典型户型空调系统设计及分析

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1 引言

　　随着住宅产业的高速发展，住宅的质量和功能都有了很大提高，人们对住宅的舒适性与健康性要求越来越高，房间空调器已不能充分满足人们的这一需要，户式中央空调便应运而生。同时，户式中央空调的应用为房地产开发商减少投资环节，降低开发费用，简化物业管理程序提供了便利。再加上户式中央空调系统本身性能的不断改善，户式中央空调的应用前景十分广阔。
　　但是户式中央空调在实际使用过程中也出现了一些问题：由于没有住宅中央空调设计规范和产品设备标准，很多工程都不进行科学合理的计算，而是参照公共建筑的冷热量指标进行估算，这样势必造成设备容量选择偏大，从而造成初投资和能源的浪费。同时，我国居民的消费习惯使得户式中央空调的同时使用系数低，这同时也要求机组具有良好的负荷跟踪特性，而现有产品很少可以满足。另外设计过程中新风、气流组织、噪声以及凝结水等问题都值得关注。本文将就户式中央空调系统设计、调节等方面的问题进行分析和探讨。

2 住宅建筑空调负荷的计算

2.1 住宅建筑空调负荷的特点
　　住宅建筑和公共建筑在空调系统形式、使用等方面有很大不同，在住宅建筑空调负荷计算时，可以按公共建筑常规的空调负荷计算方法，但应充分考虑住宅建筑的特点。其特点如下：（1）以户为系统单元，无须整幢楼汇总，但应适当考虑户间隔墙、楼板的传热，；（2）空调负荷参差系数大，住宅空调一般使用高峰出现在早、中、晚三个时段，空调负荷参差系数明显大于其它空调建筑；（3）空调同时使用系数低，现代住宅的一个发展趋势就是每户住宅人数在减少而建筑面积在增加，人们的使用习惯为使用哪间房间就开哪间房间的空调，因此空调的同时使用系数较低，且住宅面积越大，空调同时使用系数越低。这样，每户各房间之间的传热问题应考虑。（4）由于住宅层高低，室内人员少，建筑窗墙比小，其冷热负荷指标比其它民用建筑小。

2.2 住宅建筑空调负荷的计算与结果
　　住宅空调夏季冷负荷的计算可采用谐波反应法，冬季热负荷采用稳定传热附加热损失方法计算。计算中所采用的室外气象参数、室内设计参数按《采暖通风于空气调节设计规范》取值，建筑围护结构热工性能参数参照各气候区域居住建筑节能设计标准。通过对某一典型户型住宅（建筑面积133m²，窗墙面积比小于0.35，三室二厅双卫顶层，层高为2.8米）在寒冷地区（以郑州为例）、夏热冬冷地区（以上海为例）、夏热冬暖地区（以广州为例）空调冷热负荷的计算和同一地区、同一户型住宅在不同建筑围护结构热工条件下空调冷热负荷的计算（以郑州为例），得出住宅建筑在不同气候区域的冷热负荷指标，为户式中央空调系统的设计与选择提供参考。计算过程中使用的建筑围护结构热工性能参数见表1中的各地区节能设计标准的限值。根据表1中的建筑围护结构热工性能参数，某一典型户型空调冷热负荷计算结果见表2。 表1建筑围护结构节能设计热工性能参数取值

 

地区

 

屋顶

 

外墙

 

外窗

 

内墙和楼板

 

户门

阳台门下部

门芯板

寒冷

郑州市

0.8

[1.1]

1.1

[1.65 ]

3..2*

[6.4 ]

1..83

2.7

1.7

夏热冬冷

上海市

1.0

1..5

3..2*（4.7）

2.0

3.0

 

夏热冬暖

广州市

0..9

1.4

3..2*（4.7）

1..9

3.0

 

　　注：3.2为单框双玻窗，4.7为单框单玻窗。[ ]内为1990年建造时的热工参数
表2空调冷热负荷计算结果汇总表

地区

负荷指标
郑州市

寒冷地区

上海市

夏热冬冷地区

广州市

夏热冬暖地区

冷负荷指标（W/m²）

42

[68]

45

43

热负荷指标（W/m²）

58

[82]

