多聯機空調技術及其設計探討

劉光磊,明 月

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧沈陽110168)

0 引 言

多聯式空調機組,簡稱多聯機,也稱VRV(variable refrigerant volume)空調系統,即變制冷劑流量空調系統,它具有方便靈活、舒適節能的特點,體現了空調系統的人性化理念。多聯機系統起源于日本,于20世紀90年代初引入我國,其技術不斷發展。變頻技術、數碼渦旋技術的應用、多元化室內機的形式、高可靠性能的設備、簡捷的系統設計、人性化的系統控制、智能化技術的發展,使多聯機日趨完善,在辦公樓、醫院、商業類建筑中得到廣泛的應用。

多聯機空調是一種全新概念的空調,它集一拖多技術、節能技術、智能控制技術、網絡控制技術和多重健康技術于一身,與傳統空調相比,多聯機空調的一個顯著的特點是其能量具有可調性,節約能源、運行費用低,另外,不需設置集中機房、以及冷卻塔、水輸配系統等設備,節省占用空間,外形美觀,控制先進,運行可靠,機組適應性好,系統布置較靈活,安裝和計費方便,可滿足不同規模建筑對空調的要求,因此,多聯機空調越來越被社會認可,應用越來越廣。

1 多聯機空調系統及其工作原理

多聯機空調系統是用一臺或多臺室外機通過配管與多臺室內機相連,室外側采用風冷換熱形式、室內側采用直接蒸發換熱形式,它可以向一個或多個區域直接提供處理后的空氣的空調系統。簡單的多聯機VRV空調系統示意圖如圖1所示,采用一臺室外機對應多臺室內機,室外機與室內機之間采用冷媒管連接。

圖1 多聯機VRV空調系統示意圖

多聯機空調系統結構上類似于分體式空調機組,工作原理與普通蒸氣壓縮式制冷系統相同,由壓縮機、冷凝器、節流機構、蒸發器、其他閥件(附件)以及一系列冷媒管構成的環狀管網系統。系統通常有氣管、液管各一根,及一根凝結水管,制冷劑在管路中以氣液兩相變化流動。由控制系統采集室內舒適性參數、室外環境參數和系統運行狀態參數,通過變頻等手段調節壓縮機輸氣量,控制空調系統的風扇、電子膨脹閥等可控部件,確保室內環境的舒適性,并使空調系統穩定在最佳工況。

多聯機系統從管路形式分為:

(l)端管分流方式:通過制冷劑管道端管將室內機和室外機連接起來,這種方式便于增設室內機;

(2)直管線形分流式:通過制冷劑管道接頭將室內機和室外機連接起來,適用于縱深長的房間;

(3)組合分流式:是線形分流方式和端管分流方式的組合,比較適合布局復雜的空調區域。

按多聯機功能分為:1)單冷型;2)熱泵型;3)熱回收型:一部分房間供熱,同時一部分房間供冷。

2 多聯機技術

由于空調系統大部分時間是處于部分負荷下運行的,多聯機系統通過對制冷工質流量的有效控制實現壓縮機和系統的變容量運行,以達到節能的目的。目前,比較成熟的變容量調節技術有:1)變頻技術;2)數碼渦旋技術;3)能量控制技術。

2.1 變頻技術

變頻多聯機技術是指對室外主機輸出能力進行調節的方式。通過改變投入工作的壓縮機的臺數來調節主機的容量,進行粗調節;通過變頻裝置改變輸入頻率來改變變頻壓縮機的轉速,進行主機容量的細調節。通過這兩種調節方式配合,可以使室外主機輸出能力連續線性調節。空調變頻技術主要有兩種方式:交流變頻技術與直流變頻技術。

(1)交流變頻技術是利用變頻器,將交流電源原有的50Hz頻率在15～120Hz之間變換。壓縮機的排氣量與其轉速成正比關系,改變頻率即可改變壓縮機轉速,其排氣量也相應改變,從而達到變容量調節的目的。

