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| 【論文】空氣源熱泵空調系統(tǒng)在家用中央空調上的應用 |
| （時間:2009/6/17 11:01:10） |
隨著生活水平的提高，人們對住宅環(huán)境的要求越來越高，尤其是對居室空氣環(huán)境提出了越來越高的要求。最初人們采用窗式空調器、分體式、壁掛式等家用空調器來降低室內溫度，但由于沒有室外新風，使得住宅室內空氣品質難以得到保證；分體式空調的室外機和窗式空調的安裝預留洞成為破壞房屋建筑立面和破壞城市景觀的重要因素。而且，近年來隨著居住條件的不斷改善，普通居民住宅建筑面積已擴大到90~200m²，一些別墅型住宅甚至達到500~600m²,顯然家用空調器已越來越不適應較高檔次住宅發(fā)展的需要,家用中央空調便應運而生。
目前典型的家用中央空調系統(tǒng)大致有三種類型：家用小型空氣源中央空調系統(tǒng)、家用變頻多聯(lián)中央空調系統(tǒng)、風管式家用中央空調系統(tǒng)。從我國目前的技術水平和空調生產(chǎn)狀況來看,空氣源家用中央空調系統(tǒng)比較適合于我國國情。下面重點介紹家用空氣源冷熱水空調系統(tǒng)的設計及需要注意的問題。
1．系統(tǒng)冷熱負荷的確定及設備選擇
計算出住宅的冷負荷后，由于所有末端設備同時使用的可能性很小，計算系統(tǒng)的總冷負荷時，應根據(jù)用戶的要求及使用性質考慮不同的使用系數(shù)。供熱時,則應根據(jù)不同的供熱方式來選取同時使用系數(shù)及考慮戶間傳熱的影響。確定總冷熱負荷之后根據(jù)本地區(qū)的氣象條件和能源供應狀況進行合理的設備選擇，如空氣源冷熱水機組、空氣源單冷機組+熱水爐、空氣源單冷機組+城市熱源等。室內末端設備一般為風機盤管和空調箱,選用末端設備時應考慮1.2的間歇使用系數(shù)和1.2的臨室無空調時內圍護結構的負荷附加系數(shù)。
選用空氣源機組時，應按當?shù)刈罴哑胶恻c來選擇。最佳平衡點選擇機組的一般步驟為：
①計算最佳平衡點溫度下的建筑物熱負荷。
②把該平衡點溫度下的供熱量，換算到標準工況下的制熱量選擇空氣源冷熱水機組。
③通過查詢生產(chǎn)廠家的樣本或技術資料，求得該機組在冬季空調設計工況下的制熱量，并由設計熱負荷求得輔助熱源的容量。
④通過查詢生產(chǎn)廠家的樣本或技術資料，求得該機組在夏季空調設計工況下的制冷量，如果不能滿足空調冷負荷的要求，則應補充輔助冷源，考慮到冷機布置的方便，一般選用風冷單冷機組作輔助冷源
按此方法選擇機組，一般來說不會存在夏季空調設計工況下熱泵機組所提供的冷量遠大于空調設計冷負荷的情況。
2．空氣源機組的除霜
由于眾所周知的原因，空氣源的應用受到氣候條件的約束，在熱泵技術較為領先的日本曾有“采暖度日數(shù)HDD<3000”的推薦使用標準，在我國使用范圍曾一度劃定在長江中下游地區(qū)，目前指導工程設計的各種文獻將冬季室外計算溫度tw=-3ºC定作最低線。然而在過去的十多年其應用范圍向北擴展的趨勢是顯而易見的，西安、鄭州、煙臺、北京等城市都多有應用。
有研究者提出了計算空氣—水熱泵干濕工況轉變臨界濕度和結霜臨界濕度的方法，建立了求解這兩個臨界相對濕度的空氣源模型，求解出不同的出水溫度和不同的空氣溫度下的這兩個臨界濕度值，繪制出使用空氣—水熱泵時的結霜區(qū)域和干工況區(qū)域。45ºC出水時，空氣源機組運行時的結霜區(qū)域和干工況區(qū)域的分界線走向大致沿著拉薩—蘭州—太原—石家莊—濟南一線。此線以北區(qū)域空氣源運行時，不會結霜；而此線以南，機組都存在不同程度的結霜。
