国家自然基金面上项目：制冷系统故障诊断关键问题的研究2006

1、制冷系统故障诊断关键问题的研究Study on Key Point of Fault Detection and Diagnosis for Refrigeration System摘要：关键词：制冷系统，故障诊断立项依据与研究内容项目的立项依据近年来，室内空气的污染已经直接影响到人们的健康甚至生命安全。特别是2003年SARS的暴发流行以及长期存在的“空调病”已引起了全球各地学术界的高度重视。室内空气污染给社会造成的严重后果给暖通空调领域提出了新的挑战，如何从源头上更有效地防止室内环境被污染并保障公共环境卫生安全已成为刻不容缓的任务和课题。HVAC（heating, ventilation

2、and air conditioning）系统建造和存在的最主要目的是为人类提供健康和舒适的环境，然而随着HVAC系统的长期应用状况及生物医学方面的发现，HVAC系统已经成为导致建筑室内环境污染的主要根源之一。特别是近年来对HVAC系统过分强调其节能的要求，HVAC系统从设计开始，到其日常的运行及维护等方面，都几乎忽略了它的原始目的之一提供健康、卫生的室内环境。欧洲在上世纪90年代中期就开始注重HVAC系统对室内环境的影响特性，研究人员通过一个项目名为“European IAQ-Audit project”1的工作，调查了56个办公楼。结果发现所有大楼的室内空气品质都较差，而且室内人员对室内环

3、境的不满意率都较高。这个项目的最重大发现是：HVAC系统本身就是污染室内空气的两个最大根源之一（另一个是众所周知的建筑及装饰材料），而通常所认为的室内人员对室内空气品质的污染影响则远远小于它们。在同时进行的另一个项目名为“European Database on Indoor Air Pollution Sources in Buildings”2也获得了几乎完全相同的结论：整个HVAC系统，包括其部件和设备，都是污染室内环境的罪魁祸首之一。尽管这些项目的研究以及其他类似的研究3,4,5,6都报道证实了HVAC系统及其部件和设备在传输空气的同时也污染了空气，但是，HVAC系统污染空气的过程、污

4、染途径和机理，至今还未有完全明了的解释。近几年来，无论是国内还是国外，无论是政府部门还是HVAC生产商及研究机构，都对HVAC的健康问题十分重视，因此一些净化室内空气的装置和设备，如光触媒、高压静电等，都大有推广应用的趋势。但是，如何正确、合理和恰当地应用这些装置和设备，其前提条件在于获知污染源之所在及污染之机理。否则，一方面可能会造成HVAC建造和运行成本的增加，而且净化效果不明显；另一方面还有可能造成室内环境的二次污染。而解决问题的关键所在，就是要完全了解HVAC系统污染空气的途径和机理，只有这样才能在设计和运行维护中采取包括增加净化设备在内的各种有效措施，保持室内环境的健康性和卫生性。而

5、当前还未有相关方面的研究报道。当前，来自于欧洲7国的12个大学、研究所和公司开始了一个简称为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的项目，针对欧洲当前HVAC系统的设计和使用状况，该项目希望获得目的在于提高和改进HVAC系统及其设备和部件性能的应对策略以及相应的理论和规范，其最终目的是为

6、了建立HVAC系统设计和运行维护的统一标准和协议。基于国外的研究进展状况，我们建议目前我国也应开展相应的研究，其主要原因有二：我国近年来的经济快速发展使我国进入了一个电力十分紧缺的阶段，这使得当前国内的建筑空调系统从设计到运行维护方面，都以简化和节能为首要考核指标，这无疑会使HVAC系统在恶化室内空气品质和影响人们身体健康方面埋下隐患。研究HVAC系统污染室内环境的途径，了解其机理，就可为找出解决问题的方法提供先决条件，同时，也可为HVAC系统合理的节能设计和恰当的节能运行控制策略提供理论基础。基于建筑空调的迅猛发展趋势和健康节能的要求，从自主知识产权角度出发，在未来的几年里，我国应制定自己的

7、HVAC系统的健康评判标准及相应的技术规范和协议。该建议项目的研究将会给今后的评价方法和技术协议提供坚实的理论基础；正是基于上述原因，本研究确立以“空调系统污染建筑室内环境的途径及机理的研究”为课题内容，集建筑环境与设备、工程热物理等学科的基础知识和研究方法，揭示HVAC系统的各个设备和部件在污染室内空气中的作用，从而深入地了解其污染途径和机理，为解决HVAC系统的健康和卫生问题提供理论依据。参考文献项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题。（1）.研究内容在影响室内环境的各种污染物中，微尘、可挥发性有机组份（VOCs, volatile organic compounds）和微生物是影

