小型风冷热泵系统蓄能管的研究与应用

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小型风冷热泵冷（热）水空调系统蓄能管的研究与应用

浙江艾尔柯环境设备有限公司方肖辉

本文中叙述的小型风冷热泵冷（热）水空调机组，指制冷量在7~40kw制热量在7.5~42kw范围内的小型空调户用机；空调机组标准进、出水温度制冷：12-7℃，制热：40-45℃。空调系统设计的同时使用率范围在60~100%之间。主要以小型水系统空调运行的稳定性和舒适性出发，对系统的水容量进行分析，说明一般情况下水系统蓄能管选择容量的参考范围。笔者在分析时，过于主观性或范围局限性，请读者见谅。

对于户式中央空调系统来说，要解决系统温度波动问题，获得良好的热稳定度（也称热惯性），首先应尽量准确地确定空调负荷，并选用装机容量相匹配的主机；其次，系统的水容量越大，系统蓄冷量越大，则系统的热稳定性越好，反之，系统的热稳定性越差。因此，水系统设计时，应校核计算系统水容量是否满足系统热稳定性要求，当系统实际水容量不能满足要求时，应采取加大系统水量的措施。当然，系统水容量也不是越大越好，水容量过大，其热稳定性毫无置疑是良好的，但是，较长时间停机后，再开机时将会延长空调预冷或预热的时间。

综合室内环境的舒适度、主机的使用寿命、空调系统造价和工程实施的可能性等因素，对户式中央空调系统热稳定性要求如下：

a）夏季运行时，主机停机10min时，要求供水温度升高不大于5℃。

b）冬季运行时，主机除霜时间为3min时，要求系统供水温度降低不大于3℃。

根据热平衡方程和热稳定性要求，可按下式分别计算冬、夏季空调系统对水容量的最小要求：

G=Qt/(3.6×Ｃp△t)

式中：G-为系统的最小水容量，kg；

Q-末端设备的供冷或供热量，kW；

t-热稳定性时间要求，夏季取10×60s，冬季取3×60s；

Ｃp-水的定压比热，4.187kj/(kg.℃)

△t-水的温度波动要求值，夏季t=5℃，冬季t=3℃。

冬、夏季系统水容量的计算结果中，数值最大的即为空调系统对水容量的最小要求。

户式水系统中央空调的设计对于室内管路部分，考虑安装条件和层高限制等（户用空调面临的安装条件是：层高矮，吊顶空间小，梁上开孔受限，同一空间存在多种系统），一般管路遵从距离短、异程、管径小的原则，后果是加剧了整个系统的水容量减少。造成空调主机频繁的启动和停机，系统水温变化大，室内空调出风温度不稳定，空调整体的舒适性下降。而且压缩机的寿命也急剧减少，空调系统故障率明显提高。成为一个不合格的中央空调系统，给以后的使用造成很大程度的影响。系统管路一旦安装完毕，装修封顶，更改的风险性和经济性都较大。

为了解决此类现象的发生或弥补当初设计的不足，通常在设计时系统中添加储能罐或增大管路系统管径。添加储能罐的方式，要求储能罐要有一定的安置空间，相对于整个系统感觉突出，和周围环境不容易协调，很多用户不乐意添置。采用增大管径的方式，户用管道考虑安装和成本的原因也很难实现。

图1

图2

在房间吊顶区域允许的空间，水平方向安装蓄能管，兼作系统的水平管使用，也是一种好的解决方案（如图2 ）。安装时要注意蓄能管的接口位置，按照水流方向，进口在蓄能管的上口，出水在蓄能管的下口，避免蓄能管内空气排不尽，或排水排不完。特殊情况应设自动排气阀和排水阀。蓄能管单独吊装固定，自重不可有其它管路承担，一段蓄能管不少两个支吊架。

为了进行水容量研究，选择了具有代表性的不同负荷的空调系统，列表如下：

表1  设备水容量表

系统

空调

负荷

机组制冷量

/ 制热量kW

设计最大同时使用率

室内风机盘管数量

空调主机水容量L

风机盘管水容量L

合计设备水容量L

A

12

7.5/8.5

62.5%

5台

0.1

5

5.1

B

17.5

12.5/13.5

71.4%

7台

0.14

7.3

7.44.

