小型中央空调设计

梁文远

摘 要：本设计为别墅中央空调系统，目的是设计一个合理的中央空调系统，为居民提供恒温、恒湿的舒适环境。设计内容包括：制冷系统、冷冻水系统、冷却水系统、新风系统，制冷所需的设备选型、电控系统及其它辅助元器件的选用等内容。本设计采用：（1）相序继电器控制电路，防止在意外缺相和错相情况下使用机组。（2）断路器控制当电路中发生短路、过载和失压等故障时，能自动切断故障电路，保护线路和设备。（3）温度控制器控制室内温度，待降到设置温度时，断开室内风机盘管，待温度上升到设置温度时，重新开启风机盘管。（4）电磁阀控制冷冻水回路，节省冷量，减少损失。（5）顺序起动接法，防止压缩机在缺水，高压等情况下运作，提高压缩机使用寿命。（6）依据有关规范，考虑节能和舒适性要求，设计了风机盘管加新风系统。

关键词：半集中式中央空调；制冷系统；水冷式系统；电控系统

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0050-05

Abstract：This design is a central air-conditioning system for villas. The purpose is to provide a reasonable central air-conditioning system for the residents so that they can live in a comfortable environment with constant temperature and constant humidity.The design includes： refrigeration system， chilled water system， cooling water system， fresh air system， refrigeration equipment selection， electronic control system and other auxiliary components selection， etc.This design uses：（1） Phase sequence relay control circuit， which prevents the operation of the unit in the case of missing phase and phase error.（2）Circuit breaker control which can automatically cut off the fault circuit to protect circuit and equipment when the circuit is short circuited， overloaded or lost voltage.（3） Temperature controller to control the indoor temperature. When the temperature drops to the set temperature， it will disconnect the indoor fan coil. When the temperature rises to the set temperature， it will re-open the fan coil.（4）Solenoid valve to control the freezing water loop， which can save the amount of cold and reduce loss. （5）Sequential starting method， which can prevent the compressor from operating in the case of water shortage and under high pressure. This can improve the service life of the compressor.（6） The fan coil unit plus fresh air system. It was designed according to the relevant rules and specifications as well as the requirements of energy saving and comfort.

Key words： semi-central air conditioning system；refrigeration system；water cooling system；electronic control system

中央空调系统是一种集中处理空调负荷的空调系统型式，它由集中的制冷机组产生冷/热量，并利用适当的介质把冷/热量输送到需要消除冷/热负荷的空间，从而实现空调的目的。由于它采用的是集中处理空调负荷的形式，因此，相对于分散处理空调负荷的分散式空调系统而言，中央空调系统的能效比较高，从制冷循环的角度来看是一种节能运行的空调型式。

相对于传统的分散式家用空调型式而言，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、不破坏建筑外观等突出的优点如下（1）（2）（3）（4）。因此，它受到了市场的青睐和生产厂家的重视。国外在这方面的工作开展得較早，美国和日本早在七、八十年代即已开始大量地应用家用小型中央空调系统。从90年代中后期开始，我国开始了在这方面的研究和开发，并已有成功的工程应用。许多国内知名的空调企业都逐渐认识到这一市场的重要性，加大力度进行相关产品的研制和生产。随着人民生活水平的提高，住宅建设的发展，中央空调小型化，家用空调商业化，家用中央空调将成为未来空调的主流。

（1）家用小型中央空调是一种节能、舒适的家用空调系统。

（2）美国、日本和中国的家用小型中央空调的特点各不相同，美国以风管式系统为主，日本以VRV系统为主，而中国目前以冷/热水机组为主。各个国家其家用小型中央空调的发展历程均与各自国情相适应。

（3）在考虑我国的家用小型中央空调的发展方向时，不能照搬国外的经验，而应当充分考虑中国自身的特点，遵循多样化、多层次的原则，开发出适合中国国情的家用小型中央空调系统。此外，也应当重视小区集中供冷/热空调方式的应用。

（4）研究和开发家用小型中央空调要求我们尽快掌握多项关键技术，以开发出更加舒适、节能的家用小型中央空调。

1 确定制冷系统

1.1 确定四大部件以及辅助部件

1.1.1 主要设备

（1）压缩机。作用：制冷压缩机是制冷装置中最主要的设备，通常称为制冷装置中的主机。制冷剂蒸气从低压提高为高压以及气体的不断流动、输送，都是借助于制冷压缩机的工作来完成的，也就是说，制冷压缩机的作用是：

