How Air Conditioners Work and energy conservation technology research
Abstract： An air conditioner is basically a refrigerator without the insulated box. It uses the evaporation of a refrigerant, like Freon, to provide cooling. The mechanics of the Freon evaporation cycle are the same in a refrigerator as in an air conditioner.
Keywords： water towers 、weather-resistant、 compressor、energy conservation
When the temperature outside begins to climb, many people seek the cool comfort of indoor air conditioning. Like water towers and power lines, air conditioners are one of those things that we see every day but seldom pay much attention to. Wouldn#39;t it be nice to know how these indispensable machines work their magic? In this article, we will examine air conditioners -- from small to huge -- so you know more about what you#39;re seeing!
The Many Faces of Cool
Air conditioners come in various sizes, cooling capacities and prices. One type that we see all the time is the window air conditioner.
Window air conditioners are an easy and economical way to cool a small area. Most people who live in suburban areas usually have one of these in their backyard:
If you live in an apartment complex, this is probably a familiar sight: Most businesses and office buildings have condensing units on their roofs, and as you fly into any airport you notice that warehouses and malls may have 10 or 20 condensing units hidden on their roofs:
And then if you go around back at many hospitals, universities and office complexes, you find large cooling towers that are connected to the air conditioning system:
Even though each of these machines has a pretty distinct look, they all work on the same principles. Let#39;s take a closer look.
The Basic Idea
An air conditioner is basically a refrigerator without the insulated box. It uses the evaporation of a refrigerant, like Freon, to provide cooling. The mechanics of the Freon evaporation cycle are the same in a refrigerator as in an air conditioner. According to the Merriam-Webster Dictionary Online, the term Freon is generically 'used for any of various conditioner. According to the Merriam-Webster Dictionary Online, the term Freon is generically 'used for any of various nonflammable fluorocarbons used as refrigerants and as propellants for aerosols.'
This is how the evaporation cycle in an air conditioner works (See How Refrigerators Work for complete details on this cycle):
1.The compressor compresses cool Freon gas, causing it to become hot, high-pressure Freon gas (red in the diagram above).
2.This hot gas runs through a set of coils so it can dissipate its heat, and it condenses into a liquid.
3.The Freon liquid runs through an expansion valve, and in the process it evaporates to become cold, low-pressure Freon gas (light blue in the diagram above).
4.This cold gas runs through a set of coils that allow the gas to absorb heat and cool down the air inside the building.
Mixed in with the Freon is a small amount of a light weight oil. This oil lubricates the compressor.
Window Units
A window air conditioner unit implements a complete air conditioner in a small space. The units are made small enough to fit into a standard window frame. You close the window down on the unit, plug the unit in and turn it on to get cool air. If you take the cover off of an unplugged window unit, you will find that it contains:
A compressor
An expansion valve
A hot coil (on the outside)
A chilled coil (on the inside)
A control unit
The fans blow air over the coils to improve their ability to dissipate heat (to the outside air) and cold (to the room being cooled).
BTU and EER
Most air conditioners have their capacity rated in British thermal units (BTU). Generally speaking, a BTU is the amount of heat required to raise the temperature of one pound (0.45 kg) of water 1 degree Fahrenheit (0.56 degrees Celsius). Specifically, 1 BTU equals 1,055 joules. In heating and cooling terms, 1 'ton' equals 12,000 BTU.
A typical window air conditioner might be rated at 10,000 BTU. For comparison, a typical 2,000-square-foot (185.8 m2) house might have a 5-ton (60,000-BTU) air conditioning system, implying that you might need perhaps 30 BTU per square foot. (Keep in mind that these are rough estimates. To size an air conditioner for your specific needs, contact an HVAC contractor.)
The energy efficiency rating (EER) of an air conditioner is its BTU rating over its wattage. For example, if a 10,000-BTU air conditioner consumes 1,200 watts, its EER is 8.3 (10,000 BTU/1,200 watts). Obviously, you would like the EER to be as high as possible, but normally a higher EER is accompanied by a higher price.
