典型戶型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及分析

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1 引言

　　隨著住宅產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，住宅的質(zhì)量和功能都有了很大提高，人們對住宅的舒適性與健康性要求越來越高，房間空調(diào)器已不能充分滿足人們的這一需要，戶式中央空調(diào)便應(yīng)運而生。同時，戶式中央空調(diào)的應(yīng)用為房地產(chǎn)開發(fā)商減少投資環(huán)節(jié)，降低開發(fā)費用，簡化物業(yè)管理程序提供了便利。再加上戶式中央空調(diào)系統(tǒng)本身性能的不斷改善，戶式中央空調(diào)的應(yīng)用前景十分廣闊。
　　但是戶式中央空調(diào)在實際使用過程中也出現(xiàn)了一些問題：由于沒有住宅中央空調(diào)設(shè)計規(guī)范和產(chǎn)品設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，很多工程都不進行科學(xué)合理的計算，而是參照公共建筑的冷熱量指標(biāo)進行估算，這樣勢必造成設(shè)備容量選擇偏大，從而造成初投資和能源的浪費。同時，我國居民的消費習(xí)慣使得戶式中央空調(diào)的同時使用系數(shù)低，這同時也要求機組具有良好的負荷跟蹤特性，而現(xiàn)有產(chǎn)品很少可以滿足。另外設(shè)計過程中新風(fēng)、氣流組織、噪聲以及凝結(jié)水等問題都值得關(guān)注。本文將就戶式中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)節(jié)等方面的問題進行分析和探討。

2 住宅建筑空調(diào)負荷的計算

2.1 住宅建筑空調(diào)負荷的特點
　　住宅建筑和公共建筑在空調(diào)系統(tǒng)形式、使用等方面有很大不同，在住宅建筑空調(diào)負荷計算時，可以按公共建筑常規(guī)的空調(diào)負荷計算方法，但應(yīng)充分考慮住宅建筑的特點。其特點如下：（1）以戶為系統(tǒng)單元，無須整幢樓匯總，但應(yīng)適當(dāng)考慮戶間隔墻、樓板的傳熱，；（2）空調(diào)負荷參差系數(shù)大，住宅空調(diào)一般使用高峰出現(xiàn)在早、中、晚三個時段，空調(diào)負荷參差系數(shù)明顯大于其它空調(diào)建筑；（3）空調(diào)同時使用系數(shù)低，現(xiàn)代住宅的一個發(fā)展趨勢就是每戶住宅人數(shù)在減少而建筑面積在增加，人們的使用習(xí)慣為使用哪間房間就開哪間房間的空調(diào)，因此空調(diào)的同時使用系數(shù)較低，且住宅面積越大，空調(diào)同時使用系數(shù)越低。這樣，每戶各房間之間的傳熱問題應(yīng)考慮。（4）由于住宅層高低，室內(nèi)人員少，建筑窗墻比小，其冷熱負荷指標(biāo)比其它民用建筑小。

2.2 住宅建筑空調(diào)負荷的計算與結(jié)果
　　住宅空調(diào)夏季冷負荷的計算可采用諧波反應(yīng)法，冬季熱負荷采用穩(wěn)定傳熱附加熱損失方法計算。計算中所采用的室外氣象參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)按《采暖通風(fēng)于空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》取值，建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)參照各氣候區(qū)域居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。通過對某一典型戶型住宅（建筑面積133m²，窗墻面積比小于0.35，三室二廳雙衛(wèi)頂層，層高為2.8米）在寒冷地區(qū)（以鄭州為例）、夏熱冬冷地區(qū)（以上海為例）、夏熱冬暖地區(qū)（以廣州為例）空調(diào)冷熱負荷的計算和同一地區(qū)、同一戶型住宅在不同建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工條件下空調(diào)冷熱負荷的計算（以鄭州為例），得出住宅建筑在不同氣候區(qū)域的冷熱負荷指標(biāo)，為戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與選擇提供參考。計算過程中使用的建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)見表1中的各地區(qū)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的限值。根據(jù)表1中的建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)，某一典型戶型空調(diào)冷熱負荷計算結(jié)果見表2。 表1建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計熱工性能參數(shù)取值

 

地區(qū)

 

屋頂

 

外墻

 

外窗

 

