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家用小型中央空调的系统类型及应用分析
家用小型中央空调的系统类型及应用分析
来源:中制冷设备网    2009-6-3
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摘要:本文介绍了家用小型中央空调的三种分类型式,在不同国家的应用情况,并对我国的使用实例进行分析,指出了其中的一些不足之处,并对如何改进提出了自己想法。
 
关键词:家用小型中央空调型式 现状


 
一、概述:
中央空调是一种集中处理空调房间负荷的空调型式,它由集中设置的制冷机组或锅炉(或其他形式)产生冷(热)量,并利用适当的介质把冷(热)量送到需要消除冷(热)负荷的空间,从而达到空气调节的目的。
中央空调的使用一般在大型公共建筑、商务办公楼中较为常见,而拓展其在住宅中的使用,开展这方面的研究,在我国,是从九十年代中后期开始的。
与传统的分散型家用空调比较起来,家用小型中央空调具有节能、舒适、容量调节方便、噪声低、振动小等突出的优点。因其在住宅中的应用常以单户家庭为单位,又被称为户式中央空调。本文介绍了家用小型中央空调的系统型式及在不同国家的常用方式,并对中国的应用实例作出了一定分析。


 
二、家用小型中央空调的系统型式:
    家用小型中央空调虽然也称为“中央空调”,但其与楼宇中大量使用的大型中央空调的原理不尽相同,并不能完全照搬。按照输送介质的不同,常见的家用小型中央空调可以分成以下三种主要类型。


1.冷/热水机组:
冷/热水机组通常以水或乙二醇溶液为输送介质,它的基本原理与常见的风机盘管系统类似。如图1所示,空调水管接入放置在室外的空调主机,与主机中的水冷换热器进行热交换,产生空调冷/热水,经过管路系统送至各房间内的末端装置,与室内空气进行热交换,产生出冷/热风,从而消除房间负荷。
该系统是一种集中产生冷/热量,但分散处理各房间负荷的空调系统型式。它的末端装置通常为风机盘管。因为FCU中的风机转速通常可以调节,以此来改变送入房间的空调冷/热量,因而冷/热水机组的一大优点是各房间可以单独调节,满足不同需求,节能性也较好。另外,该机组的输配系统占空间很小,因此一般不受住宅层高的限制。但由于该系统一般较少引入新风(如需引入新风,需额外加装新风管、新风处理装置,增大系统投资),对通常密闭的空调房间而言,其舒适性较差。
因为该系统通常以水作为承担室内负荷的介质,因此又被称为“水系统”。


2.风管式系统:
风管式系统以空气为输送介质,其原理与大型全空气中央空调的原理基本相同,是一个小型的全空气中央空调系统。如图2a,2b所示,它利用室外主机集中产生冷/热量,对室内回风进行冷却/加热处理,再送入室内,达到消除室内负荷的目的。图示的室外主机均采用水冷方式,也可采取风冷方式。
    图中所示的风管式单元空调系统与风管式空调箱系统的不同之处在于,风管式单元空调系统是将回风直接与编号为9的直接蒸发式换热器接触,即回风直接与制冷剂进行热交换。而风管式空调箱系统是将水管通入直接蒸发式换热器,由水与制冷剂进行热交换后,再将冷/热水送入空调箱,使之与回风进行热交换。
    另外,由于该系统集中对空气进行处理,因此较易引入新风。新风可单独处理后送入空调房间,也可送入空调箱尾部,与回风混合后统一进行处理。
    与其他家用小型中央空调比较起来,风管式系统的初投资较小。并且,该系统引入处理后的新风的难度也远小于另两种形式,因此,室内空气品质较有保障。但是,风管式系统的送回风管道需占较大空间,这就要求建筑物有较大的层高。此外,它采用统一送风的方式,在没有变风量末端的情况下,难以满足不同房间的不同空调负荷要求。而变风量末端的引入将会使整个空调系统的初投资大大增加。
    该系统以空气作为承担室内负荷的介质,因此也称为“风系统”。


3.VRV系统:
    变制冷剂流量(Varied Refrigerant Volume,简称VRV)空调系统以制冷剂为输送介质,它的基本原理同小型的家用分体式空调类似。如图3所示,该系统室外主机由室外侧换热器、压缩机和其他制冷附件组成,末端装置是由直接蒸发式换热器和风机组成的室内机。一台室外机通过管路能够向若干台室内机输送制冷剂液体,通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量,对室内负荷进行自动调节。
    VRV系统具有节能、舒适、运转平稳等优点,而且各房间可独立调节,可满足不同房间的不同空调负荷的要求。但该系统控制复杂,初投资高。
因该系统以制冷剂作为传输介质,故被称为“氟系统”。
 


