户式中央空调水系统运行分析和改进

　　引言
　　随着国民经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高及居住条件的改善，大面积多居室的单元房、复式住宅及别墅、小型的办公写字楼、商店、宾馆等建筑越来越多，与之相配套适用的户式中央空调形成了新的发展潮流，正成为空调行业发展的热点，市场潜力巨大。
　　当前户式中央空调可分为三种主要型式：风管系统、冷热水系统和制冷剂系统。其中冷热水系统是由小型风冷冷水（热泵）机组和室内末端装置组成。通过室外主机生产出空调冷热水，由管路输送到室内各末端装置，进行空调。该系统的核心设备是风冷冷水（热泵）机组，该机组是由压缩机、风冷冷凝器、蒸发器等部件组成，还内置了循环水泵、膨胀水箱等部件；末端装置通常为风机盘管和新风机组搭配使用，风机盘管一般可以调节其风机转速或通过旁通阀调节流过盘管的水量，从而调节送入室内的冷热量，既满足了室内空调负荷的需求，又保证了室内空气品质。
　　在《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组　户用和类似用途的冷水（热泵）机组》（GB/T18430.2-2001）国家标准中，对户式中央空调系统中用的小型风冷冷水（热泵）机组进行了统一规范和定义，称其为户用冷水（热泵）机组，并明确规定“机组除配置所有制冷组件外还应包括冷水循环水泵”，且“机组配置的冷水循环水泵其流量和扬程应保证机组的正常工作，也可根据用户要求或实际用途配置合适扬程的循环水泵”。由于室内输送的是冷媒水，所以在冷热水系统的户式中央空调中，水系统的正常合理运行是至关重要的。
　　本文旨在借鉴大型中央空调水系统运行状况及控制，来分析探讨户式中央空调水系统的实际运行状况，并提出了有关问题的改进建议，使之更适于我国居住建筑节能方针政策和可持续发展的要求。
　　1、水系统运行分析
　　中央空调系统实质上是大型集中式空调的小型化，对于该系统的设计目前没有统一的规范，安装验收也没有统一的标准。笔者查阅了国内外许多生产户用冷水（热泵）机组的厂家产品资料，对该类型机组的水系统设计安装，大多厂家均只提供了简单的水系统管路安装示意图，而且都笼统地指出，现场安装参照设计规范或施工安装规范。综合各厂家在产品样本中提供的安装说明指导，典型的户式中央空调水系统简图如图1所示。
　　该空调系统类似于大型集中式空调冷源侧定流量、负荷侧变流量的单级泵变水量水系统型式，系统采用一台户用冷水（热泵）机组作为冷（热）源，室内末端为风机盘管，每台风机盘管回水支管上均安装有电动二通阀（配温控开关），由室内温控器控制风机盘管上的电动二通阀的开启与关闭。当某一空调区域的温度达到设定温度时，该风机盘管的电动二通阀关闭，该支路不再有循环水流过，当风机盘管停止运行时，该阀也关闭。整个空调水系统配备了一台循环水泵。循环水泵通常放置于机组内部。
　　在室外气温较适中的季节，房间空调负荷不是很大，空调系统主机的运行也相应是低负荷工况。各空调房间要达到设定的温度范围所需要的时间较短，而偏离设定温度所需的时间较长，又由于风机盘管水量和热量的非线形关系（比如50%的冷冻水量就可使盘管提供75%的冷量），因此房间风机盘管水路电动二通阀在大部分时间里处于关闭状态，处于开启状态的时间很短，流过每台风机盘管的水流量很不稳定，综合所有风机盘管的状况，整个水系统的总水量波动就比较大，影响空调系统的正常运行。
　　在空调季节，房间空调负荷较大，主机运行处于满负荷或高负荷工况，各空调房间达到所设定的温度范围所需要的时间较长，房间风机盘管水路电动二通阀在大部分时间内处于开启状态，而关闭的时间较短，流过每台风机盘管的水量比较稳定，整个水系统的水量波动比上述季节水量波动要小，能保证空调系统的正常运行。
　　2、水系统改进与分析
　　从前面分析可知，在水系统运行过程中水量波动比较大的季节，整个系统的稳定性较差。为了平衡系统的水流量，可以采取增加旁通的方法，即在室外主机的供回水干管之间增加旁通管和压差旁通阀，旁通电动阀控制主机进出水管的压力差为恒定值，保证主机的水量恒定。户用冷水（热泵）机组蒸发器侧水流量一般均按冷冻水温差为5℃的恒定流量设计，并要求在蒸发器出水口上设有水流量开关作为机组的断水保护，所以运行过程中要确保主机的水流量恒定。当末端风机盘管的电动二通阀关闭时，该支路进出水口水压将发生变化，进而引起主管供回水的压力变化。增加旁通管路后，在机组部分负荷运行时，流过风机盘管的水量波动较大，引起供回水管路之间的水压发生变化，根据压差的变化来调节旁通电动阀的开度，控制旁通水量的多少，调节系统的水流量使之与负荷相适应，以维持整个水系统的稳定运行。
　　2.2 水系统变流量控制
　　在国家标准GB/T18430.2-2001中要求户用冷水（热泵）机组自身配置循环水泵，循环水泵的选型由主机制造厂家设计选用，在实际使用过程中就产生了许多问题。运行中，若冷（热）水的进出水温差在4～5℃时，系统功耗达到比较理想的水平。但是一般户式中央空调水系统采用定流量方式，而一年中的热负荷变化很大，只有少数时间是满负荷状态，多数时间水量输送运行在过剩状态，即水系统运行在大流量小温差状态，使传热系数变小，效率降低。而水泵始终运行在额定转速状态，导致水泵机械磨损。
　　笔者查询了部分主机厂家的户用冷水（热泵）机组内置循环水泵的产品样本资料，如McQuay（麦克维尔）的MAC-C系列、TICA（南京天加）的TCA系列等产品，其循环水泵的功耗最大要占机组总功率（压缩机、冷凝风机电机和控制电气部分之和）的20%左右，最小的达到8%，可见循环水泵在整个空调系统中的能耗占了相当大的一部分。通常在户式中央空调系统设计选型过程中，人们只注意到机组性能系数（COP）的高低，而COP的大小只是反映了制冷系统的工作效率。因此，如何改进水泵的运行，达到整个系统节能的目的，采用变水量技术就是发展以水系统为主的户式中央空调的关键。
　　借鉴目前大型集中式空调水系统变流量控制的模式，对目前户式中央空调水系统也实行变流量控制，通过循环水泵的变频控制来实现，控制器通过温度传感器采集冷（热）水进出口温度信号作为参考信号，经过数据分析处理，确定空调负荷状况，根据负荷状况通过变频器控制循环水泵的水流量。当水泵运行的频率降到设定最小值时，变频器停止频率的继续降低，以起到对机组的断流保护，如图3所示。
　　当前各户式中央空调机组生产厂家产品研发的注意力都集中于制冷剂变流量技术方面，如果能从水系统方面入手，借鉴大型集中式空调中水系统变流量技术的控制思路，并结合户式中央空调的具体状况将这项技术应用到户式中央空调水系统中，完全是切实可行的。
　　3、结束语
　　1）我国户式中央空调的发展日益成熟，其中水系统型式的发展非常迅速，因此它的正常合理运行是非常重要的；
　　2）目前户式中央空调水系统运行存在稳定性差、能耗高等问题，可以通过增加旁通调节、水系统变流量控制等手段以达到节能和稳定运行的目的；
　　3）变水量技术将是水系统型式户式中央空调发展的新方向和关键技术。