空气源热泵空调系统在家用中央空调中的应用

 

关键字：空气源热泵家用中央空调冷热负荷

 

随着生活水平的提高，人们对住宅环境的要求越来越高，尤其是对居室空气环境提出了越来越高的要求。最初人们采用窗式空调器、分体式、壁挂式等家用空调器来降低室内温度，但由于没有室外新风，使得住宅室内空气品质难以得到保证；分体式空调的室外机和窗式空调的安装预留洞成为破坏房屋建筑立面和破坏城市景观的重要因素。而且，近年来随着居住条件的不断改善，普通居民住宅建筑面积已扩大到90~200m²，一些别墅型住宅甚至达到500~600m²,显然家用空调器已越来越不适应较高档次住宅发展的需要,家用中央空调便应运而生。[1]

 

目前典型的家用中央空调系统大致有三种类型：家用小型空气源热泵中央空调系统、家用变频多联中央空调系统、风管式家用中央空调系统。从我国目前的技术水平和空调生产状况来看,空气源热泵家用中央空调系统比较适合于我国国情。下面重点介绍家用空气源热泵冷热水空调系统的设计及需要注意的问题。

 

1.系统冷热负荷的确定及设备选择

 

计算出住宅的冷负荷后，由于所有末端设备同时使用的可能性很小，计算系统的总冷负荷时，应根据用户的要求及使用性质考虑不同的使用系数。供热时,则应根据不同的供热方式来选取同时使用系数及考虑户间传热的影响。确定总冷热负荷之后根据本地区的气象条件和能源供应状况进行合理的设备选择，如空气源热泵冷热水机组、空气源单冷机组+热水炉、空气源单冷机组+城市热源等。室内末端设备一般为风机盘管和空调箱,选用末端设备时应考虑1.2的间歇使用系数和1.2的临室无空调时内围护结构的负荷附加系数。

 

选用空气源热泵机组时，应按当地最佳平衡点来选择。最佳平衡点选择机组的一般步骤为：

 

①计算最佳平衡点温度下的建筑物热负荷。

 

②把该平衡点温度下的供热量，换算到标准工况下的制热量选择空气源热泵冷热水机组。

 

③通过查询生产厂家的样本或技术资料，求得该机组在冬季空调设计工况下的制热量，并由设计热负荷求得辅助热源的容量。

 

④通过查询生产厂家的样本或技术资料，求得该机组在夏季空调设计工况下的制冷量，如果不能满足空调冷负荷的要求，则应补充辅助冷源，考虑到冷机布置的方便，一般选用风冷单冷机组作辅助冷源

 

按此方法选择机组，一般来说不会存在夏季空调设计工况下热泵机组所提供的冷量远大于空调设计冷负荷的情况。[2]

 

2.空气源热泵机组的除霜

 

由于众所周知的原因，空气源热泵的应用受到气候条件的约束，在热泵技术较为领先的日本曾有“采暖度日数HDD3000”的推荐使用标准，在我国使用范围曾一度划定在长江中下游地区，目前指导工程设计的各种文献将冬季室外计算温度tw=-3ºC定作最低线。然而在过去的十多年其应用范围向北扩展的趋势是显而易见的，西安、郑州、烟台、北京等城市都多有应用。

 

有研究者提出了计算空气—水热泵干湿工况转变临界湿度和结霜临界湿度的方法，建立了求解这两个临界相对湿度的空气源热泵模型，求解出不同的出水温度和不同的空气温度下的这两个临界湿度值，绘制出使用空气—水热泵时的结霜区域和干工况区域。45ºC出水时，空气源热泵机组运行时的结霜区域和干工况区域的分界线走向大致沿着拉萨—兰州—太原—石家庄—济南一线。此线以北区域空气源热泵运行时，不会结霜；而此线以南，机组都存在不同程度的结霜。[3]

 

在空气源热泵机组的结霜机理方面近些年也进行了相关的实验研究，研究结果表明，空气侧换热器结霜过程中，不仅霜的厚度发生变化，霜的密度也在变化，刚开始结霜时，结霜量主要是增加霜的厚度，而密度变化很小。随着时间的推移，霜的厚度增加减缓，而密度变化增加，而且霜的密度随着时间呈抛物线规律变化。研究结果表明，在不同的工况下，空气侧换热器的结霜情况是不同的。在空气温度一定时，相对湿度越大，结霜越严重，融霜的时间间隔越短；在空气相对湿度一定时，0ºC工况的结霜比-4ºC工况的结霜严重。[4]

 