三、家用小型中央空调的发展现状:
在家用小型中央空调的研制和使用上,我国起步较晚,美国和日本发展得较早,技术上也较成熟。由于不同国家的人口数量、建筑形式、收入情况、地域形式等各不相同,因而各国的家用中央空调的发展情况也不尽相同。一般而言,常见的住宅形式可分为别墅型住宅和公寓型住宅两大类,以下就这两种住宅形式,分别对美国、日本和中国的家用中央空调的发展现状作一个分析。


1. 美国家用小型中央空调发展现状:
    美国地广人稀,再加上是世界第一经济大国,人民生活水平较高,对舒适性的要求也高,这些都使得他们的家用小型中央空调的普及率较高。
    美国地域范围大,人口相对较少,建筑形式以别墅较为常见,通常由中、高收入的家庭居住。他们的别墅高大、宽敞,层高较高,因此有足够的空间来布置风道。因而在美国,“风系统”,即风管式家用小型中央空调较为普遍。另外,他们的生活水准高,对居住的舒适性要求较高,要求室内空气品质较好,而风管式系统的新风引入并非难事,增加的投资也较少,这就使得带新风的风管式系统在美国普及性较高。目前,美国风管式系统的年产量约为600万台/年,占其家用空调年产量的一半左右。
    据了解,除了风管式单元空调系统及风管式空调箱系统在美国应用广泛之外,集成了燃气炉的家用小型中央空调系统在美国使用也非常普遍。这种家用小型中央空调系统在供冷季由制冷机组提供冷量,在供热季由燃气炉提供热量,对室内回风和新风进行处理,消除房间空调负荷,同时也可以满足家庭生活热水的需求,是一种适应当地情况,较为实用的空调型式。


2. 日本家用小型中央空调发展现状:
    日本较之于美国,地小人多,资源匮乏,这就决定了日本是走一条“氟系统”,即VRV系统的发展道路。
    日本人口密度高,土地资源稀缺,因而必然以高密度的公寓式住宅为主体。另外,由于住宅的层高受到限制,不适合布置需要占用较大层高的风管式系统,只能考虑另两种形式。对于日本来说,其家用空调技术发展相当成熟,从窗式空调器到定速分体式空调器,再到变频分体式空调器,日本的制冷剂系统始终走在世界前列,这便使得日本在家用小型中央空调的研制上,仍然以冷剂系统为主。同时,日本国内资源匮乏,能源大量依靠进口,对节能非常注重。家用空调作为能源消耗大户,其节能技术的开发尤其受到重视。VRV系统的节能性是其在日本受到广泛使用的重要原因。
    另外,在日本,对于比较高档的别墅住宅,也有采用风管式系统的,风管式单元空调系统和风管式空调箱系统均有应用。对于面积很大的高级住宅,还采用新风机组 风管式空调箱系统,通过新风道将室外空气引入室内,原则上可实现全年连续、封闭运行。对于中级住宅或规模较小的高级住宅,也有采用冷/热水机组的,室内末端装置多采用落地式风机盘管,若采用吊顶式风机盘管,在冬季供热时,室内上下温差过大,通常采用其他电加热方式作辅助热源。


3. 中国家用小型中央空调发展现状:
    相较美、日而言,中国的起步较晚,但发展较快。目前我国家用小型中央空调的产量约为10万台/年,数目虽然不大,但其增长速度较快。
    与美、日不同,目前我国家用小型中央空调的形式以“水系统”,即冷/热水机组为主,目前约占我国家用小型中央空调的总产量的70%以上。此外,也有风管式系统,但其数量少得多,VRV系统的数量就更少了。
    出现以上局面,原因主要有以下几点:
(1)技术上的考虑。冷/热水机组的室外主机采用风冷热泵装置,室内末端为FCU。目前我国的风机盘管技术已处于世界领先水平,风冷热泵技术经过多年的探索和研究,也已基本成熟。
(2)建筑形式上的考虑。冷/热水机组不需占用太多层高,在住宅内布置较为方便,且施工简单,安装费用低。而风管式系统的设置需与建筑结构相配合,占用建筑空间大,且施工不方便。对于VRV系统,目前国内在此领域的技术尚不完善,还存在着流量控制、管道材质、现场焊接、管道施工等需要进一步研究和解决的问题。并且,VRV系统的初投资太高,限制了它的推广。
(3)舒适性的考虑。风管式系统由于风量调节问题很难解决,难以满足多个房间不同的空调需求。而冷/热水机组可以很方便地进行各房间的独立控制和调节,同时也能达到节能的目的。另外,水管式系统的空气品质问题,也能通过适当开窗引入新风加以改善。
以上三种考虑,决定了冷/热水机组在我国家用小型中央空调领域的主导地位。
 

