戶式中央空調水系統運行分析和改進

當前戶式中央空調可分為三種主要型式：風管系統、冷熱水系統和製冷劑系統。其中冷熱水系統是由小型風冷冷水（熱泵）機組和室內末端裝置組成。通過室外主機生產出空調冷熱水，由管路輸送到室內各末端裝置，進行空調。該系統的核心設備是風冷冷水（熱泵）機組，該機組是由壓縮機、風冷冷凝器、蒸發器等部件組成，還內置了循環水泵、膨脹水箱等部件；末端裝置通常為風機盤管和新風機組搭配使用，風機盤管一般可以調節其風機轉速或通過旁通閥調節流過盤管的水量，從而調節送入室內的冷熱量，既滿足了室內空調負荷的需求，又保證了室內空氣品質。

在《蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組　戶用和類似用途的冷水（熱泵）機組》（GB/T18430.2-2001）國家標準中，對戶式中央空調系統中用的小型風冷冷水（熱泵）機組進行了統一規範和定義，稱其為戶用冷水（熱泵）機組，並明確規定「機組除配置所有製冷組件外還應包括冷水循環水泵」，且「機組配置的冷水循環水泵其流量和揚程應保證機組的正常工作，也可根據用戶要求或實際用途配置合適揚程的循環水泵」。由於室內輸送的是冷媒水，所以在冷熱水系統的戶式中央空調中，水系統的正常合理運行是至關重要的。

本文旨在借鑒大型中央空調水系統運行狀況及控制，來分析探討戶式中央空調水系統的實際運行狀況，並提出了有關問題的改進建議，使之更適於我國居住建築節能方針政策和可持續發展的要求。

1、水系統運行分析

中央空調系統實質上是大型集中式空調的小型化，對於該系統的設計目前沒有統一的規範，安裝驗收也沒有統一的標準。筆者查閱了國內外許多生產戶用冷水（熱泵）機組的廠家產品資料，對該類型機組的水系統設計安裝，大多廠家均只提供了簡單的水系統管路安裝示意圖，而且都籠統地指出，現場安裝參照設計規範或施工安裝規範。綜合各廠家在產品樣本中提供的安裝說明指導，典型的戶式中央空調水系統簡圖如圖1所示。

該空調系統類似於大型集中式空調冷源側定流量、負荷側變流量的單級泵變水量水系統型式，系統採用一台戶用冷水（熱泵）機組作為冷（熱）源，室內末端為風機盤管，每颱風機盤管回水支管上均安裝有電動二通閥（配溫控開關），由室內溫控器控制風機盤管上的電動二通閥的開啟與關閉。當某一空調區域的溫度達到設定溫度時，該風機盤管的電動二通閥關閉，該支路不再有循環水流過，當風機盤管停止運行時，該閥也關閉。整個空調水系統配備了一台循環水泵。循環水泵通常放置於機組內部。

在室外氣溫較適中的季節，房間空調負荷不是很大，空調系統主機的運行也相應是低負荷工況。各空調房間要達到設定的溫度範圍所需要的時間較短，而偏離設定溫度所需的時間較長，又由於風機盤管水量和熱量的非線形關係（比如50%的冷凍水量就可使盤管提供75%的冷量），因此房間風機盤管水路電動二通閥在大部分時間裡處於關閉狀態，處於開啟狀態的時間很短，流過每颱風機盤管的水流量很不穩定，綜合所有風機盤管的狀況，整個水系統的總水量波動就比較大，影響空調系統的正常運行。

在空調季節，房間空調負荷較大，主機運行處於滿負荷或高負荷工況，各空調房間達到所設定的溫度範圍所需要的時間較長，房間風機盤管水路電動二通閥在大部分時間內處於開啟狀態，而關閉的時間較短，流過每颱風機盤管的水量比較穩定，整個水系統的水量波動比上述季節水量波動要小，能保證空調系統的正常運行。

2、水系統改進與分析

從前面分析可知，在水系統運行過程中水量波動比較大的季節，整個系統的穩定性較差。為了平衡系統的水流量，可以採取增加旁通的方法，即在室外主機的供回水干管之間增加旁通管和壓差旁通閥，旁通電動閥控制主機進出水管的壓力差為恆定值，保證主機的水量恆定。戶用冷水（熱泵）機組蒸發器側水流量一般均按冷凍水溫差為5℃的恆定流量設計，並要求在蒸發器出水口上設有水流量開關作為機組的斷水保護，所以運行過程中要確保主機的水流量恆定。當末端風機盤管的電動二通閥關閉時，該支路進出水口水壓將發生變化，進而引起主管供回水的壓力變化。增加旁通管路后，在機組部分負荷運行時，流過風機盤管的水量波動較大，引起供回水管路之間的水壓發生變化，根據壓差的變化來調節旁通電動閥的開度，控制旁通水量的多少，調節系統的水流量使之與負荷相適應，以維持整個水系統的穩定運行。

2.2 水系統變流量控制

在國家標準GB/T18430.2-2001中要求戶用冷水（熱泵）機組自身配置循環水泵，循環水泵的選型由主機製造廠家設計選用，在實際使用過程中就產生了許多問題。運行中，若冷（熱）水的進出水溫差在4～5℃時，系統功耗達到比較理想的水平。但是一般戶式中央空調水系統採用定流量方式，而一年中的熱負荷變化很大，只有少數時間是滿負荷狀態，多數時間水量輸送運行在過剩狀態，即水系統運行在大流量小溫差狀態，使傳熱係數變小，效率降低。而水泵始終運行在額定轉速狀態，導致水泵機械磨損。

筆者查詢了部分主機廠家的戶用冷水（熱泵）機組內置循環水泵的產品樣本資料，如McQuay（麥克維爾）的MAC-C系列、TICA（南京天加）的TCA系列等產品，其循環水泵的功耗最大要佔機組總功率（壓縮機、冷凝風機電機和控制電氣部分之和）的20%左右，最小的達到8%，可見循環水泵在整個空調系統中的能耗佔了相當大的一部分。通常在戶式中央空調系統設計選型過程中，人們只注意到機組性能係數（COP）的高低，而COP的大小隻是反映了製冷系統的工作效率。因此，如何改進水泵的運行，達到整個系統節能的目的，採用變水量技術就是發展以水系統為主的戶式中央空調的關鍵。

借鑒目前大型集中式空調水系統變流量控制的模式，對目前戶式中央空調水系統也實行變流量控制，通過循環水泵的變頻控制來實現，控制器通過溫度感測器採集冷（熱）水進出口溫度信號作為參考信號，經過數據分析處理，確定空調負荷狀況，根據負荷狀況通過變頻器控制循環水泵的水流量。當水泵運行的頻率降到設定最小值時，變頻器停止頻率的繼續降低，以起到對機組的斷流保護，如圖3所示。

當前各戶式中央空調機組生產廠家產品研發的注意力都集中於製冷劑變流量技術方面，如果能從水系統方面入手，借鑒大型集中式空調中水系統變流量技術的控制思路，並結合戶式中央空調的具體狀況將這項技術應用到戶式中央空調水系統中，完全是切實可行的。

3、結束語

1）我國戶式中央空調的發展日益成熟，其中水系統型式的發展非常迅速，因此它的正常合理運行是非常重要的；

2）目前戶式中央空調水系統運行存在穩定性差、能耗高等問題，可以通過增加旁通調節、水系統變流量控制等手段以達到節能和穩定運行的目的；

3）變水量技術將是水系統型式戶式中央空調發展的新方向和關鍵技術。