Is the higher EER is worth it?
Let#39;s say that you have a choice between two 10,000-BTU units. One has an EER of 8.3 and consumes 1,200 watts, and the other has an EER of 10 and consumes 1,000 watts. Let#39;s also say that the price difference is $100. To understand what the payback period is on the more expensive unit, you need to know:
1.Approximately how many hours per year you will be operating the unit
2.How much a kilowatt-hour (kWh) costs in your area
Let#39;s say that you plan to use the air conditioner in the summer (four months a year) and it will be operating about six hours a day. Let#39;s also imagine that the cost in your area is $0.10/kWh. The difference in energy consumption between the two units is 200 watts, which means that every five hours the less expensive unit will consume 1 additional kWh (and therefore $0.10 more) than the more expensive unit.
Assuming that there are 30 days in a month, you find that during the summer you are operating the air conditioner:
Since the more expensive unit costs $100 more that means that it will take about seven years for the more expensive unit to break even.lt;
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空调工作过程和节能技术的研究
《麻省理工大学学报》第21卷第5期 作者：乔治·艾伦
摘要：一台空调基本上是没有被隔离的箱子的一个冰箱。 它象氟里昂一样利用冷媒的蒸发提供冷却。在一台空调里氟里昂蒸发循环的过程和冰箱里的相同。
关键词：水塔、改变气候、压缩机、节能
当外面的温度开始上升时，很多人寻找室内的空调的极好的安慰。象水塔和电源线一样，空调是我们每天看见但是很少注意的那些东西之一。 它将不是很高兴的知道这些不可缺少的机器怎样运转他们的魔术吗？ 在这篇文章里，我们将检查空调 – 从微观到宏观 – 以使你对你所看见的知道得更多！
低温的各个方面。
空调的定型是各种尺寸，冷却能力和价格。 我们经常看见的一种类型是窗式空气调节器。
窗式空气调节器是冷却一个小的区域的一种容易和节约的方法。 居住在郊区的地区的大多数人通常在他们的后院有这些中之一：
如果你住在一座公寓大厦里，这或许是一个熟悉的情景： 大多数商业和办公楼在他们的屋顶上有冷凝装置， 并且当你飞到上空时，仓库和商业区可能让人把10 或者20 套冷凝装置隐藏在他们的屋顶上：
当你徘徊在很多医院，大学和办公室联合企业的周围时， 你会找到连接空气调节系统的大的冷却塔：
即使这些机器中的每个都有一个相当清楚的外表，他们全部以相同的原理工作。 让我们近距离地看一下。
