戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)運行分析和改進(jìn)

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引言

　　隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高及居住條件的改善，大面積多居室的單元房、復(fù)式住宅及別墅、小型的辦公寫字樓、商店、賓館等建筑越來越多，與之相配套適用的戶式中央空調(diào)形成了新的發(fā)展潮流，正成為空調(diào)行業(yè)發(fā)展的熱點，市場潛力巨大。

　　當(dāng)前戶式中央空調(diào)可分為三種主要型式：風(fēng)管系統(tǒng)、冷熱水系統(tǒng)和制冷劑系統(tǒng)。其中冷熱水系統(tǒng)是由小型風(fēng)冷冷水（熱泵）機組和室內(nèi)末端裝置組成。通過室外主機生產(chǎn)出空調(diào)冷熱水，由管路輸送到室內(nèi)各末端裝置，進(jìn)行空調(diào)。該系統(tǒng)的核心設(shè)備是風(fēng)冷冷水（熱泵）機組，該機組是由壓縮機、風(fēng)冷冷凝器、蒸發(fā)器等部件組成，還內(nèi)置了循環(huán)水泵、膨脹水箱等部件；末端裝置通常為風(fēng)機盤管和新風(fēng)機組搭配使用，風(fēng)機盤管一般可以調(diào)節(jié)其風(fēng)機轉(zhuǎn)速或通過旁通閥調(diào)節(jié)流過盤管的水量，從而調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的冷熱量，既滿足了室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的需求，又保證了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

　　在《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組　戶用和類似用途的冷水（熱泵）機組》（GB/T18430.2-2001）國家標(biāo)準(zhǔn)中，對戶式中央空調(diào)系統(tǒng)中用的小型風(fēng)冷冷水（熱泵）機組進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)范和定義，稱其為戶用冷水（熱泵）機組，并明確規(guī)定“機組除配置所有制冷組件外還應(yīng)包括冷水循環(huán)水泵”，且“機組配置的冷水循環(huán)水泵其流量和揚程應(yīng)保證機組的正常工作，也可根據(jù)用戶要求或?qū)嶋H用途配置合適揚程的循環(huán)水泵”。由于室內(nèi)輸送的是冷媒水，所以在冷熱水系統(tǒng)的戶式中央空調(diào)中，水系統(tǒng)的正常合理運行是至關(guān)重要的。

　　本文旨在借鑒大型中央空調(diào)水系統(tǒng)運行狀況及控制，來分析探討戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)的實際運行狀況，并提出了有關(guān)問題的改進(jìn)建議，使之更適于我國居住建筑節(jié)能方針政策和可持續(xù)發(fā)展的要求。

　　1、水系統(tǒng)運行分析

　　中央空調(diào)系統(tǒng)實質(zhì)上是大型集中式空調(diào)的小型化，對于該系統(tǒng)的設(shè)計目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范，安裝驗收也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。筆者查閱了國內(nèi)外許多生產(chǎn)戶用冷水（熱泵）機組的廠家產(chǎn)品資料，對該類型機組的水系統(tǒng)設(shè)計安裝，大多廠家均只提供了簡單的水系統(tǒng)管路安裝示意圖，而且都籠統(tǒng)地指出，現(xiàn)場安裝參照設(shè)計規(guī)范或施工安裝規(guī)范。綜合各廠家在產(chǎn)品樣本中提供的安裝說明指導(dǎo)，典型的戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

　　該空調(diào)系統(tǒng)類似于大型集中式空調(diào)冷源側(cè)定流量、負(fù)荷側(cè)變流量的單級泵變水量水系統(tǒng)型式，系統(tǒng)采用一臺戶用冷水（熱泵）機組作為冷（熱）源，室內(nèi)末端為風(fēng)機盤管，每臺風(fēng)機盤管回水支管上均安裝有電動二通閥（配溫控開關(guān)），由室內(nèi)溫控器控制風(fēng)機盤管上的電動二通閥的開啟與關(guān)閉。當(dāng)某一空調(diào)區(qū)域的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，該風(fēng)機盤管的電動二通閥關(guān)閉，該支路不再有循環(huán)水流過，當(dāng)風(fēng)機盤管停止運行時，該閥也關(guān)閉。整個空調(diào)水系統(tǒng)配備了一臺循環(huán)水泵。循環(huán)水泵通常放置于機組內(nèi)部。

　　在室外氣溫較適中的季節(jié)，房間空調(diào)負(fù)荷不是很大，空調(diào)系統(tǒng)主機的運行也相應(yīng)是低負(fù)荷工況。各空調(diào)房間要達(dá)到設(shè)定的溫度范圍所需要的時間較短，而偏離設(shè)定溫度所需的時間較長，又由于風(fēng)機盤管水量和熱量的非線形關(guān)系（比如50%的冷凍水量就可使盤管提供75%的冷量），因此房間風(fēng)機盤管水路電動二通閥在大部分時間里處于關(guān)閉狀態(tài)，處于開啟狀態(tài)的時間很短，流過每臺風(fēng)機盤管的水流量很不穩(wěn)定，綜合所有風(fēng)機盤管的狀況，整個水系統(tǒng)的總水量波動就比較大，影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運行。