低温条件下作制热运行时的除霜，就是为了防止因霜层积聚恶化蒸发器的换热过程。显然，空气源热泵冷热水机组除霜控制方法的时间控制法是不符合霜厚度随时间的变化规律的。同样，许多生产厂家虽采用时间—温度控制法，但还是采用统一固定的除霜启动值和除霜时间值，因此由于空气温度、相对湿度的不同，结霜的厚度不同，除霜效果也就不一样。结霜规律的正确预测和掌握，才是保证除霜效果良好的前提。理想的除霜程序应该是既能在霜层积聚时及时除霜，又不在无霜时作无效除霜运行。目前常用的融霜方法除时间控制法、时间—温度控制法外，还有旁通除霜法、压差控制法，变频压缩机和电子膨胀阀的热泵机组的显热除霜法以及MP99电脑除霜、智能除霜、模糊除霜等等，研究可靠的有效除霜技术，是发展和推广家用空气源热泵中央空调系统的关键技术。

 

在生产厂家产品的样本中，热泵的制热量仅是标准工况下的瞬时热量，当盘管表面结霜时，机组效率迅速下降，因此，空气源热泵机组冬季的制热量应根据室外空调计算温度修正系数和化霜修正系数，按下式进行修正：Q=q·K1·K2（式中，Q——机组制热量Kw；q——产品样本中的瞬时制热量Kw；K1——使用地区室外空调计算干球温度的修正系数，按产品样本选取；K2机组化霜修正系数，每小时化霜一次取0.9，二次取0.8）。

 

3．空气源热泵机组变频技术

 

由于多种因素，变频空调器越来越为广大用户所接受。变频压缩机的使用，增加了系统的可调控参数，提高了空调器部分负荷时的性能，用变容量的柔性控制代替了起停控制，减少了系统对电网的冲击和室内温度的波动，从节能和舒适性的角度来看比定速空调器有着明显的优越性。

 

家用中央空调随着具体使用要求、使用条件的不同，热负荷差异较大，这就要求家用中央空调的能量调节能力能够与热负荷变动范围大这一特点相适应，现在市场上销售的大多数空气源机组的能量调节均只能通过开停压缩机来实现，当空调热负荷较小、空调水系统容量也较小时，容易出现压缩机的频繁开停，由于压缩机的启动电流较大，因而使得运行功耗增加；而且每次停机后制冷系统高低压侧的压力经过一段时间才会达到平衡，平衡时高压侧热的制冷剂与低压侧冷的制冷剂混合也会产生不必要的冷量损失。此外，开停机过于频繁也会缩短压缩机的使用寿命。近年来，随着空调技术的进步，在家用中央空调产品上已出现多种能量调节方式，应用较多的方式有：①制冷系统采用多个定速（定输气量）压缩机组合；②制冷系统采用变输气量压缩机与定速压缩机组合；③制冷系统采用变频压缩机与定速压缩机组合；④多个制冷系统组合。对于多个制冷系统组合而成的机组，能量调节能力随系统数量、压缩机种类的不同有着较大的差别，采用定速（定输气量）压缩机系统组合只能实现能量分配调节，如采用变频压缩机系统与定速压缩机系统组合则能实现能量连续调节。因此，如产品采用模块化结构，设计相关规格的变频单元和定速单元，通过多种组合方式，还可形成能量可连续调节的系列产品。

 

变频压缩机和定速压缩机组合的变频机组不仅能适应家庭用户热负荷差异大，能量调节范围宽的使用要求，制冷（热）迅速，系统水温波动小,除霜时水温下降幅度小，而且具有明显的节能性，能够实现大容量机组的连续能量调节,并且对增加机组使用寿命、提高房间的舒适性和降低噪声均有好处，是家用中央空调发展中值得大力提倡的一种方式。

 

4．水系统热稳定性问题

 

家用空气源热泵机组和单冷机组的压缩机为定速压缩机时，因为空调系统的水容量较小，将存在空调水系统的热稳定性问题。配有定速压缩机的空气源热泵家用空调系统，能量调节一般均根据室内温度的变化通过开停压缩机来实现。家用空调系统大部分均运行在部分负荷，在部分负荷下，压缩机运行很短时间，空调系统水温就会达到设定温度，此时压缩机停机；当水系统容量较小时，经过很短时间，空调系统水温就会高出设定温度，压缩机又必须开机，从而造成压缩机频繁开停，既增加了系统功耗，又影响主机的使用寿命。并且，水系统容量较小时，冬季除霜时又会造成系统水温降过大，影响供热效果，形成吹冷风的现象。变频压缩机和定速压缩机组合的空调系统，主机能自动与室内负荷相匹配，水系统的热稳定性问题不突出，但水系统容量过小，在变频压缩机和定速压缩机衔接的负荷盲区也会造成压缩机的多次起停。