53

28

　　注：冷、热负荷指标以户建筑面积为基准 [ ]内数值为1990年建造时的负荷数值
　　从表2中可看出，由于采用了节能设计标准，无论处于何种气候区域，冷指标都在45 (W/m²)以下,目前户式中央空调系统设计和设备选型时所采用的冷热量指标数值基本上是参照公共建筑的，数值显然偏大，由此造成了设备初投资和运行费用的浪费。
　　另外值得注意的是，考虑到我国居民的消费习惯，并不是所有房间空调风口总是开启，而大部分时间是人到哪个房间开启哪个房间的风口，这时只有部分开启，其余风口关闭，称为分室空调。显然，这时户内隔墙的隔热、保温性能是不容忽视的，假定分室空调时，所有户内邻室均为通风良好的非空调房间，这样计算出郑州地区各空调房间分室空调的冷、热负荷（见表3），以此作为各空调房间末端装置选择的依据。 表3分室空调时各空调房间的冷热负荷

负荷

房间
冷负荷

（W）

冷负荷指标（W/m²）

热负荷

（W）

热负荷指标

（W/m²）

卧室1

1034

99

1341

134

卧室2

1469

84

1422

90

卧室3

1698

86

1060

57

客厅.餐厅

3289

81

3191

79

　　注：表中冷、热负荷指标是以各空调房间面积为基准

3 设备选择

3.1 水管型户式中央空调设备的选择
3.1.1 主机设备的选择
　　3.1.1.1 确定主机类型：根据地区的区域特点，考虑住宅有无集中供暖热源，确定主机类型为单冷或热泵机组。
　　3.1.1.2 确定主机型号：根据表1的每户冷负荷确定主机型号；选择时应注意厂家主机夏季制冷工作特性曲线和冬季制热工作特性曲线的测试条件与主机使用地区气象条件的不一致性并加以修正。主机冬季实际制热量Q_机，热不足时采用辅助电加热，并确定电加热器加热量。
3.1.2 空调末端设备的选择
　　末端设备主要是指各房间内安装的风机盘管，其选型是根据各房间的分室冷负荷（见表3）的大小来确定的，根据风机盘管的工作特性参数对风机盘管样本工况的三档参数进行修正以校核风机盘管在系统设计工况下的各档实际制冷（热）能力。按风机盘管中档制冷量大于房间的冷负荷来确定各房间的风机盘管型号。

3.2 风管型户式中央空调设备的选择
3.2.1 确定主机类型：根据地区的区域特点，考虑住宅有无集中供暖热源，确定主机类型为单冷或热泵机组。
3.2.2 计算主机的设计负荷和进行主机选型
　　由表1可计算出每户的冷负荷和热负荷，计算出的冷负荷与新风负荷之和是主机的设计负荷。新风量按人均30 m³/ h计算，以每户常住人口4人计，满足人员的卫生要求的新风量为4×30=120 m³/h；为了维持房间的正压要求及考虑人员分散时对新风的要求，应取空调机组送风量的10%作为空调系统的新风量，取以上两数值的大者作为空调系统的新风量设计值G_w。
　　每户总送风量按下式计算：
　　L= 3600Q_q /ρ（h_n –h_o）[m³/h]（1）
　　式中：L—送风量，[m³/h]；
　　　　　Q_q—每户的全热冷负荷，[kW]；
　　　　　h_n 、h_o—室内空气的焓值和送风状态的焓值，[kJ/kg]。
　　新风负荷为：Q_w= G_w(h_w-h_n)（2）
　　式中：h_w—室外空气的焓值，[kJ/kg]
　　　　　G_w —新风量，[kg/ s]
　　主机的设计负荷应为计算出的各户冷负荷（见表1）与新风负荷之和，根据主机的设计负荷和按式（1）计算出的总送风量便可确定主机型号。
　　如果为热泵机组，还应校核主机冬季实际制热量Q_机，热，不足时采用辅助电加热，并确定电加热器加热量。
3.2.3 风管的设计计算
　　根据房间的使用功能和装修要求进行送风管道和回风管道（或回风口）的布置，随后进行风管的水力计算以确定所需的出口静压，看是否需要高静压型室内机。为了降低室内噪声、节约能耗，应合理布置风管。