在空氣源機組的結霜機理方面近些年也進行了相關的實驗研究，研究結果表明，空氣側換熱器結霜過程中，不僅霜的厚度發(fā)生變化，霜的密度也在變化，剛開始結霜時，結霜量主要是增加霜的厚度，而密度變化很小。隨著時間的推移，霜的厚度增加減緩，而密度變化增加，而且霜的密度隨著時間呈拋物線規(guī)律變化。研究結果表明，在不同的工況下，空氣側換熱器的結霜情況是不同的。在空氣溫度一定時，相對濕度越大，結霜越嚴重，融霜的時間間隔越短；在空氣相對濕度一定時，0ºC工況的結霜比-4ºC工況的結霜嚴重。
低溫條件下作制熱運行時的除霜，就是為了防止因霜層積聚惡化蒸發(fā)器的換熱過程。顯然，空氣源冷熱水機組除霜控制方法的時間控制法是不符合霜厚度隨時間的變化規(guī)律的。同樣，許多生產(chǎn)廠家雖采用時間—溫度控制法，但還是采用統(tǒng)一固定的除霜啟動值和除霜時間值，因此由于空氣溫度、相對濕度的不同，結霜的厚度不同，除霜效果也就不一樣。結霜規(guī)律的正確預測和掌握，才是保證除霜效果良好的前提。理想的除霜程序應該是既能在霜層積聚時及時除霜，又不在無霜時作無效除霜運行。目前常用的融霜方法除時間控制法、時間—溫度控制法外，還有旁通除霜法、壓差控制法，變頻壓縮機和電子膨脹閥的熱泵機組的顯熱除霜法以及MP99電腦除霜、智能除霜、模糊除霜等等，研究可靠的有效除霜技術，是發(fā)展和推廣家用空氣源中央空調系統(tǒng)的關鍵技術。
在生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的樣本中，熱泵的制熱量僅是標準工況下的瞬時熱量，當盤管表面結霜時，機組效率迅速下降，因此，空氣源機組冬季的制熱量應根據(jù)室外空調計算溫度修正系數(shù)和化霜修正系數(shù)，按下式進行修正：Q=q·K1·K2（式中，Q——機組制熱量Kw；q——產(chǎn)品樣本中的瞬時制熱量Kw；K1——使用地區(qū)室外空調計算干球溫度的修正系數(shù)，按產(chǎn)品樣本選取；K2機組化霜修正系數(shù)，每小時化霜一次取0.9，二次取0.8）。
3．空氣源機組變頻技術
由于多種因素，變頻空調器越來越為廣大用戶所接受。變頻壓縮機的使用，增加了系統(tǒng)的可調控參數(shù)，提高了空調器部分負荷時的性能，用變容量的柔性控制代替了起�？刂�，減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊和室內溫度的波動，從節(jié)能和舒適性的角度來看比定速空調器有著明顯的優(yōu)越性。
家用中央空調隨著具體使用要求、使用條件的不同，熱負荷差異較大，這就要求家用中央空調的能量調節(jié)能力能夠與熱負荷變動范圍大這一特點相適應，現(xiàn)在市場上銷售的大多數(shù)空氣源機組的能量調節(jié)均只能通過開停壓縮機來實現(xiàn)，當空調熱負荷較小、空調水系統(tǒng)容量也較小時，容易出現(xiàn)壓縮機的頻繁開停，由于壓縮機的啟動電流較大，因而使得運行功耗增加；而且每次停機后制冷系統(tǒng)高低壓側的壓力經(jīng)過一段時間才會達到平衡，平衡時高壓側熱的制冷劑與低壓側冷的制冷劑混合也會產(chǎn)生不必要的冷量損失。此外，開停機過于頻繁也會縮短壓縮機的使用壽命。近年來，隨著空調技術的進步，在家用中央空調產(chǎn)品上已出現(xiàn)多種能量調節(jié)方式，應用較多的方式有：①制冷系統(tǒng)采用多個定速（定輸氣量）壓縮機組合；②制冷系統(tǒng)采用變輸氣量壓縮機與定速壓縮機組合；③制冷系統(tǒng)采用變頻壓縮機與定速壓縮機組合；④多個制冷系統(tǒng)組合。對于多個制冷系統(tǒng)組合而成的機組，能量調節(jié)能力隨系統(tǒng)數(shù)量、壓縮機種類的不同有著較大的差別，采用定速（定輸氣量）壓縮機系統(tǒng)組合只能實現(xiàn)能量分配調節(jié)，如采用變頻壓縮機系統(tǒng)與定速壓縮機系統(tǒng)組合則能實現(xiàn)能量連續(xù)調節(jié)。因此，如產(chǎn)品采用模塊化結構，設計相關規(guī)格的變頻單元和定速單元，通過多種組合方式，還可形成能量可連續(xù)調節(jié)的系列產(chǎn)品。
