多聯(lián)機空調(diào)技術(shù)及其設(shè)計探討

劉光磊,明 月

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧沈陽110168)

0 引 言

多聯(lián)式空調(diào)機組,簡稱多聯(lián)機,也稱VRV(variable refrigerant volume)空調(diào)系統(tǒng),即變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng),它具有方便靈活、舒適節(jié)能的特點,體現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的人性化理念。多聯(lián)機系統(tǒng)起源于日本,于20世紀(jì)90年代初引入我國,其技術(shù)不斷發(fā)展。變頻技術(shù)、數(shù)碼渦旋技術(shù)的應(yīng)用、多元化室內(nèi)機的形式、高可靠性能的設(shè)備、簡捷的系統(tǒng)設(shè)計、人性化的系統(tǒng)控制、智能化技術(shù)的發(fā)展,使多聯(lián)機日趨完善,在辦公樓、醫(yī)院、商業(yè)類建筑中得到廣泛的應(yīng)用。

多聯(lián)機空調(diào)是一種全新概念的空調(diào),它集一拖多技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和多重健康技術(shù)于一身,與傳統(tǒng)空調(diào)相比,多聯(lián)機空調(diào)的一個顯著的特點是其能量具有可調(diào)性,節(jié)約能源、運行費用低,另外,不需設(shè)置集中機房、以及冷卻塔、水輸配系統(tǒng)等設(shè)備,節(jié)省占用空間,外形美觀,控制先進(jìn),運行可靠,機組適應(yīng)性好,系統(tǒng)布置較靈活,安裝和計費方便,可滿足不同規(guī)模建筑對空調(diào)的要求,因此,多聯(lián)機空調(diào)越來越被社會認(rèn)可,應(yīng)用越來越廣。

1 多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)及其工作原理

多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)是用一臺或多臺室外機通過配管與多臺室內(nèi)機相連,室外側(cè)采用風(fēng)冷換熱形式、室內(nèi)側(cè)采用直接蒸發(fā)換熱形式,它可以向一個或多個區(qū)域直接提供處理后的空氣的空調(diào)系統(tǒng)。簡單的多聯(lián)機VRV空調(diào)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,采用一臺室外機對應(yīng)多臺室內(nèi)機,室外機與室內(nèi)機之間采用冷媒管連接。

圖1 多聯(lián)機VRV空調(diào)系統(tǒng)示意圖

多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上類似于分體式空調(diào)機組,工作原理與普通蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)相同,由壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構(gòu)、蒸發(fā)器、其他閥件(附件)以及一系列冷媒管構(gòu)成的環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)通常有氣管、液管各一根,及一根凝結(jié)水管,制冷劑在管路中以氣液兩相變化流動。由控制系統(tǒng)采集室內(nèi)舒適性參數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù),通過變頻等手段調(diào)節(jié)壓縮機輸氣量,控制空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇、電子膨脹閥等可控部件,確保室內(nèi)環(huán)境的舒適性,并使空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定在最佳工況。

多聯(lián)機系統(tǒng)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(nèi)機和室外機連接起來,這種方式便于增設(shè)室內(nèi)機;

(2)直管線形分流式:通過制冷劑管道接頭將室內(nèi)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(fù)雜的空調(diào)區(qū)域。

按多聯(lián)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(lián)機技術(shù)

由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時間是處于部分負(fù)荷下運行的,多聯(lián)機系統(tǒng)通過對制冷工質(zhì)流量的有效控制實現(xiàn)壓縮機和系統(tǒng)的變?nèi)萘窟\行,以達(dá)到節(jié)能的目的。目前,比較成熟的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)有:1)變頻技術(shù);2)數(shù)碼渦旋技術(shù);3)能量控制技術(shù)。

2.1 變頻技術(shù)

變頻多聯(lián)機技術(shù)是指對室外主機輸出能力進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式。通過改變投入工作的壓縮機的臺數(shù)來調(diào)節(jié)主機的容量,進(jìn)行粗調(diào)節(jié);通過變頻裝置改變輸入頻率來改變變頻壓縮機的轉(zhuǎn)速,進(jìn)行主機容量的細(xì)調(diào)節(jié)。通過這兩種調(diào)節(jié)方式配合,可以使室外主機輸出能力連續(xù)線性調(diào)節(jié)。空調(diào)變頻技術(shù)主要有兩種方式:交流變頻技術(shù)與直流變頻技術(shù)。

(1)交流變頻技術(shù)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(zhuǎn)速成正比關(guān)系,改變頻率即可改變壓縮機轉(zhuǎn)速,其排氣量也相應(yīng)改變,從而達(dá)到變?nèi)萘空{(diào)節(jié)的目的。

(2)直流變頻壓縮機采用直流無刷永磁同步電機,轉(zhuǎn)子由永磁材料組成。壓縮機電機通過改變輸入頻率,達(dá)到改變壓縮機轉(zhuǎn)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(shù)更加先進(jìn)。

2.2 數(shù)碼渦旋技術(shù)

數(shù)碼渦旋技術(shù)是通過PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))數(shù)碼渦旋壓縮機,利用變?nèi)萘靠刂圃?通過壓縮機的動靜渦旋盤的離合來控制系統(tǒng)的制冷劑流量,從而控制系統(tǒng)的能量輸出。

數(shù)碼渦旋壓縮機由美國谷輪公司于1995年研制成功,該技術(shù)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(shù)碼渦旋空調(diào)變?nèi)萘靠刂圃韴D。