　　在空調(diào)季節(jié)，房間空調(diào)負(fù)荷較大，主機運行處于滿負(fù)荷或高負(fù)荷工況，各空調(diào)房間達(dá)到所設(shè)定的溫度范圍所需要的時間較長，房間風(fēng)機盤管水路電動二通閥在大部分時間內(nèi)處于開啟狀態(tài)，而關(guān)閉的時間較短，流過每臺風(fēng)機盤管的水量比較穩(wěn)定，整個水系統(tǒng)的水量波動比上述季節(jié)水量波動要小，能保證空調(diào)系統(tǒng)的正常運行。

　　2、水系統(tǒng)改進(jìn)與分析

　　從前面分析可知，在水系統(tǒng)運行過程中水量波動比較大的季節(jié)，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。為了平衡系統(tǒng)的水流量，可以采取增加旁通的方法，即在室外主機的供回水干管之間增加旁通管和壓差旁通閥，旁通電動閥控制主機進(jìn)出水管的壓力差為恒定值，保證主機的水量恒定。戶用冷水（熱泵）機組蒸發(fā)器側(cè)水流量一般均按冷凍水溫差為5℃的恒定流量設(shè)計，并要求在蒸發(fā)器出水口上設(shè)有水流量開關(guān)作為機組的斷水保護，所以運行過程中要確保主機的水流量恒定。當(dāng)末端風(fēng)機盤管的電動二通閥關(guān)閉時，該支路進(jìn)出水口水壓將發(fā)生變化，進(jìn)而引起主管供回水的壓力變化。增加旁通管路后，在機組部分負(fù)荷運行時，流過風(fēng)機盤管的水量波動較大，引起供回水管路之間的水壓發(fā)生變化，根據(jù)壓差的變化來調(diào)節(jié)旁通電動閥的開度，控制旁通水量的多少，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水流量使之與負(fù)荷相適應(yīng)，以維持整個水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　2.2 水系統(tǒng)變流量控制

　　在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18430.2-2001中要求戶用冷水（熱泵）機組自身配置循環(huán)水泵，循環(huán)水泵的選型由主機制造廠家設(shè)計選用，在實際使用過程中就產(chǎn)生了許多問題。運行中，若冷（熱）水的進(jìn)出水溫差在4～5℃時，系統(tǒng)功耗達(dá)到比較理想的水平。但是一般戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)采用定流量方式，而一年中的熱負(fù)荷變化很大，只有少數(shù)時間是滿負(fù)荷狀態(tài)，多數(shù)時間水量輸送運行在過剩狀態(tài)，即水系統(tǒng)運行在大流量小溫差狀態(tài)，使傳熱系數(shù)變小，效率降低。而水泵始終運行在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，導(dǎo)致水泵機械磨損。

　　筆者查詢了部分主機廠家的戶用冷水（熱泵）機組內(nèi)置循環(huán)水泵的產(chǎn)品樣本資料，如McQuay（麥克維爾）的MAC-C系列、TICA（南京天加）的TCA系列等產(chǎn)品，其循環(huán)水泵的功耗最大要占機組總功率（壓縮機、冷凝風(fēng)機電機和控制電氣部分之和）的20%左右，最小的達(dá)到8%，可見循環(huán)水泵在整個空調(diào)系統(tǒng)中的能耗占了相當(dāng)大的一部分。通常在戶式中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計選型過程中，人們只注意到機組性能系數(shù)（COP）的高低，而COP的大小只是反映了制冷系統(tǒng)的工作效率。因此，如何改進(jìn)水泵的運行，達(dá)到整個系統(tǒng)節(jié)能的目的，采用變水量技術(shù)就是發(fā)展以水系統(tǒng)為主的戶式中央空調(diào)的關(guān)鍵。

　　借鑒目前大型集中式空調(diào)水系統(tǒng)變流量控制的模式，對目前戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)也實行變流量控制，通過循環(huán)水泵的變頻控制來實現(xiàn)，控制器通過溫度傳感器采集冷（熱）水進(jìn)出口溫度信號作為參考信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，確定空調(diào)負(fù)荷狀況，根據(jù)負(fù)荷狀況通過變頻器控制循環(huán)水泵的水流量。當(dāng)水泵運行的頻率降到設(shè)定最小值時，變頻器停止頻率的繼續(xù)降低，以起到對機組的斷流保護，如圖3所示。

　　當(dāng)前各戶式中央空調(diào)機組生產(chǎn)廠家產(chǎn)品研發(fā)的注意力都集中于制冷劑變流量技術(shù)方面，如果能從水系統(tǒng)方面入手，借鑒大型集中式空調(diào)中水系統(tǒng)變流量技術(shù)的控制思路，并結(jié)合戶式中央空調(diào)的具體狀況將這項技術(shù)應(yīng)用到戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)中，完全是切實可行的。

　　3、結(jié)束語

　　1）我國戶式中央空調(diào)的發(fā)展日益成熟，其中水系統(tǒng)型式的發(fā)展非常迅速，因此它的正常合理運行是非常重要的；

　　2）目前戶式中央空調(diào)水系統(tǒng)運行存在穩(wěn)定性差、能耗高等問題，可以通過增加旁通調(diào)節(jié)、水系統(tǒng)變流量控制等手段以達(dá)到節(jié)能和穩(wěn)定運行的目的；

　　3）變水量技術(shù)將是水系統(tǒng)型式戶式中央空調(diào)發(fā)展的新方向和關(guān)鍵技術(shù)。