變頻壓縮機和定速壓縮機組合的變頻機組不僅能適應家庭用戶熱負荷差異大，能量調節(jié)范圍寬的使用要求，制冷（熱）迅速，系統(tǒng)水溫波動小,除霜時水溫下降幅度小，而且具有明顯的節(jié)能性，能夠實現(xiàn)大容量機組的連續(xù)能量調節(jié),并且對增加機組使用壽命、提高房間的舒適性和降低噪聲均有好處，是家用中央空調發(fā)展中值得大力提倡的一種方式。
4．水系統(tǒng)熱穩(wěn)定性問題
家用空氣源機組和單冷機組的壓縮機為定速壓縮機時，因為空調系統(tǒng)的水容量較小，將存在空調水系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性問題。配有定速壓縮機的空氣源家用空調系統(tǒng)，能量調節(jié)一般均根據(jù)室內溫度的變化通過開停壓縮機來實現(xiàn)。家用空調系統(tǒng)大部分均運行在部分負荷，在部分負荷下，壓縮機運行很短時間，空調系統(tǒng)水溫就會達到設定溫度，此時壓縮機停機；當水系統(tǒng)容量較小時，經(jīng)過很短時間，空調系統(tǒng)水溫就會高出設定溫度，壓縮機又必須開機，從而造成壓縮機頻繁開停，既增加了系統(tǒng)功耗，又影響主機的使用壽命。并且，水系統(tǒng)容量較小時，冬季除霜時又會造成系統(tǒng)水溫降過大，影響供熱效果，形成吹冷風的現(xiàn)象。變頻壓縮機和定速壓縮機組合的空調系統(tǒng)，主機能自動與室內負荷相匹配，水系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性問題不突出，但水系統(tǒng)容量過小，在變頻壓縮機和定速壓縮機銜接的負荷盲區(qū)也會造成壓縮機的多次起停。
系統(tǒng)的水容量越小，則系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性越差，反之，系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性越好。但如系統(tǒng)水容量過大，又會造成蓄能循環(huán)水箱體積龐大，影響首次開機時和長期停機后的制冷（熱）速度。因此，水系統(tǒng)設計時，應該校對計算系統(tǒng)水容量是否滿足系統(tǒng)熱穩(wěn)定性要求。當系統(tǒng)水容量不能滿足要求時，應增設蓄能循環(huán)水箱或采取加大系統(tǒng)水管管徑的措施。
5．室內外機的布置及設計
家用中央空調的方式和設備選型確定后，空調室內機布置時應充分考慮到溫度分布、氣流分布、檢修、安全性等方面的事項，并應與建筑物配合得當。空調設備設置的場所（室內、室外、陽臺等）和建筑構造（方位、設備預留通道等）及住戶的房間布置（窗、家具和位置等）之間的關系應在設計圖紙上清晰地標示出來。國家和地方法規(guī)的規(guī)定也應在空調設備的布置和設計中得到嚴格地執(zhí)行。室外機組設計時必須考慮其安裝位置和噪聲控制。一般機組安裝位置要進風通暢，風速控制在3~4m/s，排風不受阻擋，尤其是出風口的上方不應有阻擋物,否則會引起排風氣流短路,機組因熱保護動作而停機。
