系式或邏輯關系表數(shù)字化入HVAC系統(tǒng)仿真器中，利用仿真器模擬各種系統(tǒng)結構

13、和布局、設備設置、工況以及運行和維護管理方式，研究和分析它們對室內環(huán)境污染狀況的影響；E. 現(xiàn)場實驗和實驗室實驗相結合的方式，驗證理論與仿真分析的結果。（2）.項目的可行性A. 項目申請人及其課題組近十年來一直從事于HVAC系統(tǒng)設備、系統(tǒng)運行分析以及控制與仿真等方面的研究工作，在國內外學術刊物上發(fā)表的相關學術論文四十余篇；通過與國際知名大公司（如美國Honeywell，日本Yamatake等）在基礎項目研究等方面的合作，已在HVAC系統(tǒng)及其設備的應用與分析方面積累了相當豐富的知識和經(jīng)驗。因此，已具備了完成項目的能力。B. 項目申請人及其課題組在完成2003年上海市科委科研基金（NK2003-0

14、06）“中央空調系統(tǒng)中空氣清潔滅病毒病菌裝置研究”的項目中，已建立了較為完善的實驗平臺（如下圖所示），因此，已為項目研究大量實驗工作的實施和完成創(chuàng)造了良好的實驗基礎；C. 在“擬采取的研究方案”中所敘述的技術路線，都是在現(xiàn)有工作條件下提出的，是可行的而且科學合理的。已建立的實驗平臺4、 本項目的特色與創(chuàng)新之處。A. 將HVAC系統(tǒng)對室內環(huán)境污染的影響歸納為三類可能的因素：（i）.部件的型式和材料；（ii）.部件所處的工況狀態(tài)或參數(shù)（溫度、相對濕度、空氣流速等）；以及（iii）.系統(tǒng)結構、布局、運行和維護管理方式。其中前兩類因素采用實驗的方法進行研究，后一類采用仿真與實驗相結合的方法進行研究；B

15、. 通過實驗和數(shù)學模型相結合的方法獲得HVAC系統(tǒng)各種因素對室內環(huán)境影響的關系以及各種因素之間的關聯(lián)特性。5、 年度研究計劃及預期研究結果。（1）.第一年度研究計劃：A. 實驗研究空氣過濾器的類型、材料、等級及新舊程度等因素在各種運行工況及環(huán)境參數(shù)下對室內環(huán)境污染的影響；B. 實驗研究加濕器的結構型式、加濕器的開停、水的新鮮或潔凈程度等因素在各種運行工況及環(huán)境參數(shù)下對室內環(huán)境污染的影響；C. 實驗研究翅片管換熱器的翅片結構、表面親水膜、干濕狀況、空氣流速及翅片管壁面溫度等因素對室內環(huán)境污染的影響。預期研究成果：A. 總結空氣過濾器、加濕器和翅片管換熱器的各種因素與微塵、VOCs和微生物三種污染

16、物產(chǎn)生和傳遞的關系；B. 在國際學術刊物及國內權威刊物上發(fā)表（包括投稿）研究論文2-3篇。（2）.第二年度研究計劃：A. 實驗研究風管長度、材料和制造工藝等因素在各種運行工況及環(huán)境參數(shù)下對室內環(huán)境污染的影響；B. 實驗研究轉輪熱濕交換設備的材質及密度、轉換周期、風速和溫濕度狀況等因素對室內環(huán)境污染的影響；C. 北京、上海和廣州（典型氣候城市）的HVAC系統(tǒng)運行及維護管理方式的現(xiàn)有情況調研。預期研究成果：A. 總結HVAC各部件的各種因素與微塵、VOCs和微生物三種污染物產(chǎn)生和傳遞的關系以及各因素之間的關聯(lián)特性；B. 獲得典型氣候城市的典型結構型式HVAC系統(tǒng)的一些常規(guī)運行及維護管理的方式和方法；C. 在國際學術刊物及國內權威刊物上發(fā)表