1 基本概念
1.1 定义与范围
暖通空调是围绕建筑室内环境调节而形成的一类综合技术系统，名称通常由采暖、通风与空气调节三部分组成。其目标并不局限于单纯降温或升温，而是通过对温度、湿度、气流、洁净度和新鲜空气补给等指标的协调控制，营造较为稳定的室内环境。
从应用范围看，暖通空调既用于住宅、办公楼、商场等民用建筑，也广泛服务于工厂车间、仓储空间、医院、实验室和交通建筑等场所。随着建筑功能的复杂化，该系统已逐渐从单一设备的组合，发展为涵盖热源、冷源、输配、末端和控制的整体工程体系。
1.2 发展背景
暖通空调的发展与人类对居住舒适性、生产环境稳定性及能源利用效率的追求密切相关。早期建筑环境调节主要依赖自然通风、炉火取暖和简单遮阳等手段，调控能力有限，也难以适应复杂气候条件。
随着工业化和城市化推进，建筑内部人员密度上升，设备散热增加，对环境稳定性的要求不断提高。由此，暖通空调逐步从经验性供暖和局部降温，演进为可按负荷计算、按区域分配、按时间调节的系统化工程。
1.2.1 从采暖到综合环境控制
早期的环境调节以采暖为主，重点解决冬季保温和取暖问题。此后，随着制冷技术、空气净化技术和自动控制技术的发展，室内环境管理逐渐扩展到全年范围，形成兼顾冷热、干湿与空气品质的综合控制模式。
这一转变意味着暖通空调不再只是“让房间变热或变冷”的工具，而是用于维持人体舒适、保护设备运行和稳定工艺条件的基础设施。
1.2.2 现代建筑中的系统化应用
现代建筑通常具有封闭性更强、内部功能分区更细、能源消耗更集中的特点。为满足不同区域、不同时间段的使用需求，暖通空调往往与建筑结构、供配电、消防和自动化系统协同设计。
在大型公共建筑中，系统化应用表现得尤为明显。不同楼层、不同朝向和不同功能区可以采用差异化方案，使环境控制更精准，同时兼顾运行成本和维护效率。
1.3 主要功能
暖通空调的核心作用，是在外部气候变化和室内热湿波动之间建立调节机制。其功能通常围绕温度、湿度和空气流通三方面展开，并以此影响舒适性、卫生条件和工艺稳定性。
1.3.1 温度调节
温度调节是暖通空调最基本的功能之一。系统可在寒冷季节提供热量，在炎热季节移除多余热量，从而将室温维持在较适宜的范围内。
不同建筑的温控要求并不相同。住宅更注重舒适感，工业场所可能更强调设备与工艺稳定，而某些特殊空间则要求温度波动尽量小。
1.3.2 湿度控制
湿度控制主要用于调节空气中的水分含量。湿度过高容易造成霉变、凝露和体感闷热，湿度过低则可能引发干燥、静电增多和材料收缩等问题。
因此，暖通空调常通过除湿、加湿或与新风处理结合的方式，将相对湿度维持在较合理区间，以改善人体感受并保护室内物品和设备。
1.3.3 空气流通与净化
空气流通用于将室内污浊空气排出，并引入经过处理的新鲜空气。净化功能则通过过滤、分离或其他空气处理方式，降低空气中的尘粒、纤维和部分污染物浓度。
在人员密集或对卫生条件要求较高的空间，这一功能尤为重要。合理的气流组织不仅有助于改善空气品质，也能提升整体环境的均匀性。
2 系统组成
暖通空调系统一般由热源与冷源设备、空气处理设备、输配管路与末端装置、控制监测系统等部分构成。各部分之间相互配合，共同完成环境调节任务。
2.1 热源与冷源设备
热源与冷源设备负责提供加热或制冷能力，是系统的能量基础。它们决定了系统能够达到的温控范围、响应速度和运行成本。
2.1.1 锅炉系统
锅炉系统通过燃料燃烧或其他热能转换方式产生热水或蒸汽，为采暖和部分空气处理过程提供热量。其应用历史较长，在集中供热和大型建筑中较为常见。
锅炉的选型通常与建筑规模、热负荷和燃料条件有关。现代锅炉系统强调热效率、排放控制和运行安全。