①从蒸发器中吸取制冷剂蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力。

②提高压力，将低压低温的制冷剂蒸气压缩成为高压高温的过热蒸气，以创造在较高温度（如夏季35℃左右的气温）下冷凝的条件。

③输送并推动制冷剂在系统内流动，完成制冷循环。

（2）壳管式冷凝器。作用：是将高温制冷蒸气迅速凝结为液体，并对外界放热，以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量，冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。

（3）水冷式蒸发器。作用：一般把蛇形管或盘管式的制冷剂液体管放入冷却水载冷剂中，吸收载冷剂的热量。载冷剂被冷却后再去冷却其他物品。就是依靠水把房间内的热量带走，或者是把外界的热量送给房间。

（4）热力膨胀阀。作用：使高压常温的制冷剂液体在流经膨胀阀时，节流降压，变为低温低压制冷剂湿蒸气（大部分是液体，小部分是蒸气）。

1.1.2 辅助设备

（1）电磁阀。作用：电磁阀的电磁线圈与压缩机电动机电路同步控制，当压缩机启动运行时，电磁阀同时接通电源使阀门开启，压缩机停止运转时，电磁阀也同时断电而关闭阀门。这样就避免了压缩机停机后，大量制冷剂液体继续进入蒸发器，确保压缩机再次启动运转时不会发生“液击”事故。

（2）高低压保护器。作用：检测系统压力是否正常，低压保护检测的是系统中的回气压力一般低于0.05MPa开关动作，作用是防止系统中没有制冷剂运行而损坏压缩机。高压保护检测的是排气压力一般高于3.5MPa开关动作，作用是防止系统中制冷剂过多和冷凝器散热不良，而损坏压缩机或爆裂管道。

1.2 制冷系统工作原理原理图（如图1所示）

1.3 制冷系统工作原理

制冷系统工作原理：系统工作时、蒸发器内的制冷剂吸收室内空气的热量而蒸发成为压力和温度均较低的蒸气，被压缩机吸入并压缩后，制冷剂的压力和温度均升高，然后排入冷凝器。制冷剂蒸气在冷凝器内通过放热给室外空气而冷凝成为压力较高的液体。制冷剂液体通过节流元件的节流，压力和温度均降低，再进入蒸发器蒸发，如此周而复始地循环工作，从而达到降低室内温度的目的。

1.4 根据已知条件，画出制冷系统压—焓图，并列好所需数据（如图2所示）

1点 t=3℃；p≈5.5bar；h≈406.45kj/kg；x≈0.99；s≈1.75kj/（kg·K）；

2点 t=58℃；p≈15.33bar；h≈418.15kj/kg；x≈0.02；s≈1.75kj/（kg·K）

3点 t=40℃；p≈15.3bar；h≈416.57kj/kg；x≈0.99；s≈1.7kj/（kg·K）

4点 t=40℃；p≈15.3bar；h≈249.67kj/kg；x≈0；s≈1.17kj/（kg·K）

5点 t=3℃；p≈5.5bar；h≈253.29kj/kg；x≈0.23；s≈1.18kj/（kg·K）

t：等温线 p：等压线 h：等比焓线 x：等干度线 s：等熵线 v：等容线

2 设计冷冻水系统、冷却水系统、新风系统

2.1 确定冷冻水系统所需部件和连接

（1）确定部件：水箱、过滤器、水阀、冷冻水泵、水流继电器、水压表、水溫计、电磁阀、风机盘管等。

（2）连接：如图3所示。

（3）冷冻水系统的工况调定。冷水机组一般是在标准工况所规定的冷水回水温度12℃，供水温度7℃，温差为5℃的条件下运行的。对于一台冷水机组来说，其运行条件不变，外界负荷一定的情况下，冷水机组的制冷量是一定的。此时通过蒸发器的冷水流量与供、回水温差成反比，即冷水流量越大，温差越小；反之，流量越小，温差越大。所以，冷水机组工况规定冷水供回水温差5℃，这实际上是规定了机组的冷水流量。这种冷水流量的控制就表现为控制水通过蒸发器的压力降在标准工况下，蒸发器上冷水供回水压降调定为49kPa（0.5kg/cm）。