基本的想法，一台空调基本上是没有被隔离的箱子的一个冰箱。 它象氟里昂一样利用冷媒的蒸发提供冷却。在一台空调里氟里昂蒸发循环的过程和冰箱里的相同。根据在线梅里厄姆织工字典，氟里昂一般“用于任何各种各样的调节器”。 根据在线梅里厄姆织工字典，氟里昂一般'用于作为致冷剂和作为气溶胶推进者使用的任何各种各样的不易燃的碳氟化合物。”
这就是在一台空调里的蒸发循环是怎么样工作(看出冰箱怎样为关于这个系列的完整的细节工作)：
1. 压缩机压缩低温的氟里昂气体，产生高温，高压氟里昂气体。
2. 这种高温气体通过一套线圈，因此它能使它的热消散， 并且它凝结成一种液体。
3. 氟里昂液体充满一个膨胀阀， 并且在这个过程里蒸发变得低温，低压氟里昂气体。
4. 这种低温的气体通过一套线圈，允许气体吸收热并且使大楼里面空气冷却。
在与氟里昂里混合是少量一种轻便的油。 这种油润滑压缩机。
窗式机组：
一个窗式空气调节器机组在小的空间内可以实现一台完全的空调。 机组被弄成小得足以适应一个标准窗子框架。 你关掉窗子，把机组接通电源和把它打开得到凉爽的空气。 拔下窗子单元，你脱掉盖子，你将发现它包含：一台压缩机、一个膨胀阀、一种热线圈(在外面上)、一种变冷的线圈(在里面)、一个控制单位。
风扇越过线圈通过吹出空气以改进他们的能力使高温(对外界空气来说)和低温(对于房间来说，被冷却)消散。
BTU 和EER
大多数空调是以英国热量单位(BTU)来评价他们的容量。一般说来， BTU 是提高一磅(0.45 千克)水1 华氏度数(0.56摄氏度)的温度需要的额度。 明确的说，1 BTU 等于1，055 焦耳。 在加热和冷却的条件过程中，1'吨'等于12，000 BTU。
一台典型的窗式空气调节器可以用10，000 BTU来评价。 对于比较来说，一个典型2，000 平方英尺(185.8 m2)房子可能有5 吨的(60，000－BTU)空气调节系统， 暗示你每平方英尺可能需要30 BTU。 (记住这些是粗略的估计。适合你的一台空调具体需要的是尺寸，用来与一个HVAC 订约人联系.)
一台空调的能量效率评价(EER)是超过它的瓦特数的BTU 等级。 例如，如果一台10，000－BTU 空调消耗1，200 瓦特，它的EER 是8.3(10，000 BTU/ 1，200 瓦特)。 显而易见，你希望EER 尽可能高，但是通常更高的EER伴随着一个更高的价格。
更高的EER 是值得的吗？
假如你有在两个10，000－BTU 单位之间的选择。 一个有8.3 的EER 并且消耗1，200 瓦特，并且另一个有10 的EER 并且消耗1，000 瓦特。我们也说差价是100 美元。 为了理解还本时期更昂贵的单位上是什么，你需要知道：
1.大约每年你将操作空调多少小时
2. 你所在的地区消耗一千瓦时(kWh) 的所需要费用
假如你计划在夏天(一年中4个月)使用空调， 并且它将大约每天6个小时操作。 让我们也想象在你的地区的费用是0.10 美元/ kWh。 在两者之间的能源消耗的差别是200 瓦特， 表明与更昂贵的单位相比较，每5个小时比较便宜的单位将多消耗1kWh(因此更多的0.10 美元)。
如果在一个月内有30 天，你发现在夏天你正操作空调：
从多出的100美元更昂贵的单位成本起，那意味着将花费大约7年时间以更昂贵单位收支相抵。
看这一个季节性的精力效率评价(预言者)的解释的页。
分体式空调
分体式空调把高温区域从系统的低温区域那里分开。
冷端，由膨胀阀和冷的线圈组成，一般被投入一个炉膛或者一些其他空气处理机。 空气处理机通过这种线圈吹出空气。 热端被称为冷凝装置，装在大楼外边。机组由一种长的圆筒形状的螺旋形的线圈组成。 在这种线圈里面是一个风扇，风扇通过这种线圈吹出空气，跟一台调节气候的压缩机和一些控制逻辑一起。因为它是低成本，以及因为它在房子里面通常产生较低的噪音(以增加房子外边的噪音作为代价)这种方法已经多年逐步形成，。 除了热端和冷端分开以及制冷能力差别(线圈和压缩机体积大)的事实以外， 在一个分体式空调和一台窗式空气调节器之间没有差别。
在仓库，生意，商业区，大的百货商店方面等等，冷凝装置通常存放在屋顶上并且可能十分巨大。 或者，在屋顶上可能有很多更小的单位，每一个里面附带一台小的空气处理机的机组都会冷却大楼一个具体的区域。