 

系统的水容量越小，则系统的热稳定性越差，反之，系统的热稳定性越好。但如系统水容量过大，又会造成蓄能循环水箱体积庞大，影响首次开机时和长期停机后的制冷（热）速度。因此，水系统设计时，应该校对计算系统水容量是否满足系统热稳定性要求。当系统水容量不能满足要求时，应增设蓄能循环水箱或采取加大系统水管管径的措施。[5]

 

5．室内外机的布置及设计

 

家用中央空调的方式和设备选型确定后，空调室内机布置时应充分考虑到温度分布、气流分布、检修、安全性等方面的事项，并应与建筑物配合得当。空调设备设置的场所（室内、室外、阳台等）和建筑构造（方位、设备预留通道等）及住户的房间布置（窗、家具和位置等）之间的关系应在设计图纸上清晰地标示出来。国家和地方法规的规定也应在空调设备的布置和设计中得到严格地执行。室外机组设计时必须考虑其安装位置和噪声控制。一般机组安装位置要进风通畅，风速控制在3~4m/s，排风不受阻挡，尤其是出风口的上方不应有阻挡物,否则会引起排风气流短路,机组因热保护动作而停机。

 

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6．系统水管路设计

 

家用中央空调系统一般都较小，水系统的设计要简单，设计需要注意的问题如下：

 

（1）水系统循环方式

 

水系统一般采用两管制闭式循环系统，舒适性要求特别高的高档住宅可采用四管制。由于系统规模小，水管路大多采用异程式。

 

（2）定流量设计与水泵配置

 

家用中央空调系统循环水量较小，宜采用定流量系统。室内温度控制可采用风机盘管自动调速温控器或电动三通阀，建议首选风盘自动调速温控器，通过调节风盘风量恒定室内温度，不宜采用电动二通阀（当只有一台风机盘管工作时，通过制冷机的流量将严重不足）。因为家用中央空调系统大多为间歇运行且同时使用系数低，末端设备容量远大于制冷机，通过风机盘管的流量严重不足，且供水温度不能稳定于设定温度，设计过程中应采取措施尽量保证通过风机盘管的流量并根据流经风机盘管的实际流量和最不利供水温度，对风机盘管性能进行校核计算。[6]水流量控制也可采用介于定流量和变流量之间的混合方式,采用这种方式时,离主机近的部分风机盘管采用电动二通阀，其他风机盘管采用电动三通阀，此时可省掉压差旁通阀，采用此种方式时应注意二通阀和三通阀的配比。三通阀的数量过少，有可能导致主机因流量过低而保护停机。

 

（3）水路无故障设计

 

循环水系统故障在整个空调系统故障中所占的比重是比较高的，故障主要来源于机组、系统设计、系统安装等多个方面。为了提高系统的可靠性，在机组设计和制造时，对于水系统的各个环节进行详细的分析和严格的控制是非常重要的。如：a.系统排气。家用中央空调系统中的水流量比较小，少量的气体就会导致循环水中断，冻坏蒸发器或形成保护，使系统无法正常工作，所以保证系统中的空气及时、完全地排放非常必要。为此，在系统中一般都安装有自动排气阀，但是由于家用中央空调大都是内置水泵、密闭式膨胀水箱，还有流量保护装置等，机组内部水循环管路往往较为复杂，布置起来不是十分容易，特别容易形成局部上凸的存气弯，导致在机组的运转过程中，经常因为局部集气而出现流量保护的现象，这在进行产品设计时是绝对要避免的。b.循环水的补充和排泄。家用中央空调是一个家电化的产品，因此，所有的功能应力求机组自动完成，系统内循环水的补充也是这样，必须使用自动补水阀根据系统的压力实时对系统进行补水。而对于系统内存水排放的考虑更是重要，特别是对于单冷机组，在冬季非使用期，必须排去系统内的积水，以免室外过于寒冷的气温冻坏系统管路。c.水系统监测和保护。为保证机组正常高效运行，水系统管路上应设置相应的监测和保护设备。如机组进水口应设水处理设备和Y型过滤器，以防水系统结垢和堵塞机组内的换热器；机组供回水管路上应装设温度计和压力表，以便于日常运转检查；机组与水管连接处应配设软管，以减少机体的振动对系统管路的影响；为便于系统调试和水流量调节，空调箱和风机盘管的支管切断阀宜选用有一定调节作用的截止阀或球阀。

 

（4）一体式机组和分体式机组

 