內(nèi)墻和樓板

 

戶門

陽臺門下部

門芯板

寒冷

鄭州市

0.8

[1.1]

1.1

[1.65 ]

3..2*

[6.4 ]

1..83

2.7

1.7

夏熱冬冷

上海市

1.0

1..5

3..2*（4.7）

2.0

3.0

 

夏熱冬暖

廣州市

0..9

1.4

3..2*（4.7）

1..9

3.0

 

　　注：3.2為單框雙玻窗，4.7為單框單玻窗。[ ]內(nèi)為1990年建造時的熱工參數(shù)
表2空調(diào)冷熱負荷計算結(jié)果匯總表

地區(qū)

負荷指標(biāo)
鄭州市

寒冷地區(qū)

上海市

夏熱冬冷地區(qū)

廣州市

夏熱冬暖地區(qū)

冷負荷指標(biāo)（W/m²）

42

[68]

45

43

熱負荷指標(biāo)（W/m²）

58

[82]

53

28

　　注：冷、熱負荷指標(biāo)以戶建筑面積為基準(zhǔn) [ ]內(nèi)數(shù)值為1990年建造時的負荷數(shù)值
　　從表2中可看出，由于采用了節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，無論處于何種氣候區(qū)域，冷指標(biāo)都在45 (W/m²)以下,目前戶式中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型時所采用的冷熱量指標(biāo)數(shù)值基本上是參照公共建筑的，數(shù)值顯然偏大，由此造成了設(shè)備初投資和運行費用的浪費。
　　另外值得注意的是，考慮到我國居民的消費習(xí)慣，并不是所有房間空調(diào)風(fēng)口總是開啟，而大部分時間是人到哪個房間開啟哪個房間的風(fēng)口，這時只有部分開啟，其余風(fēng)口關(guān)閉，稱為分室空調(diào)。顯然，這時戶內(nèi)隔墻的隔熱、保溫性能是不容忽視的，假定分室空調(diào)時，所有戶內(nèi)鄰室均為通風(fēng)良好的非空調(diào)房間，這樣計算出鄭州地區(qū)各空調(diào)房間分室空調(diào)的冷、熱負荷（見表3），以此作為各空調(diào)房間末端裝置選擇的依據(jù)。 表3分室空調(diào)時各空調(diào)房間的冷熱負荷

負荷

房間
冷負荷

（W）

冷負荷指標(biāo)（W/m²）

熱負荷

（W）

熱負荷指標(biāo)

（W/m²）

臥室1

1034

99

1341

134

臥室2

1469

84

1422

90

臥室3

1698

86

1060

57

客廳.餐廳

3289

81

3191

79

　　注：表中冷、熱負荷指標(biāo)是以各空調(diào)房間面積為基準(zhǔn)

3 設(shè)備選擇

3.1 水管型戶式中央空調(diào)設(shè)備的選擇
3.1.1 主機設(shè)備的選擇
　　3.1.1.1 確定主機類型：根據(jù)地區(qū)的區(qū)域特點，考慮住宅有無集中供暖熱源，確定主機類型為單冷或熱泵機組。
　　3.1.1.2 確定主機型號：根據(jù)表1的每戶冷負荷確定主機型號；選擇時應(yīng)注意廠家主機夏季制冷工作特性曲線和冬季制熱工作特性曲線的測試條件與主機使用地區(qū)氣象條件的不一致性并加以修正。主機冬季實際制熱量Q_機，熱不足時采用輔助電加熱，并確定電加熱器加熱量。
3.1.2 空調(diào)末端設(shè)備的選擇
　　末端設(shè)備主要是指各房間內(nèi)安裝的風(fēng)機盤管，其選型是根據(jù)各房間的分室冷負荷（見表3）的大小來確定的，根據(jù)風(fēng)機盤管的工作特性參數(shù)對風(fēng)機盤管樣本工況的三檔參數(shù)進行修正以校核風(fēng)機盤管在系統(tǒng)設(shè)計工況下的各檔實際制冷（熱）能力。按風(fēng)機盤管中檔制冷量大于房間的冷負荷來確定各房間的風(fēng)機盤管型號。