 
四、冷/热水机组在中国的应用举例及分析:
    日前,笔者参观了位于浦东的世茂滨江花园。该小区以公寓式住宅为主体,拥有6栋49至55层超高层高档公寓,另有一栋60层酒店式公寓,全部采用美国TRANE家用小型中央空调,冷/热水机组型式。
    以下,就我所见的一套户型内,冷/热水机组的使用情况,可能存在的一些问题,及解决的方式,谈一些粗浅的看法。
    该单元平面如图4所示,面积约为280平方米,其中厅约占70平方米,有三面落地窗面朝黄浦江,视角约为270°。
     冷/热水机组的室外机为风冷热泵,放在楼层间的露台上。露台形式类似于阳台,但围栏较低,便于风冷换热器换热。该机组采用了闭式空调水系统,为了防止冬季制热时热水体积膨胀,系统需设膨胀水箱,也放置在露台上。水管系统经由吊顶接至各空调房间的末端装置,末端装置为风机盘管,多数采用局部吊顶侧送风的方式。
    据笔者对该家用小型中央空调的设置情况,及一段时间的运行情况的观察,认为该系统可能存在以下一些不足之处:


1.送风形式较单一,基本为侧送风,这是因为该建筑的层高有限,但同时要营造较为高敞的观感而采用的方式。由此,可能会带来下列问题:
(1)以厅为例,该房型厅相当大,且有三面大窗,这就决定了该房间的空调冷/热负荷均很大,但同时夏季冷量、冬季热量散失也很厉害。
    房间面积大,使得盘管较大,风机选型也较大。再加上空调风从客厅远端送出(如图4所示),需经过较大距离吹送,以至客厅中间的迎风面上,有较强的吹风感。当送风温差大时,还会有不适感。风机转动时,也有一定噪声。
(2)房间送风不甚均匀。局部风速较大,而某些地方,尤其是大观景窗边,几乎感觉不到空调气流。由示意图可知,该观景窗占据西南、西、西北三个朝向,夏季西晒、冬季的西北风都会大大地增加室内的空调负荷。因而在窗边,得/散热大,送风量少就成了一对显著的矛盾。


以上两个问题,我认为较为可行的解决方法有以下三点:
(1)窗边适当增加风机盘管,形式可采用较为灵活的落地式,上送风,同时可起到类似于风幕的作用,减少房间得/散热量。水管系统可沿厅壁走,外表加以适当修饰,如装在踢脚板后面,则不会影响室内净空高度。这样,负荷分流,厅里原来的吊顶式FCU外形可减小,风机也可减小,吹风感大大减少。
(2)加装落地的厚质窗帘。既美观,同时可减少夏季的得热量,冬季散热量。
(3)加装外遮阳装置。采用适当的外遮阳雨篷,既不影响建筑立面,又可大大减少夏季室内的得热量。同时,可采用西方国家常用的外遮阳窗,竖百叶式,不用时可收拢,不影响视觉景观,又丰富了建筑立面,还减少了室内得热量,一举三得。而这样的投资相对于加大空调器承担负荷能力所需的投资,以及空调器长期的运行费用,实在是微不足道。


2. 房间内均铺设木质地板,但厅内满铺大理石地砖,夏季尚可,冬季会有较强冷辐射感。再加上为房间上部送风,冬季头热脚凉的感觉会更加明显。
    这种不舒适感,可以用地面大面积铺设地毯来加以改善。有条件的地方,甚至可以采用地板采暖系统,将空调水管埋设在地板下,当然投资会有所上升,也增加了渗漏的可能性。要想更完善,可将电热地毯与空调器结合使用,获得相当的舒适程度时,比单独使用房间空调器更为经济。


3.系统采用上吸式回风,回风口内附有初效过滤网,过滤效率较低,因而冷凝水盘内会因较脏而结垢。但若是多设几层过滤装置,又会因回风阻力过大而影响送风正压。
    针对这种情况,采用多重过滤有利于室内空气品质,至于系统的压力问题则可通过加大风机压头,并在风机上设置减噪装置解决。


4.该机组承担室内负荷的为冷/热水管系统,将其安装在吊顶内,有漏水的危险。物业公司若要检修,需进入室内,受到家中是否有人的牵制,不甚方便。
    基于以上的情况,要在设备安装期间就严把质量关,尽可能把出问题的可能性降到最低。


5.佣人房与主人的厨房之间有一条走道隔开(如图4所示),走道上靠外墙处开了一个很大的墙洞,这样一来,空调系统到此彻底隔断,佣人房完全不可能有空气环境的丝毫改善。并且,由于这个墙洞的存在,尽管有厨房门的屏障,系统的冷/热量散失仍将不可避免地加大。
    我认为,如果不开墙洞,冷/热量损失将会有所缩减,并且佣人房也可获得正压渗透送风,可以收到较好的效果。