8、响人们健康的三大祸根，而HVAC系统及其部件正是这三大污染物初始的产生源之一或者传播（抑制/加剧）的主要途径。因此，本研究确立这三种污染物作为污染室内环境的对象，研究和分析HVAC系统在空气输送过程中它们的产生机理、传播（抑制/加剧）途径以及相关的影响因素，项目研究的主要内容包括以下三个部分：研究HVAC系统的多个部件在微尘、VOCs和微生物的产生和传递中的贡献。着重于空气过滤器、风管、加湿器、翅片管换热器和转轮热湿交换设备等部件，分析和研究它们在材料选用和结构设计上对三种污染物的产生或传递的影响；研究HVAC系统部件所处的物理/化学环境工况对微尘、VOCs和微生物产生或传播的影响因素。着重于

9、温度、相对湿度和空气流速等参数对三种污染物影响室内环境的抑制/加剧作用；结合各部件及其环境工况对输送空气的污染机理，对两种结构型式的HVAC系统（集中式和半集中式），从系统设计方面以及系统运行和维护方面对微尘、VOCs和微生物的产生机理或传递（抑制或加剧）途径进行分析和研究。在系统设计方面着重于研究和分析系统布局和部件设置以及工况设计等因素；而在对系统运行和维护方面则着重于研究和分析运行控制工况以及维护保养周期和方法等因素。（2）.研究目标通过实验研究和理论分析相结合，找出HVAC系统及设备和部件在微尘、VOCs和微生物三种污染物的产生和传递中起重要作用的各种因素，并获知这些因素的影响关系以及

10、关联特性，从而揭示HVAC系统污染室内环境的途径和机理，为使HVAC系统能够维持良好健康的室内环境在设计、运行和维护等方面提供科学基础和理论指导，并可以为今后相关标准和技术规范的制定创造必要的理论依据；在国际著名期刊上（如“Building and Environment”，“Indoor Built Environment”等）发表研究论文5-8篇，在国内一级学报期刊上发表研究论文10-15篇；培养博士生、硕士生10-15名。（3）.拟解决的关键问题探明HVAC系统部件的材料和结构型式与微尘、VOCs和微生物等三种污染物的产生和传递之间的关系；揭示部件的各种工况环境（温度、湿度和风速）对微尘

11、、VOCs和微生物等三种污染物产生和传递的影响。拟采取的研究方案及可行性分析。（1）.研究方案实验研究拟采用如下图所示的实验方法进行实验。实验研究和分析的内容包括：实验方法原理示意图相同运行工况及参数下，空气过滤器的类型、材料、等级及新旧程度对三种污染物的影响；在相同的过滤器情况下，运行工况的状态或参数（温度、相对湿度、空气流速、有无预热等）对三种污染物的影响；风管长度、材料和制造工艺以及温度、相对湿度和空气流速等因素的影响；加湿器的类型（喷嘴式、蒸汽式和超声波式）、加湿器的开停周期、水的新鲜与洁净程度等因素的影响；翅片管换热器翅片表面是否有亲水膜、干与湿状况、翅片间最小窄面风速及翅片管壁面温

12、度等因素的影响；转轮热湿交换设备的材质及密度、转换周期、风速和温湿度状况等因素的影响；实验结果的理论总结通过实验结果及分析，运用相关理论对各影响因素及其相互之间的关联特性进行数学化总结，以获得多种影响因素与三种污染物之间以及影响因素之间的关系式或逻辑关系表等；HVAC系统运行及维护管理方式的现有情况调研获得并总结出典型结构型式HVAC系统的一些常规的运行及维护管理方式和方法；仿真分析将获得的污染物与影响因素的关系式或逻辑关系表数字化入HVAC系统仿真器中，利用仿真器模拟各种系统结构和布局、设备设置、工况以及运行和维护管理方式，研究和分析它们对室内环境污染状况的影响；现场实验和实验室实验相结合的