3.2 風(fēng)管型戶式中央空調(diào)設(shè)備的選擇
3.2.1 確定主機類型：根據(jù)地區(qū)的區(qū)域特點，考慮住宅有無集中供暖熱源，確定主機類型為單冷或熱泵機組。
3.2.2 計算主機的設(shè)計負荷和進行主機選型
　　由表1可計算出每戶的冷負荷和熱負荷，計算出的冷負荷與新風(fēng)負荷之和是主機的設(shè)計負荷。新風(fēng)量按人均30 m³/ h計算，以每戶常住人口4人計，滿足人員的衛(wèi)生要求的新風(fēng)量為4×30=120 m³/h；為了維持房間的正壓要求及考慮人員分散時對新風(fēng)的要求，應(yīng)取空調(diào)機組送風(fēng)量的10%作為空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量，取以上兩數(shù)值的大者作為空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量設(shè)計值G_w。
　　每戶總送風(fēng)量按下式計算：
　　L= 3600Q_q /ρ（h_n –h_o）[m³/h]（1）
　　式中：L—送風(fēng)量，[m³/h]；
　　　　　Q_q—每戶的全熱冷負荷，[kW]；
　　　　　h_n 、h_o—室內(nèi)空氣的焓值和送風(fēng)狀態(tài)的焓值，[kJ/kg]。
　　新風(fēng)負荷為：Q_w= G_w(h_w-h_n)（2）
　　式中：h_w—室外空氣的焓值，[kJ/kg]
　　　　　G_w —新風(fēng)量，[kg/ s]
　　主機的設(shè)計負荷應(yīng)為計算出的各戶冷負荷（見表1）與新風(fēng)負荷之和，根據(jù)主機的設(shè)計負荷和按式（1）計算出的總送風(fēng)量便可確定主機型號。
　　如果為熱泵機組，還應(yīng)校核主機冬季實際制熱量Q_{機，熱}，不足時采用輔助電加熱，并確定電加熱器加熱量。
3.2.3 風(fēng)管的設(shè)計計算
　　根據(jù)房間的使用功能和裝修要求進行送風(fēng)管道和回風(fēng)管道（或回風(fēng)口）的布置，隨后進行風(fēng)管的水力計算以確定所需的出口靜壓，看是否需要高靜壓型室內(nèi)機。為了降低室內(nèi)噪聲、節(jié)約能耗，應(yīng)合理布置風(fēng)管。

4 戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)

　　居住建筑空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時間是在部分負荷下運行的，改善空調(diào)主機及系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，使之能跟蹤負荷并在部分負荷條件下高效運行是提高空調(diào)系統(tǒng)效率、實現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵所在。提高空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)效率的途徑主要有：（1）提高設(shè)備的能效比，按國家標(biāo)準(zhǔn)，家用空調(diào)合格品的能效比僅為2.4kW/kW，變頻空調(diào)產(chǎn)品的能效比約為3.3左右，較水冷冷水機組5.2~5.8 kW/kW的能效比要低得多，如何開發(fā)高能效比的戶式中央空調(diào)產(chǎn)品，提高機組的技術(shù)含量是目前急待解決的問題。戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計者要引導(dǎo)選用能效比高的空調(diào)產(chǎn)品。（2）提高設(shè)備和系統(tǒng)的容量調(diào)節(jié)能力，在部分負荷條件下也能保持高效，這是獲得更佳經(jīng)濟性及節(jié)能的重要手段。目前較為可行的調(diào)節(jié)手段有以下幾種。

4.1 調(diào)節(jié)方式
4.1.1 采用變頻壓縮機
　　壓縮機是制冷系統(tǒng)的主要動力設(shè)備，同時也是整個空調(diào)系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備，目前戶式中央空調(diào)系統(tǒng)主機大都采用定速式壓縮機，其跟蹤室內(nèi)負荷變化的手段就是讓壓縮機始終在額定的電源頻率下，處于通、斷電兩種狀態(tài)；壓縮機的啟動電流通常是額定電流的5~7倍，這不僅耗能而且對電網(wǎng)的沖擊較大，同時也影響壓縮機的壽命。而變頻壓縮機可以通過頻率的變化來適應(yīng)空調(diào)負荷的變化。制冷系統(tǒng)的冷凝器、蒸發(fā)器在空調(diào)部分負荷時由于運行工況的改變而換熱溫差減少，變頻空調(diào)的能效比明顯提高；而且由于變頻壓縮機能在低頻低電壓下啟動，因而啟動電流小，對電網(wǎng)干擾小，同時，變頻壓縮機啟動后達到設(shè)定溫度的速度快，縮短了不舒適的時間；又由于變頻壓縮機大部分時間都運行在部分負荷的較低轉(zhuǎn)速下，對壓縮機的磨損程度較小，故可延長壓縮機的壽命。