(2)直流變頻壓縮機采用直流無刷永磁同步電機,轉子由永磁材料組成。壓縮機電機通過改變輸入頻率,達到改變壓縮機轉速的目的。與交流變頻壓縮機相比,直流變頻壓縮機使用的電機減少了二次銅損及渦旋損失,效率高,其技術更加先進。

2.2 數碼渦旋技術

數碼渦旋技術是通過PWM(脈沖寬度調節)數碼渦旋壓縮機,利用變容量控制原理,通過壓縮機的動靜渦旋盤的離合來控制系統的制冷劑流量,從而控制系統的能量輸出。

數碼渦旋壓縮機由美國谷輪公司于1995年研制成功,該技術的精華在于壓縮機本身具有 “軸向柔性”的特點。這一性能使固定的渦旋盤沿軸向可以有很少量的移動,確保用最佳力使固定渦旋盤和動渦旋盤始終共同加載。圖2為數碼渦旋空調變容量控制原理圖。

圖2 數碼渦旋空調變容量控制原理圖

數碼渦旋操作分兩個階段:“負載狀態”,此時電磁閥常閉;“卸載狀態”,此時電磁閥打開。負載狀態中,壓縮機像常規渦旋壓縮機一樣工作,傳遞全部容量和制冷劑質流量;卸載狀態中,無容量和制冷劑質流量通過壓縮機。數碼渦旋壓縮機通過系統信號,控制電磁閥的動作和時間來實現渦旋盤的動盤和靜盤的軸向分離和徑向滑動,改變 “負載”和 “卸載”的周期時間來實現變容量的調節。數碼渦旋壓縮機的運行范圍可以從10%到100%,并且在這一范圍內的輸出是連續的和無級的,與變頻技術的分級輸出容量相比是一大改進。

2.3 能量控制技術

采用能量控制技術的壓縮機擁有兩個按相位差180°旋轉的雙滾動轉子,在兩個氣缸間有一個能量控制閥,可以控制壓縮機送往室內機的制冷劑流量,可以實現100%和50%兩級的能量調節。這種方式進行的能量調節,調節級數少,無法與變頻技術及數碼渦旋技術相比。

3 多聯機系統設計要點探討

通過對多聯機系統的優化設計和控制方式的改善,可以精確地控制壓縮機的制冷劑循環量和進入室內各換熱器的制冷劑流量,適時地滿足室內冷、熱負荷的要求。多聯機適當的作用半徑,合理的高壓液管和吸氣管的長度,室內外機容量的合理搭配,使制冷性能系數達到最佳值,發揮多聯機的最佳效果。以下從五個方面對多聯機系統的設計要點進行了探討,為多聯機系統的設計與應用提供技術參考。

3.1 設計要點一:空調系統合理分區,優化走管

首先進行空調系統的劃分,室內設計參數及熱濕比相同或相近的房間宜劃為一個系統,這樣做空氣的處理和控制方案一致。房間朝向、層次和位置相同或相近的房間宜劃為一個系統,這樣做風道布置和安裝容易,同時也便于管理。但空調系統劃分過多,會帶來經濟上的不利,所以對于一些室內參數或熱濕比不完全相同的情況,可以用分區處理的辦法仍將它們劃為一個系統,提高系統效率,減少初投資。

合理分區處理依據:不同朝向區域組合成一個系統,降低峰值負荷;功能不同的區域組合成一個系統,提高設備利用率;根據外機擺放及管道井位置選擇分區,便于走管。優化的系統分區,可以顯著減少配管總長,使多聯機空調效果更佳。

3.2 設計要點二:室內機精確選型

根據精確的負荷計算,選擇相應容量的室內機機型,設計中室內機選型還需考慮溫度、連接率、管長等因素的影響。多聯機空調系統室內機與室外機的額定制冷量是在標準工況下測得的數據,因此,產品樣本中所提供的技術參數與實際工程條件(室內外溫度、管道長度等)不同時,應進行修正。圖3為室內機選型示意圖。