6.系统中的膨胀水箱为露天安装,冬天有冰冻的可能,为了防止冰冻,水箱内装设了电加热装置。这样,增加了额外的电费开支。
    解决的方式其实很简单,膨胀水箱外做保温即可,惠而不费。


7. 舒适性是家用小型中央空调的优势(与传统家用空调器比较),但其前提是系统连续运行,这就必将以高昂的运行费为代价。
虽然购房者的经济实力雄厚,这些运行费用可能不过是九牛一毛,但世界总体能源的不断减少,对子孙后代的负责态度要求我们仍需重视能源的合理分配,恰当使用。在我看来,采用适当的节能方式能很好的改善这一问题。可采用的方式有:
(1)该系统无新风管引入,过渡季节可减少运行时间,甚至停开机组,通过开窗等自然通风方式改善室内空气品质。
    同时,我注意到,该楼盘前面近黄浦江处至今仍是一个装煤码头,虽然将来一定会拆掉,但在目前,始终会影响引入室内的新风质量。因此我认为,可以在窗、墙洞口处适当加装一些过滤装置,拦截一定量的污染物。
(2)加装热回收装置。前文提及的地板采暖系统,稍作变动也可以节省大量能源。利用风冷水泵机组,在原有循环系统上作改造,在室外机内增设制冷剂热回收热管,加热热水作为地板热水供暖的热源。冬季加热启动时可同时使用室内侧盘管。正常运行时,仅用地板辐射供暖亦可。此时地板表面温度保持24℃(室温为22℃)为宜。热回收盘管还可同时供应热水。
(3)应用蓄冷/蓄热技术。例如,日本关西电力(株)综合技术研究所于1998年开发的家庭用蓄热式空调/热水供应装置,适用于室外机为附有水泵的热泵机组,通过水系统连接末端装置(FCU)的场合,与本小区的情况较为吻合。其蓄热利用Φ40mm之相变球(潜热蓄热材料),根据相变温度,除蓄冷外也可蓄热。装置包括蓄冷/热罐(内装相变球)和生活热水罐。用户可利用廉价的晚间电力,在经济上有利,同时对平衡城市电力负荷有一定作用。该系统适应于面积为120m2左右的住宅建筑,对该套房型并不合用,但小区内其他相应户型仍可使用。除以上一些外,尚有其他可采用的节能技术、方法,在此不一一赘述。


 
五、家用小型中央空调在中国的发展趋势:
    由以上分析可见,家用小型中央空调在中国的发展并非尽善尽美,还存在着较多的问题,但同时,也有其发挥作用的广袤天地。在2000年冬的全国暖通空调年会上,关于这一问题,专门小组经充分讨论后获得如下看法:“住宅中央空调为制定住宅的空调方案提供了更多的选择,尤其是针对不同要求不同档次的建筑,住宅中央空调有特殊的优势,可提供个性服务,有着广阔的应用前景。”
    这是对未来的美好展望,要达到这个目标,我们还有很长的路要走。我认为,在目前,还有这样几个问题辄待解决。
第一,家用小型中央空调目前仍是大户型住宅、高收入家庭的选用方式,如何使之适用于不同户型、不同收入家庭,值得我们加以研究。
第二,我国幅员辽阔,地理、气候类型复杂多变。如何根据不同的气候类型研制出不同的家用中央空调类型,也是我们面临的一大问题。
第三,能源的角度来看,我国人均能源拥有量不高,能源供应较为紧张。空调是能源消耗的大户,以上海为例,2000年7月最高用电负荷达1048万KW,其中空调用电约1/3,即大约350万KW,而其中居民住宅空调约占1/2以上。这便要求我国的家用小型中央空调的发展必须注重节能性,一方面要注重提高机组本身的能效比,另一方面要注重能源的综合利用。这样也就对变流量技术、蓄能技术、能源综合利用技术等提出了更高的要求。
第四,目前我国的环境污染问题较为突出,要求家用中央空调设计时,也应尽可能环保。“环境共生型”住宅的提出,使空调系统在设计时,也多了一个参照系。


 
六、 结论:
1.家用小型中央空调是一种节能、舒适的空调系统,主要有冷/热水机组、风管式系统和VRV系统等三种型式。
2.美国、日本、中国的家用中央空调的发展特点均不相同,同各国的国情相适应。
3.实例证明,我国较多采用的冷/热水机组型式仍有不足,仍应加以不断改进。
4.家用小型中央空调在我国的应用前景广泛,但要达到这一目标,仍有很多工作要做。

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