多联机空调技术及其设计探讨

刘光磊,明 月

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳110168)

0 引 言

多联式空调机组,简称多联机,也称VRV(variable refrigerant volume)空调系统,即变制冷剂流量空调系统,它具有方便灵活、舒适节能的特点,体现了空调系统的人性化理念。多联机系统起源于日本,于20世纪90年代初引入我国,其技术不断发展。变频技术、数码涡旋技术的应用、多元化室内机的形式、高可靠性能的设备、简捷的系统设计、人性化的系统控制、智能化技术的发展,使多联机日趋完善,在办公楼、医院、商业类建筑中得到广泛的应用。

多联机空调是一种全新概念的空调,它集一拖多技术、节能技术、智能控制技术、网络控制技术和多重健康技术于一身,与传统空调相比,多联机空调的一个显著的特点是其能量具有可调性,节约能源、运行费用低,另外,不需设置集中机房、以及冷却塔、水输配系统等设备,节省占用空间,外形美观,控制先进,运行可靠,机组适应性好,系统布置较灵活,安装和计费方便,可满足不同规模建筑对空调的要求,因此,多联机空调越来越被社会认可,应用越来越广。

1 多联机空调系统及其工作原理

多联机空调系统是用一台或多台室外机通过配管与多台室内机相连,室外侧采用风冷换热形式、室内侧采用直接蒸发换热形式,它可以向一个或多个区域直接提供处理后的空气的空调系统。简单的多联机VRV空调系统示意图如图1所示,采用一台室外机对应多台室内机,室外机与室内机之间采用冷媒管连接。

图1 多联机VRV空调系统示意图

多联机空调系统结构上类似于分体式空调机组,工作原理与普通蒸气压缩式制冷系统相同,由压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器、其他阀件(附件)以及一系列冷媒管构成的环状管网系统。系统通常有气管、液管各一根,及一根凝结水管,制冷剂在管路中以气液两相变化流动。由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和系统运行状态参数,通过变频等手段调节压缩机输气量,控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等可控部件,确保室内环境的舒适性,并使空调系统稳定在最佳工况。

多联机系统从管路形式分为:

(l)端管分流方式:通过制冷剂管道端管将室内机和室外机连接起来,这种方式便于增设室内机;

(2)直管线形分流式:通过制冷剂管道接头将室内机和室外机连接起来,适用于纵深长的房间;

(3)组合分流式:是线形分流方式和端管分流方式的组合,比较适合布局复杂的空调区域。

按多联机功能分为:1)单冷型;2)热泵型;3)热回收型:一部分房间供热,同时一部分房间供冷。

2 多联机技术

由于空调系统大部分时间是处于部分负荷下运行的,多联机系统通过对制冷工质流量的有效控制实现压缩机和系统的变容量运行,以达到节能的目的。目前,比较成熟的变容量调节技术有:1)变频技术;2)数码涡旋技术;3)能量控制技术。

2.1 变频技术

变频多联机技术是指对室外主机输出能力进行调节的方式。通过改变投入工作的压缩机的台数来调节主机的容量,进行粗调节;通过变频装置改变输入频率来改变变频压缩机的转速,进行主机容量的细调节。通过这两种调节方式配合,可以使室外主机输出能力连续线性调节。空调变频技术主要有两种方式:交流变频技术与直流变频技术。

(1)交流变频技术是利用变频器,将交流电源原有的50Hz频率在15～120Hz之间变换。压缩机的排气量与其转速成正比关系,改变频率即可改变压缩机转速,其排气量也相应改变,从而达到变容量调节的目的。

(2)直流变频压缩机采用直流无刷永磁同步电机,转子由永磁材料组成。压缩机电机通过改变输入频率,达到改变压缩机转速的目的。与交流变频压缩机相比,直流变频压缩机使用的电机减少了二次铜损及涡旋损失,效率高,其技术更加先进。

2.2 数码涡旋技术

数码涡旋技术是通过PWM(脉冲宽度调节)数码涡旋压缩机,利用变容量控制原理,通过压缩机的动静涡旋盘的离合来控制系统的制冷剂流量,从而控制系统的能量输出。

数码涡旋压缩机由美国谷轮公司于1995年研制成功,该技术的精华在于压缩机本身具有 “轴向柔性”的特点。这一性能使固定的涡旋盘沿轴向可以有很少量的移动,确保用最佳力使固定涡旋盘和动涡旋盘始终共同加载。图2为数码涡旋空调变容量控制原理图。