2.1.2 冷水机组
冷水机组是提供冷冻水的主要设备，常用于大型空调系统。它通过制冷循环将室内热量转移到室外环境或其他排热介质中。
按冷却方式不同，冷水机组可分为风冷式和水冷式等类型。其性能通常与能效、容量调节范围及安装条件密切相关。
2.1.3 热泵机组
热泵机组能够在同一设备中实现供热和供冷。它通过热量搬运实现冷热转换，因此在节能和全年运行方面具有一定优势。
热泵的应用范围较广，既可用于住宅，也可用于商业和工业场景。其效率受环境温度、系统配置和运行策略影响较大。
2.2 空气处理设备
空气处理设备用于对进入系统的空气进行温湿度和洁净度调节，是形成可用送风状态的重要环节。
2.2.1 空气处理机组
空气处理机组通常集过滤、加热、冷却、除湿和加湿等功能于一体。它是集中式空调中最典型的空气处理设备之一。
该设备可按不同工况调节送风参数，使系统更适应多变的室内需求。其内部结构和配置方案通常具有较强的工程针对性。
2.2.2 风机盘管
风机盘管由小型风机和换热盘管组成，常安装于房间末端，用于局部换热。它结构紧凑、布置灵活，适合分散式控制。
这种设备常与集中冷热源配合使用，能按房间或区域进行独立调节，因此在宾馆、公寓和办公空间中较为常见。
2.2.3 新风机组
新风机组主要负责处理室外空气并将其送入室内。它既可提供必要的新鲜空气，也能在进入室内前完成预热、预冷、过滤或除湿。
在人员密集场所，新风机组对维持空气品质和排出污染物具有重要作用。其设计通常需兼顾室外条件、热湿负荷和送风路径。
2.3 输配与末端设备
输配与末端设备承担能量和空气的传送任务，是连接热冷源与使用空间的关键部分。
2.3.1 风管系统
风管系统用于输送处理后的空气，并将其分配到不同空间。其布置方式会影响风量平衡、噪声水平和安装空间占用。
良好的风管设计应尽量减少阻力损失和漏风现象，同时保证气流分布较为均匀。
2.3.2 水管系统
水管系统主要用于输送冷冻水、热水或其他换热介质。它在水系统和空气-水系统中尤为重要。
该系统的性能与管径选择、保温质量、循环阻力和调节阀配置密切相关。设计不当可能导致水量分配失衡。
2.3.3 末端送风装置
末端送风装置负责将处理后的空气以合适形式送入室内，如散流器、百叶风口或喷口等。其作用不仅是“送风”，还包括组织气流和影响室内舒适度。
不同末端形式对应不同气流特性，适用于不同层高、人员分布和负荷条件。
2.4 控制与监测系统
控制与监测系统用于协调各设备运行，使系统按设定目标稳定工作。它是现代暖通空调实现节能和精细化管理的重要组成部分。
2.4.1 温控器
温控器用于感知并调节室内温度，通常可实现启停控制、模式切换和设定值调整。它是最常见的末端控制装置之一。
在较简单系统中，温控器可直接影响设备运行；在复杂系统中，则常作为更高层控制网络的一部分。
2.4.2 传感器
传感器用于采集温度、湿度、压力、流量、浓度等参数，为控制逻辑提供输入信息。其测量精度和响应速度会影响系统调节效果。
随着自动化水平提高，传感器数量和种类不断增加，使系统能够更细致地反映实际运行状态。
2.4.3 楼宇自控系统
楼宇自控系统通过集中监视和联动控制，对暖通空调及其他机电设备进行统一管理。它能够实现定时运行、参数调节、故障记录和能耗分析等功能。
在大型建筑中，楼宇自控系统有助于提升管理效率，减少人为误操作，并为优化运行提供数据基础。
3 工作原理
暖通空调的工作原理建立在热量传递、空气状态变化和气流组织等基础之上。系统通过一系列物理过程，将室外环境与室内需求之间的差异进行调和。
3.1 传热与换热
传热与换热是系统实现冷热调节的基础。热量可以通过空气、液体或固体表面进行传递，而空调设备正是利用这一特性完成能量交换。