2.2 确定冷却水系统所需部件和连接

（1）确定部件：冷却塔、过滤器、水阀、冷却水泵、水流继电器、水压表、水温计等。

（2）连接：如图4所示。

（3）冷却水系统的工况设定。对于一台正在运行的冷水机组。环境条件，负荷都已成为定值这时，冷凝热负荷也为定值。规定进、出水温差为5℃，冷却水量必然也为一定值，而且该流量与进出水温差成反比。所以，冷水机组的运行，只要规定冷却水的进出水温差就行了，这个流量通常用进出冷凝器的冷却水压力降来控制。在标准工况下，冷凝器进出水压力降调定为68.6kPa（0.7kg/cm）。

2.3 确定新风系统所需部件和连接

（1）确定部件：蒸发冷却新风机组、风机盘管

（2）连接：如图5所示。

（3）蒸发冷却新风机组原理。此系统和传统的风机盘管加新风系统略有不同，传统风机盘管加新风系统所用冷媒是冷水机组提供的冷水，故冷水机组是核心。而半集中式蒸发冷却系统的核心是蒸发冷却段，是利用水的蒸发取得能量，它不是将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发，而是直接补充水分来维持蒸发过程的进行，系统中新风由蒸发冷却新风机组处理。

2.4 结合制冷系统设计出整个系统图（包括制冷系统、冷冻水系统、冷却水系统、新风系统）

（1）连接：如图6所示。

（2）整机节能运行的操作。1）夏季早晨室外气温较低，同时空气新鲜而室内气温较高，可利用空调新风机系统抽、送风约15分钟。这种做法有以下好处：①开机前可降低室温，减少主机负荷。②使室内空气质量提高。2）打开运行机组蒸发器上的进出水阀，开启冷冻水泵，将蒸发器进出水压力降调至49kPa（0.5kg/cm）左右。打开运行机组冷凝器上的进出水阀，开启冷却水泵，调整冷凝器进出水压力降至68.6kPa（0.7kg/cm）左右（一般出水阀常开，进水阀根据需要开、关。冷凝器、蒸发器都一样。压力降以能克服管路阻力为原则，尽量降低压力降，以减少水泵的耗电量，使节电效果更佳）。3）若水泵启动后，发现蒸发器或冷凝器进出水压力表指针摆动过大，说明冷冻水系统或冷却水系统有空气，需排空气待压力表指示正常后继续下一步操作。4）操作中均是一台冷冻水泵和一台冷却水泵对一台机组（匹配要一样）。

3 设备选型

3.1 压缩机的功率

别墅所需冷量20KW，根据压焓图的数据，

单位制冷量

=，

单位质量流量

，

实际排气量

=。

根据计算结果，选用江苏省泰兴企鹅冷冻设备厂的3B15参数：半封闭制冷压缩机，汽缸直径（mm）：64，汽缸数：3，额定转速（r/min）：1450，排气量（m3/h）：53.7，吸气管直径（mm）：38，排气管直径（mm）：28，名义制冷量（KW）：23.35，功率（KW）：10.5，均能满足设计要求。

3.2 根据制冷量选择换热器

考虑到换热器会产生水垢、受环境的影响以及在极限状态下运行，所以计算时比实际多一些换热量，即取1.1计算。蒸发器换热功率，再求换热面积，由于壳程植物油的压力较高，故可选较大的K值。假设经验值K=

根据计算结果，选得东洋制冷公司的TYS-20壳管式蒸发器：散热面积9.9m2、水量10、重量107KG，均能满足设计要求。

冷凝器的换热功率：压缩机的制冷量+压缩机功率，=20000W+10500W=30500W，冷凝器换热面积：①求出风冷凝器换热面积=制冷量+压缩机功率/200～250=20000 +10500/230≈132.61，②水冷凝器换热面积与风冷凝器比例=概算132.61比18所以132.61/18=7.37.根据计算结果，选得东洋制冷公司的TYS-15壳管式冷凝器：散热面积7.43m2、水量12.5、重量88KG，均能满足设计要求。