綜合考慮這些修正系數可提高選型準確性,同負荷計算更匹配,結合室內機型式和容量,能有效減少設備能源的浪費。

圖3 室內機選型示意圖

(1)溫度修正

如某公司生產的設備額定工況為:

夏季:室內27℃DB,19℃WB;室外35℃DB

冬季:室內20℃;室外7℃DB,6℃WB

當設計溫度與設備額定工況溫度不同時需對容量進行溫度修正,從容量表中查出設計溫度條件下室外機的實際容量。

(2)連接率修正

室內外機的容量匹配比應根據該系統中各室內機同時使用率、各室內機所在房間冷熱負荷峰值的時間分布等因素而確定,確保多聯機空調系統的安全運行。室內機容量總和超過室外機所提供的實際能力時,室內機的容量會有所衰減,如圖4所示。室內機數量過多,在低負荷的情況下,部分潤滑油會滯留在室內機內,系統需要經常高頻回油運轉,系統效率隨之降低,連接率較大時必須考慮這個因素的影響 (見表1)。

圖4 制冷量隨連接率的變化

(3)管長修正

空調多聯機冷媒配管長度對多聯機的制冷、制熱性能有直接的影響。管路加長后冷媒的沿程阻力損失增大,出現閃發,末端室內機制冷/制熱效率降低。管路越長,系統越大,制冷劑的分配偏差越大,從而使部分房間偏離室內設計溫度。另外,管路過長,對于VRV系統,充加潤滑油的量增加,潤滑油濃度增加,傳熱下降,部分潤滑油會沉積在冷媒管道內,長期運行造成潤滑油回油困難。

3.3 設計要點三:多聯機系統室外機分層擺放

越來越多的高層大型建筑不斷出現,使室外機集中擺放產生了一定的局限性。從節能性、降低初投資以及實際設備擺放等多方面因素考慮,分層安放的形式越來越多的被采用。分層擺放設計不當會出現排熱不暢、氣流短路的問題,要特別注意,圖5為某層溫度分布俯視圖——排熱不暢。

圖5 某層溫度分布俯視圖——排熱不暢

氣流短路的產生與樓層數、擺放位置、機房尺寸、室外機容量、風帽形狀、百葉特性、大氣條件等諸多因素有關。圖6為某層氣流短路模擬圖。

圖6 某層氣流短路模擬圖

室外機的分層布置應滿足下述要求:進風通暢不干擾,排風順暢不回流,確保當層室外機的正常回排風。

室外分層擺放設計要求:

排風管出風速度:5～8m/s;

百葉角度:＜20度;

百葉間距/開口率:確保回排風總面積;百葉口回風速度:＜1.6m/s;壓力損失:＜室外機機外靜壓。分層擺放設計完成后,需進行氣流解析驗證氣流是否短路,確保分層安放的空調效果。

3.4 設計要點四:VRV系統與新風系統配合

獨立新風系統經過過濾和熱濕處理后再與VRV配合使用,可實現更舒適的新風環境,使室內環境更衛生更舒適,達到良好效果。多聯機系統新風供應方式通常有以下4種:

(1)無組織新風

不設有新風供應系統,僅靠門窗縫隙滲透,或開窗的方法引入新風。這種新風供應方式,由于建筑物的風壓、熱壓作用,不同朝向、不同樓層的房間其滲入室內的空氣量是不同的,有些房間甚至打開外窗都不能有效引進新風。因此,所引入的新風無論是其品質 (主要是潔凈度)還是新風量都無法保證。直接從室外引入未經處理的新風,增大了室內空調負荷,對于一般按夏季冷負荷選擇的室內機型號,冬季嚴寒季節可能造成供熱量不足。另外,夏季新風的含濕量較高,室內機除濕量增大,室內相對濕度無法保證。

(2)室內機自吸新風方式

通過選用室內機專用換新風組件,將新風引入機組,采用室內機自吸的方式送入室內。新風一般直接取自室外,不經過溫濕度處理 (有時經過簡單的過濾),新風負荷由室內機承擔,室內機除濕負荷增大,在高濕度地區室內濕度較難控制,影響空調效果。此種新風供應方式僅限于天花板卡式嵌入型、天花板嵌入風管內藏型的室內機。