3.1.1 显热交换
显热交换指的是物体温度变化但不发生相变时的热量传递。在空调系统中，这通常表现为空气被加热或冷却，而含湿量基本不变。
这一过程决定了室内温度的直接变化，对舒适性控制具有基础作用。
3.1.2 潜热交换
潜热交换与水分蒸发或冷凝有关，表现为水汽状态改变时的热量吸收或释放。空调中的除湿和加湿过程都涉及潜热变化。
在高湿环境下，系统往往需要通过冷却表面使水汽凝结；而在干燥环境中，则可能通过加湿补充空气中的水分。
3.2 空气处理过程
空气处理过程是将原始空气调整为适合送入室内的空气状态的关键步骤。不同工况下，处理顺序和程度会有所不同。
3.2.1 混合空气
混合空气通常是将回风与新风按一定比例混合，以兼顾空气品质和节能效果。回风可减少能量浪费，新风则保证室内空气更新。
混合比例的确定与室内人数、污染源强度和室外空气条件有关。
3.2.2 冷却除湿
冷却除湿是通过降低空气温度，使其中部分水汽凝结析出，从而同时实现降温和除湿。该过程在夏季空调中非常常见。
它能够有效降低高温高湿环境下的不适感，并防止室内结露和霉变。
3.2.3 加热加湿
加热加湿常用于冬季或干燥地区。空气在被升温后，若相对湿度下降过多，便可能需要补充水分，以维持舒适和工艺要求。
这一过程在医院、实验室及部分精密生产环境中尤为重要。
3.3 气流组织
气流组织是指空气在室内的分布方式和流动路径。合理的组织形式可以提高换热效率、改善舒适性，并减少局部死角。
3.3.1 全空气系统
全空气系统以空气作为主要输送介质，冷热量和空气品质控制主要通过送风实现。它适合集中处理和大空间应用。
该系统的优点是控制统一、末端简洁，但对风管空间和送风动力要求较高。
3.3.2 全水系统
全水系统主要依靠水作为热量传递介质，再通过末端换热装置调节室内环境。其输送效率较高，设备布置相对灵活。
不过，这类系统对末端控制和局部风量补充的要求较高，单独使用时在通风方面存在一定局限。
3.3.3 空气-水系统
空气-水系统综合利用空气和水两种介质，兼顾通风、新风补给与局部换热。它在舒适性和灵活性之间取得较好的平衡。
这种系统常见于中大型建筑，尤其适合对区域调节要求较高的场合。
4 系统类型
暖通空调可按功能、介质和应用场景等多种方式分类。不同分类方式反映了系统侧重点的差异，也便于工程设计和管理。
4.1 按功能划分
按功能划分主要依据系统承担的任务，通常分为采暖、通风和空调三类。
4.1.1 采暖系统
采暖系统以提供热量为主要目的，用于在低温季节维持室内基本温度。其形式包括热水供暖、蒸汽供暖和电采暖等。
在寒冷地区，采暖系统往往是建筑舒适性的重要保障。
4.1.2 通风系统
通风系统负责空气交换与污染物排出，强调空气更新而非温湿度精调。它既可独立存在，也可作为空调系统的一部分。
良好的通风有助于降低异味、稀释污染物并提升空间宜居性。
4.1.3 空调系统
空调系统强调对温度、湿度和空气品质的综合调节，是功能最完整的一类。其适用范围广，常见于对环境要求较高的建筑。
现代建筑中所说的暖通空调，通常即以空调系统为核心。
4.2 按介质划分
按介质划分主要看系统主要通过何种媒介传递能量或实现调节。
4.2.1 风系统
风系统以空气为输送介质，主要通过送风和回风完成热湿交换。它对气流组织和风道设计较为敏感。
风系统适合通风与洁净要求较高的空间。
4.2.2 水系统
水系统以水作为主要换热介质，具有传热能力强、输送阻力相对可控等特点。它常用于集中冷热源配套系统。
其局限在于需要管路布置和水力平衡设计，且对防漏和保温要求较高。
4.2.3 冷媒直膨系统