6．系統(tǒng)水管路設計
家用中央空調系統(tǒng)一般都較小，水系統(tǒng)的設計要簡單，設計需要注意的問題如下：
（1）水系統(tǒng)循環(huán)方式
水系統(tǒng)一般采用兩管制閉式循環(huán)系統(tǒng)，舒適性要求特別高的高檔住宅可采用四管制。由于系統(tǒng)規(guī)模小，水管路大多采用異程式。
（2）定流量設計與水泵配置
家用中央空調系統(tǒng)循環(huán)水量較小，宜采用定流量系統(tǒng)。室內溫度控制可采用風機盤管自動調速溫控器或電動三通閥，建議首選風盤自動調速溫控器，通過調節(jié)風盤風量恒定室內溫度，不宜采用電動二通閥（當只有一臺風機盤管工作時，通過制冷機的流量將嚴重不足）。因為家用中央空調系統(tǒng)大多為間歇運行且同時使用系數(shù)低，末端設備容量遠大于制冷機，通過風機盤管的流量嚴重不足，且供水溫度不能穩(wěn)定于設定溫度，設計過程中應采取措施盡量保證通過風機盤管的流量并根據(jù)流經(jīng)風機盤管的實際流量和最不利供水溫度，對風機盤管性能進行校核計算。[6]水流量控制也可采用介于定流量和變流量之間的混合方式,采用這種方式時,離主機近的部分風機盤管采用電動二通閥，其他風機盤管采用電動三通閥，此時可省掉壓差旁通閥，采用此種方式時應注意二通閥和三通閥的配比。三通閥的數(shù)量過少，有可能導致主機因流量過低而保護停機。
（3）水路無故障設計
循環(huán)水系統(tǒng)故障在整個空調系統(tǒng)故障中所占的比重是比較高的，故障主要來源于機組、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)安裝等多個方面。為了提高系統(tǒng)的可靠性，在機組設計和制造時，對于水系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行詳細的分析和嚴格的控制是非常重要的。如：a.系統(tǒng)排氣。家用中央空調系統(tǒng)中的水流量比較小，少量的氣體就會導致循環(huán)水中斷，凍壞蒸發(fā)器或形成保護，使系統(tǒng)無法正常工作，所以保證系統(tǒng)中的空氣及時、完全地排放非常必要。為此，在系統(tǒng)中一般都安裝有自動排氣閥，但是由于家用中央空調大都是內置水泵、密閉式膨脹水箱，還有流量保護裝置等，機組內部水循環(huán)管路往往較為復雜，布置起來不是十分容易，特別容易形成局部上凸的存氣彎，導致在機組的運轉過程中，經(jīng)常因為局部集氣而出現(xiàn)流量保護的現(xiàn)象，這在進行產(chǎn)品設計時是絕對要避免的。b.循環(huán)水的補充和排泄。家用中央空調是一個家電化的產(chǎn)品，因此，所有的功能應力求機組自動完成，系統(tǒng)內循環(huán)水的補充也是這樣，必須使用自動補水閥根據(jù)系統(tǒng)的壓力實時對系統(tǒng)進行補水。而對于系統(tǒng)內存水排放的考慮更是重要，特別是對于單冷機組，在冬季非使用期，必須排去系統(tǒng)內的積水，以免室外過于寒冷的氣溫凍壞系統(tǒng)管路。c.水系統(tǒng)監(jiān)測和保護。為保證機組正常高效運行，水系統(tǒng)管路上應設置相應的監(jiān)測和保護設備。如機組進水口應設水處理設備和Y型過濾器，以防水系統(tǒng)結垢和堵塞機組內的換熱器；機組供回水管路上應裝設溫度計和壓力表，以便于日常運轉檢查；機組與水管連接處應配設軟管，以減少機體的振動對系統(tǒng)管路的影響；為便于系統(tǒng)調試和水流量調節(jié)，空調箱和風機盤管的支管切斷閥宜選用有一定調節(jié)作用的截止閥或球閥。