4 户式中央空调系统的运行调节

　　居住建筑空调系统绝大部分时间是在部分负荷下运行的，改善空调主机及系统的调节性能，使之能跟踪负荷并在部分负荷条件下高效运行是提高空调系统效率、实现建筑节能的关键所在。提高空调设备及系统效率的途径主要有：（1）提高设备的能效比，按国家标准，家用空调合格品的能效比仅为2.4kW/kW，变频空调产品的能效比约为3.3左右，较水冷冷水机组5.2~5.8 kW/kW的能效比要低得多，如何开发高能效比的户式中央空调产品，提高机组的技术含量是目前急待解决的问题。户式中央空调系统的设计者要引导选用能效比高的空调产品。（2）提高设备和系统的容量调节能力，在部分负荷条件下也能保持高效，这是获得更佳经济性及节能的重要手段。目前较为可行的调节手段有以下几种。

4.1 调节方式
4.1.1 采用变频压缩机
　　压缩机是制冷系统的主要动力设备，同时也是整个空调系统中的主要耗能设备，目前户式中央空调系统主机大都采用定速式压缩机，其跟踪室内负荷变化的手段就是让压缩机始终在额定的电源频率下，处于通、断电两种状态；压缩机的启动电流通常是额定电流的5~7倍，这不仅耗能而且对电网的冲击较大，同时也影响压缩机的寿命。而变频压缩机可以通过频率的变化来适应空调负荷的变化。制冷系统的冷凝器、蒸发器在空调部分负荷时由于运行工况的改变而换热温差减少，变频空调的能效比明显提高；而且由于变频压缩机能在低频低电压下启动，因而启动电流小，对电网干扰小，同时，变频压缩机启动后达到设定温度的速度快，缩短了不舒适的时间；又由于变频压缩机大部分时间都运行在部分负荷的较低转速下，对压缩机的磨损程度较小，故可延长压缩机的寿命。

　　压缩机变频控制的工作过程为：首先在温度控制器内设置一个给定值Q_G，在蒸发器的进水管路上设置一个温度传感器，由此温度传感器测量进水温度Q_a并将信号Q_a转换为Q_Z传送至控制器和给定值Q_G进行比较。当住宅内的空调冷负荷减小时，进水温度降低。这一降低的温度值通过温度传感器的传送，在温度控制器内与给定值Q_G进行比较并得出差值信号e(e=Q_G - Q_Z)，温度控制器根据这一差值信号对电动执行器发出控制压缩机电源频率的控制命令，电动执行器（即变频器）依照命令将压缩机的电源频率调小，从而减小压缩机的制冷量以达到节能的目的。只有当差值信号e=0时，控制系统才不会动作。这样，就能始终控制压缩机在最经济的状态下工作，取得较好的室温和节能效果。变频控制的原理框图见图1。 4.1.2 设置阀门进行调节
　　由上所述，空调负荷的特点决定了其系统需要进行合理的调节，以满足在部分负荷条件下各房间对温度的要求和节能的需求。空调系统常用的调节方式是设置水阀和风阀对系统的水量和风量进行调节，其调节原理是增加系统的阻力，用来消耗风机和水泵的多余压头，达到减少流量的目的，这种改变管道系统阻力曲线的方法是以消耗风机和水泵运行所提供的能量为代价的，大量风机和水泵提供的能量消耗在阀门上。由此可见，此方法虽然简单易行，但不节能。同时水泵和风机工作点偏移造成的不稳定、阀门关小后节流引起的噪声都对系统产生不良影响。如果调节系统设为自动控制，这些水阀和风阀应为电动阀门，电动阀门价格昂贵。

4.1.3 改变风机的转速
　　改变风机的转速可以改变风机的性能参数，风机的功率与转速成三次方的关系，而流量与转速成一次方的关系，降低转速以降低流量的同时可以大幅度降低能耗。当流量减少1/3时，能耗可减少约70.4%，当流量减少1/2时，能耗可减少约87.5%，且风机的效率基本不变，仍可稳定高效地工作。由此可见，调节风机的转速用来调节风量是最理想的方法。而改变风机转速的方法很多，如变级调速、变频调速、串级调速等，其中变频调速无须更换电动机，调速平滑、精度高、易于实现自动控制和软启动，且小型变频调速器价格不贵，用于小型空调系统的调节无论是技术方面还是经济方面都很理想。