冷媒直膨系统让制冷剂在末端直接蒸发或冷凝，实现热量交换。其结构相对紧凑，常见于分体式空调和部分小型系统。
这类系统安装灵活，但在大规模集中应用中，系统组织方式会更复杂。
4.3 按应用场景划分
按应用场景划分可体现系统面向对象的不同需求。
4.3.1 民用建筑系统
民用建筑系统主要服务于居住和公共活动空间，重点关注舒适、安静、节能和易操作性。设计时通常会兼顾季节变化和人群使用习惯。
4.3.2 工业厂房系统
工业厂房系统更强调工艺稳定、排热能力和特殊环境控制。不同生产线对温湿度、洁净度和气流方向可能有不同要求。
4.3.3 特殊环境系统
特殊环境系统面向对环境条件要求较严的场所，如高洁净、稳定性强或局部功能明确的空间。其控制目标通常较为专门化。
5 设计与选型
暖通空调的设计与选型直接决定系统性能、投资规模和后期运行状态。合理方案往往需要在舒适、能效和维护之间取得平衡。
5.1 负荷计算
负荷计算是设计工作的基础，用于确定建筑需要多少冷热量以及风量、水量等参数。
5.1.1 围护结构负荷
围护结构负荷来自外墙、屋面、窗户等与室外环境接触部位的传热。不同材料和构造会显著影响冷热损失与得热。
因此，建筑保温性能越好，系统所需负荷通常越低。
5.1.2 人员与设备负荷
人员、照明和设备在运行时都会释放热量，成为室内显热的重要来源。高密度空间或设备集中的场所，这部分负荷尤为明显。
在设计时，需要根据使用人数、设备类型和运行时间进行估算。
5.1.3 新风负荷
新风负荷是指引入室外空气后，为使其达到室内要求所需处理的能量。室外空气温湿度与室内目标状态差异越大，负荷越高。
在通风量较大的建筑中，新风负荷对系统规模的影响十分显著。
5.2 系统方案设计
系统方案设计涉及区域划分、控制策略和设备配置等内容，是从理论计算走向工程实施的关键一步。
5.2.1 分区与分时控制
分区控制可使不同朝向、不同功能或不同使用时段的空间采用不同设定值。分时控制则根据日间、夜间或季节变化调整运行方式。
这类设计有助于减少不必要的能耗，并提升使用体验。
5.2.2 节能策略选择
节能策略通常包括合理利用自然冷源、优化运行时间、降低输送损失等。具体方案需结合气候条件、建筑用途和设备性能综合确定。
好的节能设计往往不是单一技术的堆叠，而是多项措施的协同。
5.2.3 设备容量匹配
设备容量应与实际负荷相适应。容量过小会导致环境达不到要求，容量过大则可能出现频繁启停、效率下降和初投资增加。
因此，匹配原则强调既满足峰值需求，也兼顾部分负荷下的稳定运行。
5.3 设备选型原则
设备选型不仅看参数，还要考虑长期运行表现和工程条件。
5.3.1 能效比
能效比是衡量设备产出与输入能源关系的重要指标。较高的能效比通常意味着更好的能源利用效率。
在长期运行场景中，能效差异会对使用成本产生明显影响。
5.3.2 可靠性
可靠性决定设备能否在较长周期内稳定工作。对于连续运行场所，可靠性往往比单纯的峰值性能更重要。
选型时通常会关注制造质量、冗余设计和故障容忍能力。
5.3.3 维护便利性
维护便利性包括检修空间、易损件更换难度和日常操作友好程度。结构越清晰、布局越合理，后期维护成本通常越低。
这一因素在大型建筑和难以停机的场所中尤为关键。
6 运行与维护
暖通空调系统的实际表现，不仅取决于设计，还与运行管理和维护水平密切相关。良好的管理可延长设备寿命并提升使用效果。
6.1 日常运行管理
日常运行管理关注系统的启动、调节和状态监视，是保证环境稳定的重要环节。
6.1.1 启停控制
启停控制用于安排设备在合适时间运行。合理的启动和停机顺序可以减少冲击负荷，并提高能源利用效率。
在自动控制条件下，这一过程通常由程序或策略逻辑完成。