　　壓縮機變頻控制的工作過程為：首先在溫度控制器內(nèi)設(shè)置一個給定值Q_G，在蒸發(fā)器的進水管路上設(shè)置一個溫度傳感器，由此溫度傳感器測量進水溫度Q_a并將信號Q_a轉(zhuǎn)換為Q_Z傳送至控制器和給定值Q_G進行比較。當(dāng)住宅內(nèi)的空調(diào)冷負荷減小時，進水溫度降低。這一降低的溫度值通過溫度傳感器的傳送，在溫度控制器內(nèi)與給定值Q_G進行比較并得出差值信號e(e=Q_G - Q_Z)，溫度控制器根據(jù)這一差值信號對電動執(zhí)行器發(fā)出控制壓縮機電源頻率的控制命令，電動執(zhí)行器（即變頻器）依照命令將壓縮機的電源頻率調(diào)小，從而減小壓縮機的制冷量以達到節(jié)能的目的。只有當(dāng)差值信號e=0時，控制系統(tǒng)才不會動作。這樣，就能始終控制壓縮機在最經(jīng)濟的狀態(tài)下工作，取得較好的室溫和節(jié)能效果。變頻控制的原理框圖見圖1。 4.1.2 設(shè)置閥門進行調(diào)節(jié)
　　由上所述，空調(diào)負荷的特點決定了其系統(tǒng)需要進行合理的調(diào)節(jié)，以滿足在部分負荷條件下各房間對溫度的要求和節(jié)能的需求。空調(diào)系統(tǒng)常用的調(diào)節(jié)方式是設(shè)置水閥和風(fēng)閥對系統(tǒng)的水量和風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)原理是增加系統(tǒng)的阻力，用來消耗風(fēng)機和水泵的多余壓頭，達到減少流量的目的，這種改變管道系統(tǒng)阻力曲線的方法是以消耗風(fēng)機和水泵運行所提供的能量為代價的，大量風(fēng)機和水泵提供的能量消耗在閥門上。由此可見，此方法雖然簡單易行，但不節(jié)能。同時水泵和風(fēng)機工作點偏移造成的不穩(wěn)定、閥門關(guān)小后節(jié)流引起的噪聲都對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)為自動控制，這些水閥和風(fēng)閥應(yīng)為電動閥門，電動閥門價格昂貴。

4.1.3 改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速
　　改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速可以改變風(fēng)機的性能參數(shù)，風(fēng)機的功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系，而流量與轉(zhuǎn)速成一次方的關(guān)系，降低轉(zhuǎn)速以降低流量的同時可以大幅度降低能耗。當(dāng)流量減少1/3時，能耗可減少約70.4%，當(dāng)流量減少1/2時，能耗可減少約87.5%，且風(fēng)機的效率基本不變，仍可穩(wěn)定高效地工作。由此可見，調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速用來調(diào)節(jié)風(fēng)量是最理想的方法。而改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的方法很多，如變級調(diào)速、變頻調(diào)速、串級調(diào)速等，其中變頻調(diào)速無須更換電動機，調(diào)速平滑、精度高、易于實現(xiàn)自動控制和軟啟動，且小型變頻調(diào)速器價格不貴，用于小型空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)無論是技術(shù)方面還是經(jīng)濟方面都很理想。