13、方式，验证理论与仿真分析的结果。（2）.项目的可行性项目申请人及其课题组近十年来一直从事于HVAC系统设备、系统运行分析以及控制与仿真等方面的研究工作，在国内外学术刊物上发表的相关学术论文四十余篇；通过与国际知名大公司（如美国Honeywell，日本Yamatake等）在基础项目研究等方面的合作，已在HVAC系统及其设备的应用与分析方面积累了相当丰富的知识和经验。因此，已具备了完成项目的能力。项目申请人及其课题组在完成2003年上海市科委科研基金（NK2003-006）“中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置研究”的项目中，已建立了较为完善的实验平台（如下图所示），因此，已为项目研究大量实验工作

14、的实施和完成创造了良好的实验基础；在“拟采取的研究方案”中所叙述的技术路线，都是在现有工作条件下提出的，是可行的而且科学合理的。已建立的实验平台本项目的特色与创新之处。将HVAC系统对室内环境污染的影响归纳为三类可能的因素：（i）.部件的型式和材料；（ii）.部件所处的工况状态或参数（温度、相对湿度、空气流速等）；以及（iii）.系统结构、布局、运行和维护管理方式。其中前两类因素采用实验的方法进行研究，后一类采用仿真与实验相结合的方法进行研究；通过实验和数学模型相结合的方法获得HVAC系统各种因素对室内环境影响的关系以及各种因素之间的关联特性。年度研究计划及预期研究结果。（1）.第一年度（20

15、06年）研究计划：实验研究空气过滤器的类型、材料、等级及新旧程度等因素在各种运行工况及环境参数下对室内环境污染的影响；实验研究加湿器的结构型式、加湿器的开停、水的新鲜或洁净程度等因素在各种运行工况及环境参数下对室内环境污染的影响；实验研究翅片管换热器的翅片结构、表面亲水膜、干湿状况、空气流速及翅片管壁面温度等因素对室内环境污染的影响。预期研究成果：总结空气过滤器、加湿器和翅片管换热器的各种因素与微尘、VOCs和微生物三种污染物产生和传递的关系；在国际学术刊物及国内权威刊物上发表（包括投稿）研究论文2-3篇。（2）.第二年度（2007年）研究计划：实验研究风管长度、材料和制造工艺等因素在各种运行

16、工况及环境参数下对室内环境污染的影响；实验研究转轮热湿交换设备的材质及密度、转换周期、风速和温湿度状况等因素对室内环境污染的影响；北京、上海和广州（典型气候城市）的HVAC系统运行及维护管理方式的现有情况调研。预期研究成果：总结HVAC各部件的各种因素与微尘、VOCs和微生物三种污染物产生和传递的关系以及各因素之间的关联特性；获得典型气候城市的典型结构型式HVAC系统的一些常规运行及维护管理的方式和方法；在国际学术刊物及国内权威刊物上发表（包括投稿）研究论文5-8篇。（3）.第三年度（2008年）研究计划：仿真研究HVAC系统的结构与布局、设备设置、以及工况和运行维护管理方式对室内环境污染状况

17、的影响；现场实验和实验室实验相结合，验证理论与仿真分析的结果。预期研究成果：全局性地总结HVAC系统的三类因素与室内环境污染的关系，通过关系式或关联特性表等形式揭示出HVAC系统污染室内环境的途径和机理；在国际学术刊物及国内权威刊物上发表（包括投稿）研究论文5-8篇；培养博士生、硕士生10-15名。研究基础与工作条件工作基础项目申请人及课题组近十年来一直从事于建筑空调系统的仿真、优化运行和控制等方面研究工作，在国内外学术刊物上发表的相关学术论文四十余篇，申请国家发明专利4项。同时，通过与国际知名大公司（如美国Honeywell，日本Yamatake等）在基础研究项目等方面的合作，以及人员互访参与IEA Annex 30的部分研究工作，已在此领域积累了相当丰富的知识和经验。现已完成了变风量空调系统、变水量冷媒水系统以及冰蓄冷空调系统仿真器，利用仿真器在建筑空调系统的节能、热舒适性和室内空气品质等方面做了大量有益的工作，这些工作的内容以及在完成这些工作中积累的知识和经验为项目研究的开展打下了良好的基础。工作条件申请人及其课题组具有很好的实验条件和计算机条件。目前，我们已和日本Yamatake公司建立了合作研究室，在Yamatake公司捐赠的BA（Building Automation）系统的基础上，通过985重点学科建设的资助，已建立了可用于该项目研究的“建筑及空调系