C

20.6

17.5/18.8

85%

8台

0.21

8.9

9.11

D

26.7

20/21

75%

10台

0.35

10.7

11.35

E

31.3

25/27

80%

13台

0.4

14.5

14.9

F

40

31/33

77.5%

16台

0.45

17

17.45

G

52

40/42

77%

20台

0.5

20.5

21.0

表2  系统管路水容量表

系统

管路长度DN20

管路长度DN25

管路长度DN32

管路长度DN40

管路长度DN50

合计水容量L

A

26

12

10

0

0

21

B

38

16

20

0

0

34

C

45

18

26

10

0

53

D

56

20

24

20

0

67

E

70

19

22

28

0

78

F

96

26

32

41

12

136

G

120

43

45

56

18

191

表3  统计水容量

系统

设备水容量L

管路水容量L

实际系统水容量L

设计所需最小水容量L

实际相差水容量L

A

5.1

21

26.1

62.69

36.69

B

7.44

34

41.44

104.48

63.04

C

9.11

53

62.11

146.29

84.18

D

11.35

67

78.35

167.18

88.83

E

14.9

78

92.9

208.95

116.05

F

17.45

136

153.45

257.15

103.7

G

21.0

191

212.0

331.8

119.8

从统计与计算中发现，系统实际水容量只有设计所需水容量的40~60%，需要增加的水容量达到了40~60%，甚至以上。可以看出，系统的稳定性运行几率只有50%左右，而大多数时间运行在不稳定的条件下。也就是说，系统只按照流量流速确定系统配管，不考虑水容量的设计是不可取的。增加水容量应用。

下面水容量与使用率关系图表，是空调总负荷在25KW时，各种使用率下的设计所需水容量。可以看出设计所需水容量还和同时使用率有关，设计同时使用率越大，系统所需水容量也就越大；反之，所需水容量就小。所以设计方案时，同时使用率的选择，是十分重要的，选小了，效果不好不够用，选大了，系统稳定但投资增加，运行成本相应增加；在满足使用的前提下适当降低同时使用率，是减少系统水容量有效的方法，同样蓄能管或其它增加水容量的容器容积可以减小，投资也相对减少。

在选择蓄能管装置时，可以参照表4进行确定管径：

表4  常用蓄能管管径与水容量对照

公称

直径

mm

DN65

DN80

DN100

DN125

DN150

DN200

DN250

DN300

inch

2-1/2″

3″

4″

5″

6″

8″

10″

12″

单位水容量L/m

3.421

5.153

7.854

12.272

17.676

33.654

53.093

75.477

依据小型风冷热泵冷（热）水空调系统冷量范围，对照上表，可以制定出较为常用的蓄能管，标准蓄能管长度2.8～3米/根，水容量分15L23L36L52L四个常用规格。建议根据冷量范围按表5进行选择系统使用的蓄能管：

表5  小型风冷热泵冷热水机组系统蓄能管对应表

机组冷量范围

≤10kW

10kW～20kW

20kW～30kW

30kW～50kW

蓄能管规格

3－15L

3－23L

3－36L

3－52L

管  径

DN80

DN100

DN125

DN150

建议数量

2

2

2

2

较大系统设计时可以根据使用率确定几组蓄能管并联，并根据实际使用率调节蓄能管的数量来调节蓄能量，以使系统运行达到快速制冷制热及合适的热惯性，保证空调末端有舒适的冷热量输出。

蓄能管的应用是小型水系统空调在户用领域的一种解决方法，使室内的管道按常规设计无需放大就可以满足水容量要求，从而减少室内安装因管道太大造成的安装不便。