空调主机可根据当地的气候情况选用一体式机组或分体式机组，分体式机组将水侧换热器及循环水泵等放置在室内机，可在室内卫生间或储藏室吊顶上安装，以防冬季冰冻现象发生。机组一般均自带膨胀罐、水系统安全阀、自动补水阀、排水阀等，用户可不必另行安装膨胀水箱，但室内机安装时应预留出一定的空间，以确保机组能进行维修和保养。

 

（5）内置水泵及其补水定压

 

家用空气源热泵机组制冷容量不大,一般都采用内置进口循环水泵。空调主机内置水泵的流量和扬程应按照机组的制冷量和保证最大数量风机盘管的正常使用来匹配。空调循环水系统补水定压，目前主要有两种方法即设置膨胀水箱和采用气体定压膨胀罐。a.系统设置膨胀水箱。这种方式设置的膨胀水箱，运行可靠、造价低，在有条件时应尽量选用此方式。主要问题是对于多层的集合式住宅或公寓式建筑，难以解决膨胀水箱的设置位置。b.采用气体定压膨胀罐。这种定压方法的优点是：膨胀罐的布置灵活方便，不受位置高度影响，通常放在机组内，减少施工工作量。其主要缺点是设备较复杂、价格高、压力需要调节、可靠性不如膨胀水箱。

 

7.新风处理

 

对于层高较高的别墅或办公等商业用房，有条件时应采用新风空调箱或板翅式全热换热器来处理新风。采用新风空调箱时，新风一般处理到室内状态参数的等焓点。为减轻室内风机盘管的负担，新风最好处理到室内状态点等湿线与90%相对湿度线的相交点。此外,设计中还必须重视通风的有效性:供给足够的新风量,恰当的排风量,理想的送排风布局和气流组织有助于提高通风效率,改善室内空气环境。SARS的爆发使人们意识到空调设备系统应具备应对生化污染的能力。首先是新风采气口的位置选择要合适，必须确保新风采气口周围环境洁净，所吸入的空气为新鲜清洁的室外空气，严格防止与排风系统的气流短路；另外，在新风采气口处目前一般只设初效过滤器，这种设置对正常情况下大气中的灰尘过滤效率都不高，污染物的粒径可能比灰尘粒径更小，过滤效率可能更低，所以为了有效的滤尘和滤菌，应该在新风采气口设一台初效和一台中效过滤器的组合，这种过滤器组合的滤尘效果明显，滤尘效率可达99.9%；其次，对于因灰尘多产生的污染，主要应对过滤器定期清洗、消毒或更换，减少过滤器上以及风管内的灰尘，对于空调系统的表冷器、凝结水水盘和加湿器定期进行清洗消毒。

 

8.减振降噪

 

制冷空调设备的振动和噪音无疑是影响用户的一个重要因素，而且在家用制冷设备中表现得特别突出。在家用中央空调机组中，最重要的噪音源来自压缩机和风机，因此对这两个部件的噪声控制非常重要。机组整体设计时必须考虑充分的减振降噪措施。对不满足室内噪音标准要求的室内机在设计安装时也应采取相应的措施。

 

9.机组防腐

 

由于空调主机一般均安装在屋面或阳台处，可能常年遭受日晒雨淋。特别是我国部分城市的空气污染和酸雨严重，沿海地区空气中盐份较多，有的机组使用1～2年就已锈迹斑斑，严重降低机组的使用寿命。因此，厂家在产品设计和用户在设备选型时应引起足够的重视。

 

10.结束语

 

总之，空气源热泵用于家用中央空调系统时类似于家电产品，走向千家万户，必须具有高度的可靠性、易操作性和低故障率，保证向用户提供一个安全、健康、高效、舒适、和谐的生活环境。

 

参考文献

 

1陈焰华等.住宅建筑空调方式的设计选择.暖通空调，2001，4

 

2姜益强.空气源热泵冷热水机组的选择.全国暖通空调制冷2002年学术年会论文集，2002

 

3吴清前等.空气-水源热泵冬季运行工况的判定.全国暖通空调制冷2002年学术文集，北京：中国建筑工业出版社，2002

 

4姚杨等.空气源热泵冷热水机组空气侧换热器结霜工况的动态模拟.全国暖通空调制冷2002学术文集.北京：中国建筑工业出版社，2002

 

5蒋能照，张华主编.家用中央空调实用技术.北京：机械工业出版社，2002

 

6亢抗.户式中央空调系统设计应注意的几个问题.第十一届全国暖通空调技术信息网大会论文集.北京：中国建筑工业出版社，200