现在让我们看一台变冷水的空调。
变冷水的系统
在大的建筑，特别是在多层的大楼，变冷水的系统分析法开始遇到问题。 在冷凝器和空气处理机之间两者中任何一个运转，都会超过(距离太长以致不能使压缩机内得到润滑)距离限制， 或者导管的数量起作用，导管的长度变得难以控制。 在这点上，就该考虑一个变冷水的系统了。
在一个变冷水的系统里，或者存放在屋顶上或大楼后面的整个空调。 它把水冷却到在40 和45 F(4.4 和7.2 C)之间。 然后这种变冷的水在整个大楼以管子输送并且连接到需要给处理机通风的机组。 如果它隔离得好，没有对变冷水系统的管的长度的实际的限制。
无论何时你走在一座大楼后面并且找到有大量水充满的一个塑料网眼， 你就该意识到你已经找到了一座冷却塔！
在很多联合企业办公室和大学校园， 冷却塔和空调被集中，并且冷水通过地下数英里的管被输送到所有大楼。
基于动态负荷跟踪的中央空调系统全闭环节能技术的研究
1．引言
节能可以说是楼字自动控制系统的出发点和归宿。众所周知，在智能建筑中，HVAC(采暖、通风和空调)系统所耗费的能量要占到大楼消耗的总能量的极大部分比例，大致在50％~60％左右。特别是冷：东机组、冷却塔、循环水泵和空调机组、新风机组，都是耗能大户。所以实有必要发展一种有效的空调系统节能方法，尤其用是在改善现有大楼空调系统自动化上方面。 DDC(Directdigitalcontr01)直接数字化控制，是一项构造简单操作容易的控制设备，它可借由接口转接设备随负荷变化作系统控制，如空调冷水循环系统、空调箱变频自动风量调整及冷却水塔散热风扇的变频操控等，可以让空调系统更有效率的运转，这样，不仅为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下运行，从而延长设备的使用寿命以及达到提供舒适的空调环境和节能之目的。
一般大楼常用的空调系统有CAV、VAV、VWV等，各有不同操控方式，都可以用DDC控制。
1定风量系统(ConstantAirVolume，简称CAV)。
定风量系统为空调机吹出的风量一定，以提供空调区域所需要的冷(暖)气。当空调区域负荷变动时，则以改变送风温度应付室内负荷，并达到维持室内温度于舒适区的要求。常用的中央空调系统为AHU(空调机)与冷水管系统(FCU系统)。这两者一般均以定风量(CAV)来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON／OFF控制来调节送风温度。
2变风量系统(VAV)
变风量系统(VarlableAirVolume，简称VAV)即是空调机(AHU或FCU)可以调变风量。常用的中央空调系统为AHU(空调机)与冷水管系统FCU系统。这两者一般均以定风量(CAV)来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON／OFF控制来调节送风温度。然而这两者在送风系统上浪费了大量能源。因为在长期低负荷时送风机亦均执行全风量运转而耗电，这不但不易维持稳定的室内温湿条件，也浪费大量的送风运转能源。变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。变风量系统可分为两种：一种为AHU风管系统中的空调机变风量系统(AHU—VAV系统)；一种为FCU系统中的室内风机变风量系统(FCU-VAV系统)。AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定，而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷的变动。FCU-VAV系统则是将冷水供应量固定，而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量，亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。这两种方式透过风量的调整来减少送风机的耗电量，同时也可增加热源机器的运转效率而节约热源耗电，因此可在送风及热源两方面同时获得节能效果。