（4）一體式機組和分體式機組
空調主機可根據(jù)當?shù)氐臍夂蚯闆r選用一體式機組或分體式機組，分體式機組將水側換熱器及循環(huán)水泵等放置在室內機，可在室內衛(wèi)生間或儲藏室吊頂上安裝，以防冬季冰凍現(xiàn)象發(fā)生。機組一般均自帶膨脹罐、水系統(tǒng)安全閥、自動補水閥、排水閥等，用戶可不必另行安裝膨脹水箱，但室內機安裝時應預留出一定的空間，以確保機組能進行維修和保養(yǎng)。
（5）內置水泵及其補水定壓
家用空氣源機組制冷容量不大,一般都采用內置進口循環(huán)水泵。空調主機內置水泵的流量和揚程應按照機組的制冷量和保證最大數(shù)量風機盤管的正常使用來匹配�？照{循環(huán)水系統(tǒng)補水定壓，目前主要有兩種方法即設置膨脹水箱和采用氣體定壓膨脹罐。a.系統(tǒng)設置膨脹水箱。這種方式設置的膨脹水箱，運行可靠、造價低，在有條件時應盡量選用此方式。主要問題是對于多層的集合式住宅或公寓式建筑，難以解決膨脹水箱的設置位置。b.采用氣體定壓膨脹罐。這種定壓方法的優(yōu)點是：膨脹罐的布置靈活方便，不受位置高度影響，通常放在機組內，減少施工工作量。其主要缺點是設備較復雜、價格高、壓力需要調節(jié)、可靠性不如膨脹水箱。
7．新風處理
對于層高較高的別墅或辦公等商業(yè)用房，有條件時應采用新風空調箱或板翅式全熱換熱器來處理新風。采用新風空調箱時，新風一般處理到室內狀態(tài)參數(shù)的等焓點。為減輕室內風機盤管的負擔，新風最好處理到室內狀態(tài)點等濕線與90%相對濕度線的相交點。此外,設計中還必須重視通風的有效性:供給足夠的新風量,恰當?shù)呐棚L量,理想的送排風布局和氣流組織有助于提高通風效率,改善室內空氣環(huán)境。SARS的爆發(fā)使人們意識到空調設備系統(tǒng)應具備應對生化污染的能力。首先是新風采氣口的位置選擇要合適，必須確保新風采氣口周圍環(huán)境潔凈，所吸入的空氣為新鮮清潔的室外空氣，嚴格防止與排風系統(tǒng)的氣流短路；另外，在新風采氣口處目前一般只設初效過濾器，這種設置對正常情況下大氣中的灰塵過濾效率都不高，污染物的粒徑可能比灰塵粒徑更小，過濾效率可能更低，所以為了有效的濾塵和濾菌，應該在新風采氣口設一臺初效和一臺中效過濾器的組合，這種過濾器組合的濾塵效果明顯，濾塵效率可達99.9%；其次，對于因灰塵多產(chǎn)生的污染，主要應對過濾器定期清洗、消毒或更換，減少過濾器上以及風管內的灰塵，對于空調系統(tǒng)的表冷器、凝結水水盤和加濕器定期進行清洗消毒。
8．減振降噪
制冷空調設備的振動和噪音無疑是影響用戶的一個重要因素，而且在家用制冷設備中表現(xiàn)得特別突出。在家用中央空調機組中，最重要的噪音源來自壓縮機和風機，因此對這兩個部件的噪聲控制非常重要。機組整體設計時必須考慮充分的減振降噪措施。對不滿足室內噪音標準要求的室內機在設計安裝時也應采取相應的措施。
9．機組防腐
由于空調主機一般均安裝在屋面或陽臺處，可能常年遭受日曬雨淋。特別是我國部分城市的空氣污染和酸雨嚴重，沿海地區(qū)空氣中鹽份較多，有的機組使用1～2年就已銹跡斑斑，嚴重降低機組的使用壽命。因此，廠家在產(chǎn)品設計和用戶在設備選型時應引起足夠的重視。
結束語：總之，空氣源用于家用中央空調系統(tǒng)時類似于家電產(chǎn)品，走向千家萬戶，必須具有高度的可靠性、易操作性和低故障率，保證向用戶提供一個安全、健康、高效、舒適、和諧的生活環(huán)境。
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