3.3 热力膨胀阀的选择

供液管内径取13mm，供液管长度l=30mm，蒸发器安装在储液器上方，高度差H=1m。

确定膨胀阀两端压力差：

由℃，查得=11.6；根据、l、查表得；假定安装在液管上的弯头、阀门、干燥过滤器等总的阻力损失；液管出口与进口高度差引起的阻力损失。

分液头及分液管的阻力损失各取1×。

由查R22热力性质表得，将以上数据代入公式，得：

按以上的数据查表选用国产RF22W5-4.5型热力膨胀阀。

3.4 根据换热器计算冷冻水、冷却水流量

冷冻水流量：=≈62.86kg/min

冷却水流量：≈87.14kg/min

3.5 根据水流量选择冷却水泵、冷冻水泵

冷冻水泵：根据计算结果，选用上海上诚泵阀制造有限公司32QDLF4-40型水泵。

参数：流量：66.6kg/min，扬程：32m，吸程：7，转速：2900r/min，配用电机：0.75KW，重量：20KG。滿足设计要求。

冷却水泵：根据计算结果，选用上海上诚泵阀制造有限公司40QDLF8-20型水泵。

参数：流量：133.2kg/min，扬程：18m，吸程：7，转速：2900r/min，配用电机：0.75KW，重量：25KG。满足设计要求。

4 确定电控系统

4.1 根据中央空调系统的运行，说明电控的思想

（1）采用相序继电器，起控制电路，防止在意外缺相和错相情况下使用机组。

（2）采用断路器，起电路中发生短路、过载和失压等故障时，能自动切断故障电路，保护线路和设备。

（3）采用温度控制器，控制室内温度过低，待降到设置温度时，断开室内风机盘管，待温度上升到设置温度时，重新开启风机盘管。

（4）采用电磁阀，起控制冷冻水回路，节省冷量，减少损失。

（5）采用顺序起动接法，防止压缩机在缺水，高压等情况下运作，提高压缩机使用寿命。

4.2 设计电控系统工作原理图

图7。

4.3 电控系统工作原理

4.3.1 开机

先合上电源QS，合上断路器QF。

（1）辅助设备控制：

→KM1自锁触头闭合自锁

按下SB1→KM1线圈得电→KM1辅助常开触头闭合→冷却水泵M1启动运转

→KM1主触头闭合

→KT1线圈得电→KT1辅助常开触头延时闭合

↓

①KM2线圈得电

②KT2线圈得电

①→KM2辅助常开触头闭合

→KM2主触头闭合→冷却风机M2啟动运转

②→KT2线圈得电→KT2辅助常开触头延时闭合→KM3线圈得电

↓

→KM3辅助常开触头闭合

→KM3主触头闭合

→冷冻水泵M3启动运转

（2）压缩机控制

按下SB2→KM4线圈得电→KM4主触头闭合

→KM4自锁触头闭合自锁

→压缩机M4启动运转

（3）室内控制

按下SB3→KM5线圈得电→KM5主触头闭合

→KM5自锁触头闭合自锁

①→DJ线圈得电

②→WJ线圈得电

↓

①→风机盘管、新风机组KM5启动运转

→电磁阀动作打开

②→温度控制器工作

4.3.2 停机

按下SB5→KM4线圈失电→KM4主触头复位分断

→压缩机停转

→自锁触头复位分断

按下SB4→KM1线圈失电→KM1自锁触头、辅助常开触头、主触头复位

→KM2线圈失电→KM2辅助常开触头、主触头复位

→KM3线圈失电→KM3辅助常开触头、主触头复位

↓

→冷却水泵停转

→冷却风机停转

→冷冻水泵停转

注：由于电路采用顺序起动接法，起动时，KM1、KM2、KM3要先于KM4起动，起到保护压缩机作用。停止时，考虑到中央空调实际运用，要先停KM4（压缩机）控制电路，过一段时间后，再停KM1、KM2、KM3，这种停止顺序是让冷却水和冷冻水能带走冷凝器和蒸发器上的热量和冷量，确保压缩机下次能顺利开机。

5 辅助元器件

5.1 辅助元器件

指示灯、电压表、电流表、开关、保险丝、压力继电器、时间继电器、水流继电器、热继电器、温控器、电磁阀等。

5.2 根据电控系统和辅助元器件，设计好整个系统的电控原理图（图8，表1）

6 结语

通过本次设计，我们对小型中央空调的概念有了更深层的认识。空调不只是提供舒适的温度环境，而是提供健康的、舒适的环境，并且要对环境没有破坏，这样的技术才是符合社会发展的技术，才能有发展的空间。

参考文献：

[1]张萍.中央空调设计实训教程.北京：中国商业出版社，2002，8.

[2]周邦宁.中央空调选型设备手册.北京：中国建筑工业出版社，1999，11.

[3]电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册.北京：中国建筑工业出版社，2003，10.

[4]何青.中央空调常用数据速查手册.北京：机械工业出版社，2005，6.