3变流量系统(VWV)
所谓变流量系统(VariableWaterVolume，简称VWV)，是以一定的水温供应空调机以提高热源机器的效率，而以特殊的水泵来改变送水量，顺便达成节约水泵用电的功效。变水量系统对水泵系统的节能效率依水泵的控制方式和VWV使用比例而异，一般VWV的控制方式有无段变速(SP)与双向阀控制方式。以上三种空调系统是目前大楼空调最常被设计的系统。中央空调控制也就是把管路、管件、阀体或阀门集中设定控制流体提供冷气。所以有效组合中央空调控制即能有效控制耗能，设计合乎节能的空调系统。
近年来，我国大部分地区，尤其是东南沿海地区夏季空调能耗正在急剧上升，空调用电激增的趋势已引起电网供电紧张。据统计，近年来我国每年炎热季节空调耗电已占全社会用电的三分之一，大量电能被工业和民用建筑空调所吞噬，尤其是大型建筑中央空调系统，如各类商业建筑（写字楼、商场、医院、饭店等）的中央空调由于其空间大、人流量多、运作时间长、管理复杂的特点，使得运行能耗相当高，商业建筑空调能耗几乎占其总能耗的50％。中央空调的设计容量是按最大负荷计算的，而大部份建筑物一年中只有几十天时间中央空调处于最大负荷状态。中央空调冷负荷始终处于动态变化之中，如每天早晚、每季交替、每年轮回、环境及人文状况，实时影响着中央空调的冷负荷。一般，冷负荷在5～60%范围内波动，大多数建筑物每年至少70%是处于这种情况。而大多数中央空调实际开机容量远小于装机容量，若以最大冷负荷为最大功率驱动，造成实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾，实际造成巨大能源浪费，给国民经济和社会发展带来很大的影响。这给中央空调的节能控制带来了严峻的课题，也给广大的节能控制领域的工作者带来了极大的施展才华的空间。
电力负荷缺口增大，电力供应紧张局面近几年难以得到缓和。因此，节能尤其是节电，不仅具有重大的社会意义而且具有迫切的现实意义。积极研究开发推广绿色环保新型空调技术和设备，抑制空调能耗增加，已成为建筑暖通空调领域一个迫切而热门的研究课题。依靠技术创新、体制创新，节能降耗，提高能源利用效率，保证在'能源消耗最少，环境污染最小'的基础上，实现'节能优先，结构多元，环境友好'的能源发展战略。
在我们电信生产中，空调的节能管理工作较为薄弱，能源浪费现象较为严重，所以加强空调的维护管理和技术改造，可以达到节能的目的。从空调的压焓图来看，只有运行在在最佳的工况和条件，才能发挥空调的最大制冷量，达到空调节能的目的。空调的节能，我们维护部门应该从运行成本、维护保养方面的角度进行考虑。
2．空调节能系统的研究概况
1）通过负荷控制,达到节能目的。①炎热季节新风负荷占到整个冷负荷的25-40%，减少新风负荷，降低新风能耗，选择最小必要新风量，也能达到目的。但是新风量的最小供应一方面国家已有标准，另外新风量不足将影响空气质量，危及人体健康。②优化建筑外围护结构的节能设计，采用保温隔热材料技术，降低空调负荷，实现建筑节能，但同时也导致建筑成本上升，推广受到一定的限制。
2）蓄能空调。通过冰蓄冷，避开白天的用电高峰，夜间将空调冷冻水制冷储存起来，白天不开动空调主机仅使用水系统循环。这种方法本身并不节能省电，而是优化了电网供电，对已经实行分时电价的地区，起到'省钱不节能'的作用，具地区性推广意义。
3）水源热泵。相对于空气和土壤而言，水是最为理想的空调用冷热源，水源热泵也因此具有环保、高效、节能等众多优点，但我国水源热泵技术研究还不是很成熟，与一些发达国家相比还存在一定的差距。同时，水源热泵尽管具有很多优点，但所受的地质、环境、政策等的限制也比较大，这就使得水源热泵在我国更广泛的应用受到了限制。
4）中央空调系统中单个耗能设备节能改造。①风机和水泵通用变频器调速节能，这是目前采用较多的技术。这种方法简便实用，节电效果明显，但水泵、风机等产品属系统辅机部分，占整个系统能耗约为40%，所以挖掘空间有限。②制冷主机，制冷机组的耗电量在空调系统中占有很大份额，节约这部分的耗能是整
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