4.2 适合风管型户式中央空调系统的节能调节方式
　　风管型户式中央空调是一小型的一次回风全空气系统，节能的调节方式是当室内余热Q_Y值发生变化时，通常送风温度t_s不变，而改变送风系统末端送风口风量和室内机总送风量L，即变风量空调系统。在空调建筑中采用变风量系统可以适应同一时间各个朝向房间的负荷并不是都处在最大值的需要，空调系统输送的风量可以在建筑物内各个朝向或不同使用要求的房间之间进行转移，从而减少系统的总风量，进而减小空调设备的容量，这样不但可节省设备的初投资，而且可降低系统的运行费用。同时可实现单个房间室内温度的独立控制。变风量系统在运行中是一种节能、舒适性好的空调系统。一个完整的变风量系统是由空气处理设备、送风系统、末端装置和自动控制元件等组成。

　　对于户式中央空调系统，其系统送风管路较短、主机送风压头较小，采用一般中央空调系统静压控制的方法，控制的误差必然较大，显然已失去了实际应用的价值，与此同时，微电脑和计算机技术在空调系统控制领域的广泛应用，使得控制功能大大增强，控制精度提高，且安装简便，运行可靠，价格也越来越便宜。因此，要实现户式中央空调系统的变风量控制，必须要寻找新的控制方法和控制装置。

4.3 适合水管型户式中央空调系统的调节方案
　　对于水管型户式中央空调系统，鉴于目前大部分厂家生产的机组水容量偏小，且不配置内置式定压罐，且为了减少麻烦，在使用时又不在系统最高点设置相应的膨胀水箱的实际情况，故不适宜采用调节空调系统水流量的方法。本人认为末端设备（即风机盘管）采用风量控制方式或控制向风机盘管断续供水的方式、主机采用变频控制的调节系统较节能。

　　通过调节风机盘管电机输入电压使风量分为高、中、低三档，而相应地调节风机盘管的供冷（热）量。当风机盘管处理的室内负荷发生变化时，由主机提供的供、回水温差必然相应地发生变化，主机可根据回水温度进行相应的变频调节，以控制制冷量（或制热量）的输出，达到节能的目的。
　　除风量调节外，风机盘管的供冷（热）量也可通过水量调节阀自动调节。只要在水管上安装电动三通分流阀由双位室温调节器控制，向风机盘管断续供水，使室温得以自动调节，这种调节方式对末端装置来说水量是变的，而对主机来说水容量不变，不影响主机的安全运行和系统对热惯性的要求，其变化的仅仅是水温（如固定供水温度，变化的仅是回水温度），所以并不是真正的变水量调节。相比较而言，水管型户式中央空调系统的风机盘管容易控制，较易实现节能控制，但由于室内风量控制不是无级连续调节，控制精度不高，易出现忽冷忽热的现象。再加上新风不易引入和处理，其舒适程度不如 风管式户式中央空调系统。

5 结论

　　通过对户式中央空调系统节能问题的分析，可以得出如下结论：（1）空调冷热负荷、系统主机容量以及其它设备的确定与选型应经过科学的计算，并遵循一定的原则，以避免造成初投资和能量的浪费。

（2）户式中央空调系统的调节特性是关系到节能与舒适性的关键环节，采用变频技术控制主机压缩机和风机可获得显著的节能效果；采用变频技术以及计算机控制技术的小型变风量系统尤为适合风管型户式中央空调系统；水管型户式中央空调系统则较适宜采用末端风机盘管的风量调节和主机变频调节相结合的调节方式。

参考文献

　　[1]《暖通空调新技术》.北京.中国建筑工业出版社， 1999年
　　[2]殷平.《现代空调》. 北京.中国建筑工业出版社， 1999年
　　[3]《暖通空调新技术》.北京.中国建筑工业出版社， 2001年
　　[4]陈刚，刘泽华，顾炜莉.节能技术，2001年，19（4）：7—10