(3)采用專用新風處理裝置

采用專門用來處理新風的室內機,它仍然采用冷媒直接蒸發式制冷 (制熱),具有一定的機外余壓 (200 Pa左右),可以根據室外空氣溫度或室內外溫差,通過設在冷媒供液管路上的電子膨脹閥自動控制供液量,通過變頻控制達到設定的送風參數。這類新風機通常是按新風狀態設計,加大了機組盤管的排數,可將新風處理到室內狀態點。但此種方法工程造價較高,影響在工程中的應用。另一方面,在室外溫度較高時,壓縮機長時間不間斷運行,會影響機組的壽命。在新風處理中需注意,不能將專用新風室內機與普通室內機連接在一個系統中,也不能將普通室內機作為新風機組使用。

(4)采用新風換氣機

新風換氣機分為顯熱回收式和全熱回收式。新風換氣機用于多聯機空調系統供應新風,具有節能效果。全熱回收裝置與顯熱回收裝置相比,夏季工況全熱回收型節能效果較好,冬季工況二者差別不大。采用全熱回收裝置冬季可減少空調加濕系統的費用,對濕度要求不高的場合可以不需對新風加濕。用全熱交換器處理新風的原理圖如圖7所示。

圖7 全熱交換器處理新風原理圖

在商用多聯機空調系統中配以全熱交換器,在向房間補充新風的同時,通過室外新風與室內排風的熱濕交換,回收排風中能量,為新風預冷或預熱,大大降低新風負荷,非常節能,但需要注意新風口和排風口的布置一定要合理,盡量防止新風和排風交叉污染的問題。

3.5 設計要點五:控制系統

目前VRV系統控制方式主要有三種:1)采用變頻控制方式;2)采用變容量控制方式;3)為前兩種兼有的控制方式。VRV系統是一種基于現場總線技術的分散式控制系統。室內機、室外機均有自動控制系統,內、外機之間通過制冷循環參數的變化進行協調工作。室內機的控制,主要是對風扇電機和制冷劑管路電子膨脹閥的控制。由于風速由用戶設定,所以室內機的容量調節和室內溫度控制主要是通過電子膨脹閥的控制實現。這種調節以室內機的回風溫度作為輸入量,回風溫度采集點一般設置在室內機回風口附近。

PID控制電子膨脹閥的開度,可以根據內機能力的變化,對室內機能力進行精確的控制,避免了冷媒偏流,確保恒定的室內機組能力,實現了舒適的空調空間。采用精確的高低壓壓力傳感器,根據檢測到的高低壓壓力值,精確控制各室外機的運轉狀態,運行更穩定,控制更精確。

4 結語

近些年,多聯機空調系統因其節能、舒適、智能化管理、占用空間小、設計靈活和外形美觀等優點,應用越來越多。本文對我國多聯機的應用狀況和技術特點進行了論述,從室內機精確選型、室外機分層布置、控制系統以及與新風系統的配合等方面介紹了多聯機系統的設計,為多聯機系統的優化設計與應用提供技術參考,以使多聯機系統達到最佳運行效果。

[1]馬一太,王洪利.多聯機空調系統及其能效標準進展[J].機械工業標準化與質量,2008,(2):21-23

[2]王凌杰,羅倫.多聯機空調技術及其應用[J].中國西部科技,2007,(17):22-23

[3]羅倫,張敏。多聯機空調技術及其應用[J].高職論叢,10(4):17-20

[4]鄭坤.空調多聯杯系統優化研究[D],西安建筑科技大學,2007

[5]沈雨龍.淺談暖通工程的多聯機空調系統[J].中國科技信息,2008,(1):64-66

[6]傅聰穎,徐輝,傅玉達.多聯機系統的新風處理及其節能方式[J].山西建筑,2009,35(5):175-176