4.2 適合風(fēng)管型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)節(jié)方式
　　風(fēng)管型戶式中央空調(diào)是一小型的一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，節(jié)能的調(diào)節(jié)方式是當(dāng)室內(nèi)余熱Q_Y值發(fā)生變化時，通常送風(fēng)溫度t_s不變，而改變送風(fēng)系統(tǒng)末端送風(fēng)口風(fēng)量和室內(nèi)機總送風(fēng)量L，即變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。在空調(diào)建筑中采用變風(fēng)量系統(tǒng)可以適應(yīng)同一時間各個朝向房間的負荷并不是都處在最大值的需要，空調(diào)系統(tǒng)輸送的風(fēng)量可以在建筑物內(nèi)各個朝向或不同使用要求的房間之間進行轉(zhuǎn)移，從而減少系統(tǒng)的總風(fēng)量，進而減小空調(diào)設(shè)備的容量，這樣不但可節(jié)省設(shè)備的初投資，而且可降低系統(tǒng)的運行費用。同時可實現(xiàn)單個房間室內(nèi)溫度的獨立控制。變風(fēng)量系統(tǒng)在運行中是一種節(jié)能、舒適性好的空調(diào)系統(tǒng)。一個完整的變風(fēng)量系統(tǒng)是由空氣處理設(shè)備、送風(fēng)系統(tǒng)、末端裝置和自動控制元件等組成。

　　對于戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，其系統(tǒng)送風(fēng)管路較短、主機送風(fēng)壓頭較小，采用一般中央空調(diào)系統(tǒng)靜壓控制的方法，控制的誤差必然較大，顯然已失去了實際應(yīng)用的價值，與此同時，微電腦和計算機技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得控制功能大大增強，控制精度提高，且安裝簡便，運行可靠，價格也越來越便宜。因此，要實現(xiàn)戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的變風(fēng)量控制，必須要尋找新的控制方法和控制裝置。

4.3 適合水管型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方案
　　對于水管型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，鑒于目前大部分廠家生產(chǎn)的機組水容量偏小，且不配置內(nèi)置式定壓罐，且為了減少麻煩，在使用時又不在系統(tǒng)最高點設(shè)置相應(yīng)的膨脹水箱的實際情況，故不適宜采用調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)水流量的方法。本人認(rèn)為末端設(shè)備（即風(fēng)機盤管）采用風(fēng)量控制方式或控制向風(fēng)機盤管斷續(xù)供水的方式、主機采用變頻控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)較節(jié)能。

　　通過調(diào)節(jié)風(fēng)機盤管電機輸入電壓使風(fēng)量分為高、中、低三檔，而相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機盤管的供冷（熱）量。當(dāng)風(fēng)機盤管處理的室內(nèi)負荷發(fā)生變化時，由主機提供的供、回水溫差必然相應(yīng)地發(fā)生變化，主機可根據(jù)回水溫度進行相應(yīng)的變頻調(diào)節(jié)，以控制制冷量（或制熱量）的輸出，達到節(jié)能的目的。
　　除風(fēng)量調(diào)節(jié)外，風(fēng)機盤管的供冷（熱）量也可通過水量調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)。只要在水管上安裝電動三通分流閥由雙位室溫調(diào)節(jié)器控制，向風(fēng)機盤管斷續(xù)供水，使室溫得以自動調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式對末端裝置來說水量是變的，而對主機來說水容量不變，不影響主機的安全運行和系統(tǒng)對熱慣性的要求，其變化的僅僅是水溫（如固定供水溫度，變化的僅是回水溫度），所以并不是真正的變水量調(diào)節(jié)。相比較而言，水管型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機盤管容易控制，較易實現(xiàn)節(jié)能控制，但由于室內(nèi)風(fēng)量控制不是無級連續(xù)調(diào)節(jié)，控制精度不高，易出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象。再加上新風(fēng)不易引入和處理，其舒適程度不如 風(fēng)管式戶式中央空調(diào)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

　　通過對戶式中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題的分析，可以得出如下結(jié)論：（1）空調(diào)冷熱負荷、系統(tǒng)主機容量以及其它設(shè)備的確定與選型應(yīng)經(jīng)過科學(xué)的計算，并遵循一定的原則，以避免造成初投資和能量的浪費。

（2）戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性是關(guān)系到節(jié)能與舒適性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用變頻技術(shù)控制主機壓縮機和風(fēng)機可獲得顯著的節(jié)能效果；采用變頻技術(shù)以及計算機控制技術(shù)的小型變風(fēng)量系統(tǒng)尤為適合風(fēng)管型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)；水管型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)則較適宜采用末端風(fēng)機盤管的風(fēng)量調(diào)節(jié)和主機變頻調(diào)節(jié)相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式。

參考文獻

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