图2 数码涡旋空调变容量控制原理图

数码涡旋操作分两个阶段:“负载状态”,此时电磁阀常闭;“卸载状态”,此时电磁阀打开。负载状态中,压缩机像常规涡旋压缩机一样工作,传递全部容量和制冷剂质流量;卸载状态中,无容量和制冷剂质流量通过压缩机。数码涡旋压缩机通过系统信号,控制电磁阀的动作和时间来实现涡旋盘的动盘和静盘的轴向分离和径向滑动,改变 “负载”和 “卸载”的周期时间来实现变容量的调节。数码涡旋压缩机的运行范围可以从10%到100%,并且在这一范围内的输出是连续的和无级的,与变频技术的分级输出容量相比是一大改进。

2.3 能量控制技术

采用能量控制技术的压缩机拥有两个按相位差180°旋转的双滚动转子,在两个气缸间有一个能量控制阀,可以控制压缩机送往室内机的制冷剂流量,可以实现100%和50%两级的能量调节。这种方式进行的能量调节,调节级数少,无法与变频技术及数码涡旋技术相比。

3 多联机系统设计要点探讨

通过对多联机系统的优化设计和控制方式的改善,可以精确地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,适时地满足室内冷、热负荷的要求。多联机适当的作用半径,合理的高压液管和吸气管的长度,室内外机容量的合理搭配,使制冷性能系数达到最佳值,发挥多联机的最佳效果。以下从五个方面对多联机系统的设计要点进行了探讨,为多联机系统的设计与应用提供技术参考。

3.1 设计要点一:空调系统合理分区,优化走管

首先进行空调系统的划分,室内设计参数及热湿比相同或相近的房间宜划为一个系统,这样做空气的处理和控制方案一致。房间朝向、层次和位置相同或相近的房间宜划为一个系统,这样做风道布置和安装容易,同时也便于管理。但空调系统划分过多,会带来经济上的不利,所以对于一些室内参数或热湿比不完全相同的情况,可以用分区处理的办法仍将它们划为一个系统,提高系统效率,减少初投资。

合理分区处理依据:不同朝向区域组合成一个系统,降低峰值负荷;功能不同的区域组合成一个系统,提高设备利用率;根据外机摆放及管道井位置选择分区,便于走管。优化的系统分区,可以显著减少配管总长,使多联机空调效果更佳。

3.2 设计要点二:室内机精确选型

根据精确的负荷计算,选择相应容量的室内机机型,设计中室内机选型还需考虑温度、连接率、管长等因素的影响。多联机空调系统室内机与室外机的额定制冷量是在标准工况下测得的数据,因此,产品样本中所提供的技术参数与实际工程条件(室内外温度、管道长度等)不同时,应进行修正。图3为室内机选型示意图。

综合考虑这些修正系数可提高选型准确性,同负荷计算更匹配,结合室内机型式和容量,能有效减少设备能源的浪费。

图3 室内机选型示意图

(1)温度修正

如某公司生产的设备额定工况为:

夏季:室内27℃DB,19℃WB;室外35℃DB

冬季:室内20℃;室外7℃DB,6℃WB

当设计温度与设备额定工况温度不同时需对容量进行温度修正,从容量表中查出设计温度条件下室外机的实际容量。

(2)连接率修正

室内外机的容量匹配比应根据该系统中各室内机同时使用率、各室内机所在房间冷热负荷峰值的时间分布等因素而确定,确保多联机空调系统的安全运行。室内机容量总和超过室外机所提供的实际能力时,室内机的容量会有所衰减,如图4所示。室内机数量过多,在低负荷的情况下,部分润滑油会滞留在室内机内,系统需要经常高频回油运转,系统效率随之降低,连接率较大时必须考虑这个因素的影响 (见表1)。

图4 制冷量随连接率的变化

(3)管长修正

空调多联机冷媒配管长度对多联机的制冷、制热性能有直接的影响。管路加长后冷媒的沿程阻力损失增大,出现闪发,末端室内机制冷/制热效率降低。管路越长,系统越大,制冷剂的分配偏差越大,从而使部分房间偏离室内设计温度。另外,管路过长,对于VRV系统,充加润滑油的量增加,润滑油浓度增加,传热下降,部分润滑油会沉积在冷媒管道内,长期运行造成润滑油回油困难。

3.3 设计要点三:多联机系统室外机分层摆放

越来越多的高层大型建筑不断出现,使室外机集中摆放产生了一定的局限性。从节能性、降低初投资以及实际设备摆放等多方面因素考虑,分层安放的形式越来越多的被采用。分层摆放设计不当会出现排热不畅、气流短路的问题,要特别注意,图5为某层温度分布俯视图——排热不畅。

图5 某层温度分布俯视图——排热不畅

气流短路的产生与楼层数、摆放位置、机房尺寸、室外机容量、风帽形状、百叶特性、大气条件等诸多因素有关。图6为某层气流短路模拟图。

图6 某层气流短路模拟图

室外机的分层布置应满足下述要求:进风通畅不干扰,排风顺畅不回流,确保当层室外机的正常回排风。

室外分层摆放设计要求:

排风管出风速度:5～8m/s;

百叶角度:＜20度;

百叶间距/开口率:确保回排风总面积;百叶口回风速度:＜1.6m/s;压力损失:＜室外机机外静压。分层摆放设计完成后,需进行气流解析验证气流是否短路,确保分层安放的空调效果。

3.4 设计要点四:VRV系统与新风系统配合

独立新风系统经过过滤和热湿处理后再与VRV配合使用,可实现更舒适的新风环境,使室内环境更卫生更舒适,达到良好效果。多联机系统新风供应方式通常有以下4种:

(1)无组织新风

不设有新风供应系统,仅靠门窗缝隙渗透,或开窗的方法引入新风。这种新风供应方式,由于建筑物的风压、热压作用,不同朝向、不同楼层的房间其渗入室内的空气量是不同的,有些房间甚至打开外窗都不能有效引进新风。因此,所引入的新风无论是其品质 (主要是洁净度)还是新风量都无法保证。直接从室外引入未经处理的新风,增大了室内空调负荷,对于一般按夏季冷负荷选择的室内机型号,冬季严寒季节可能造成供热量不足。另外,夏季新风的含湿量较高,室内机除湿量增大,室内相对湿度无法保证。

(2)室内机自吸新风方式

通过选用室内机专用换新风组件,将新风引入机组,采用室内机自吸的方式送入室内。新风一般直接取自室外,不经过温湿度处理 (有时经过简单的过滤),新风负荷由室内机承担,室内机除湿负荷增大,在高湿度地区室内湿度较难控制,影响空调效果。此种新风供应方式仅限于天花板卡式嵌入型、天花板嵌入风管内藏型的室内机。

(3)采用专用新风处理装置

采用专门用来处理新风的室内机,它仍然采用冷媒直接蒸发式制冷 (制热),具有一定的机外余压 (200 Pa左右),可以根据室外空气温度或室内外温差,通过设在冷媒供液管路上的电子膨胀阀自动控制供液量,通过变频控制达到设定的送风参数。这类新风机通常是按新风状态设计,加大了机组盘管的排数,可将新风处理到室内状态点。但此种方法工程造价较高,影响在工程中的应用。另一方面,在室外温度较高时,压缩机长时间不间断运行,会影响机组的寿命。在新风处理中需注意,不能将专用新风室内机与普通室内机连接在一个系统中,也不能将普通室内机作为新风机组使用。

(4)采用新风换气机

新风换气机分为显热回收式和全热回收式。新风换气机用于多联机空调系统供应新风,具有节能效果。全热回收装置与显热回收装置相比,夏季工况全热回收型节能效果较好,冬季工况二者差别不大。采用全热回收装置冬季可减少空调加湿系统的费用,对湿度要求不高的场合可以不需对新风加湿。用全热交换器处理新风的原理图如图7所示。

图7 全热交换器处理新风原理图

在商用多联机空调系统中配以全热交换器,在向房间补充新风的同时,通过室外新风与室内排风的热湿交换,回收排风中能量,为新风预冷或预热,大大降低新风负荷,非常节能,但需要注意新风口和排风口的布置一定要合理,尽量防止新风和排风交叉污染的问题。

3.5 设计要点五:控制系统

目前VRV系统控制方式主要有三种:1)采用变频控制方式;2)采用变容量控制方式;3)为前两种兼有的控制方式。VRV系统是一种基于现场总线技术的分散式控制系统。室内机、室外机均有自动控制系统,内、外机之间通过制冷循环参数的变化进行协调工作。室内机的控制,主要是对风扇电机和制冷剂管路电子膨胀阀的控制。由于风速由用户设定,所以室内机的容量调节和室内温度控制主要是通过电子膨胀阀的控制实现。这种调节以室内机的回风温度作为输入量,回风温度采集点一般设置在室内机回风口附近。

PID控制电子膨胀阀的开度,可以根据内机能力的变化,对室内机能力进行精确的控制,避免了冷媒偏流,确保恒定的室内机组能力,实现了舒适的空调空间。采用精确的高低压压力传感器,根据检测到的高低压压力值,精确控制各室外机的运转状态,运行更稳定,控制更精确。

4 结语

近些年,多联机空调系统因其节能、舒适、智能化管理、占用空间小、设计灵活和外形美观等优点,应用越来越多。本文对我国多联机的应用状况和技术特点进行了论述,从室内机精确选型、室外机分层布置、控制系统以及与新风系统的配合等方面介绍了多联机系统的设计,为多联机系统的优化设计与应用提供技术参考,以使多联机系统达到最佳运行效果。

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