6.1.2 参数监测
参数监测主要指对温度、湿度、压力、流量和能耗等数据进行记录与分析。通过持续观察运行状态，可及时发现偏差。
这类监测为故障诊断和节能优化提供基础。
6.1.3 异常报警
异常报警用于提示设备或环境参数超限。常见情况包括温度偏离设定值、压力异常、滤网堵塞或设备停机等。
及时报警有助于减少故障扩大，并便于快速处理。
6.2 维护保养
维护保养是保证系统长期稳定运行的必要措施，通常包括清洁、检查和部件更换等内容。
6.2.1 过滤器更换
过滤器在运行过程中会积聚灰尘和颗粒物，阻力随之上升。定期更换或清洗过滤器，有助于保持风量和空气品质。
若长期不处理，可能影响风机负荷和送风效果。
6.2.2 盘管清洁
盘管表面容易附着污垢，降低换热效率。清洁盘管可恢复传热性能，并减少因积尘导致的局部问题。
在潮湿环境中，盘管周边还需注意冷凝水排放和霉菌控制。
6.2.3 风机与水泵检修
风机和水泵属于持续运行部件，需重点检查轴承、密封、振动和运行噪声。及时检修可避免效率下降和突发停机。
这类设备状态通常直接关系到系统风量和水量是否稳定。
6.3 常见故障
暖通空调常见故障多与负荷变化、设备老化或维护不到位有关。
6.3.1 制冷不足
制冷不足表现为室内温度难以下降或降温速度缓慢。其原因可能包括冷源能力不足、换热器脏堵、制冷剂异常或风量不匹配。
排查时通常需要从冷热源、输配和末端三个层面入手。
6.3.2 噪声与振动
噪声与振动常由风机不平衡、管路松动、安装基础不稳或气流速度过高引起。长期存在可能影响使用舒适性，也会加速部件损耗。
通过调整安装、优化气流和加强减振措施，通常可改善这一问题。
6.3.3 风量或水量不平衡
风量或水量不平衡会导致部分区域过冷、过热或达不到设计效果。其成因可能包括阀门开度不当、阻力分配不均或控制失调。
系统调试和平衡是解决此类问题的重要步骤。
7 节能与环保
暖通空调通常是建筑能耗的重要组成部分，因此节能与环保已成为其设计、运行和更新的重要方向。
7.1 能耗构成
系统能耗一般由冷热源、输配设备和辅助控制设备共同构成，不同建筑的比例略有差异。
7.1.1 制冷能耗
制冷能耗多与夏季空调负荷、室外温度及设备效率有关。高温高湿地区，制冷部分通常占比较高。
7.1.2 采暖能耗
采暖能耗受气候条件、保温性能和热源效率影响较大。寒冷地区或大开窗建筑往往需要更多采暖能量。
7.1.3 输配能耗
输配能耗主要来自风机、水泵以及管道和风道中的阻力损失。虽然单项功率不一定最高，但长期运行下影响不容忽视。
7.2 节能技术
节能技术旨在降低系统运行成本，同时维持必要的环境品质。
7.2.1 变频控制
变频控制可根据负荷变化调节风机、水泵或压缩机转速，从而减少不必要的能耗。它尤其适合负荷波动较大的建筑。
这种方式还能改善设备启停频繁的问题。
7.2.2 热回收
热回收是将排风、废热或冷凝热中的能量重新利用，用于预热新风或补充热负荷。它能显著提高系统综合利用效率。
在新风量较大的场所，热回收的节能效果通常更明显。
7.2.3 需求响应
需求响应强调根据电力负荷、时段价格或使用需求调整空调运行。通过错峰和限额控制，可减少高峰时段能耗压力。
该策略通常与自动化系统配合使用。
7.3 环境影响
暖通空调不仅影响能源消耗，也会对室内外环境产生一定作用。
7.3.1 制冷剂管理
制冷剂在系统中的泄漏、回收和更换都会影响环境表现。规范管理有助于减少资源浪费和运行风险。
在设备更新和报废过程中，制冷剂回收尤为重要。
7.3.2 噪声控制
噪声控制不仅关系到使用舒适，也关乎周边环境品质。通过降低风速、优化机组选型和采取隔振措施，可有效减轻噪声影响。
7.3.3 室内空气质量优化
室内空气质量优化强调减少污染物积聚，维持适宜的新风量和过滤水平。其目标是使空气环境更健康、更稳定。
这在人员密集和停留时间较长的空间中具有现实意义。
8 应用领域
暖通空调几乎贯穿现代建筑与工业设施的多个场景，不同领域对系统的要求各有侧重。
8.1 民用建筑
民用建筑是暖通空调最常见的应用领域之一，重点在于舒适性与经济性。
8.1.1 住宅
住宅系统通常强调安静、操作简单和按需调节。与公共建筑相比，住宅更注重个体体验和使用便利。
8.1.2 办公楼
办公楼对人员密度、内部散热和分区控制要求较高。系统需要兼顾日间运行规律和局部区域差异。
8.1.3 商业综合体
商业综合体空间类型多样，客流变化明显，环境负荷波动也较大。因此，系统往往需要更强的调节能力和分时管理能力。
8.2 工业建筑
工业建筑中的暖通空调更多服务于工艺、设备和物流条件。
8.2.1 生产车间
生产车间往往对温湿度、排热和空气洁净度有特定要求。不同工种和工艺流程可能对应不同环境标准。
8.2.2 仓储设施
仓储设施通常重点关注温湿度稳定、防潮和货物保存条件。对于某些敏感物品，环境控制直接关系到存储质量。
8.2.3 机房与数据中心
机房与数据中心需要持续稳定的散热和较高的运行可靠性。温度波动和局部热点都可能影响设备性能，因此空调系统通常要求连续运行和精确控制。
8.3 特殊场所
特殊场所对环境条件的要求更加明确，常需定制化方案。
8.3.1 医院
医院空调系统除了舒适性，还要兼顾空气卫生、气流组织和区域功能分隔。不同科室对环境要求可能差异明显。
8.3.2 实验室
实验室通常需要稳定的温湿度、可控的换气量以及一定的空气安全条件。系统设计需与实验性质相匹配。
8.3.3 洁净室
洁净室强调空气过滤、压差控制和颗粒物管理。其空调系统不仅承担温湿度调节任务，还直接参与环境洁净等级维持。
9 发展趋势
暖通空调的发展方向正在从传统设备驱动，转向智能控制、低碳运行和系统集成。
9.1 智能化控制
智能化控制利用更多数据与算法，使系统更贴合实际需求。
9.1.1 传感网络
传感网络通过多点布设采集环境与设备信息，使系统获得更完整的运行画像。它是精细化控制的基础。
9.1.2 数据分析
数据分析可用于识别负荷规律、诊断异常和评估节能效果。通过历史数据和实时数据结合，管理者能更准确地优化运行。
9.1.3 自适应调节
自适应调节能够根据环境变化、人员活动和设备状态自动调整控制策略。相比固定参数运行，它通常更灵活，也更节能。
9.2 低碳化发展
低碳化发展强调在满足环境需求的同时减少能源消耗和碳排放。
9.2.1 高效设备应用
高效设备能够在相同负荷下消耗更少能源。随着技术进步，高效压缩机、换热器和风机等产品的应用不断增加。
9.2.2 可再生能源耦合
可再生能源耦合是将太阳能、地热等能源形式与暖通系统结合，以降低对传统能源的依赖。其应用通常受场地条件和系统规模影响。
9.2.3 余热回收利用
余热回收利用可把原本排放掉的热量再次投入使用，提高能源利用率。这在工业建筑和大通风量场景中具有较大潜力。
9.3 集成化与模块化
集成化与模块化使系统更便于生产、安装和维护，也更适应多样化建筑需求。
9.3.1 设备一体化
设备一体化将多个功能整合到同一装置中，有助于减少占地和安装复杂度。它也利于标准化制造。
9.3.2 装配式系统
装配式系统强调在工厂预制、现场拼装，能够缩短施工周期并提升工程一致性。该方式在现代建筑中应用逐渐增多。
9.3.3 便捷运维设计
便捷运维设计注重检修通道、模块更换和故障定位的便利性。良好的运维设计可以降低后期管理难度，并提高系统可用性。