圖2 數(shù)碼渦旋空調(diào)變?nèi)萘靠刂圃韴D

數(shù)碼渦旋操作分兩個階段:“負(fù)載狀態(tài)”,此時電磁閥常閉;“卸載狀態(tài)”,此時電磁閥打開。負(fù)載狀態(tài)中,壓縮機像常規(guī)渦旋壓縮機一樣工作,傳遞全部容量和制冷劑質(zhì)流量;卸載狀態(tài)中,無容量和制冷劑質(zhì)流量通過壓縮機。數(shù)碼渦旋壓縮機通過系統(tǒng)信號,控制電磁閥的動作和時間來實現(xiàn)渦旋盤的動盤和靜盤的軸向分離和徑向滑動,改變 “負(fù)載”和 “卸載”的周期時間來實現(xiàn)變?nèi)萘康恼{(diào)節(jié)。數(shù)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(nèi)的輸出是連續(xù)的和無級的,與變頻技術(shù)的分級輸出容量相比是一大改進(jìn)。

2.3 能量控制技術(shù)

采用能量控制技術(shù)的壓縮機擁有兩個按相位差180°旋轉(zhuǎn)的雙滾動轉(zhuǎn)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(nèi)機的制冷劑流量,可以實現(xiàn)100%和50%兩級的能量調(diào)節(jié)。這種方式進(jìn)行的能量調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)級數(shù)少,無法與變頻技術(shù)及數(shù)碼渦旋技術(shù)相比。

3 多聯(lián)機系統(tǒng)設(shè)計要點探討

通過對多聯(lián)機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)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(huán)量和進(jìn)入室內(nèi)各換熱器的制冷劑流量,適時地滿足室內(nèi)冷、熱負(fù)荷的要求。多聯(lián)機適當(dāng)?shù)淖饔冒霃?合理的高壓液管和吸氣管的長度,室內(nèi)外機容量的合理搭配,使制冷性能系數(shù)達(dá)到最佳值,發(fā)揮多聯(lián)機的最佳效果。以下從五個方面對多聯(lián)機系統(tǒng)的設(shè)計要點進(jìn)行了探討,為多聯(lián)機系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用提供技術(shù)參考。

3.1 設(shè)計要點一:空調(diào)系統(tǒng)合理分區(qū),優(yōu)化走管

首先進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的劃分,室內(nèi)設(shè)計參數(shù)及熱濕比相同或相近的房間宜劃為一個系統(tǒng),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(tǒng),這樣做風(fēng)道布置和安裝容易,同時也便于管理。但空調(diào)系統(tǒng)劃分過多,會帶來經(jīng)濟上的不利,所以對于一些室內(nèi)參數(shù)或熱濕比不完全相同的情況,可以用分區(qū)處理的辦法仍將它們劃為一個系統(tǒng),提高系統(tǒng)效率,減少初投資。

合理分區(qū)處理依據(jù):不同朝向區(qū)域組合成一個系統(tǒng),降低峰值負(fù)荷;功能不同的區(qū)域組合成一個系統(tǒng),提高設(shè)備利用率;根據(jù)外機擺放及管道井位置選擇分區(qū),便于走管。優(yōu)化的系統(tǒng)分區(qū),可以顯著減少配管總長,使多聯(lián)機空調(diào)效果更佳。

3.2 設(shè)計要點二:室內(nèi)機精確選型

根據(jù)精確的負(fù)荷計算,選擇相應(yīng)容量的室內(nèi)機機型,設(shè)計中室內(nèi)機選型還需考慮溫度、連接率、管長等因素的影響。多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)機與室外機的額定制冷量是在標(biāo)準(zhǔn)工況下測得的數(shù)據(jù),因此,產(chǎn)品樣本中所提供的技術(shù)參數(shù)與實際工程條件(室內(nèi)外溫度、管道長度等)不同時,應(yīng)進(jìn)行修正。圖3為室內(nèi)機選型示意圖。

綜合考慮這些修正系數(shù)可提高選型準(zhǔn)確性,同負(fù)荷計算更匹配,結(jié)合室內(nèi)機型式和容量,能有效減少設(shè)備能源的浪費。

圖3 室內(nèi)機選型示意圖

(1)溫度修正

如某公司生產(chǎn)的設(shè)備額定工況為:

夏季:室內(nèi)27℃DB,19℃WB;室外35℃DB

冬季:室內(nèi)20℃;室外7℃DB,6℃WB

當(dāng)設(shè)計溫度與設(shè)備額定工況溫度不同時需對容量進(jìn)行溫度修正,從容量表中查出設(shè)計溫度條件下室外機的實際容量。

(2)連接率修正

室內(nèi)外機的容量匹配比應(yīng)根據(jù)該系統(tǒng)中各室內(nèi)機同時使用率、各室內(nèi)機所在房間冷熱負(fù)荷峰值的時間分布等因素而確定,確保多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的安全運行。室內(nèi)機容量總和超過室外機所提供的實際能力時,室內(nèi)機的容量會有所衰減,如圖4所示。室內(nèi)機數(shù)量過多,在低負(fù)荷的情況下,部分潤滑油會滯留在室內(nèi)機內(nèi),系統(tǒng)需要經(jīng)常高頻回油運轉(zhuǎn),系統(tǒng)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(diào)多聯(lián)機冷媒配管長度對多聯(lián)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(xiàn)閃發(fā),末端室內(nèi)機制冷/制熱效率降低。管路越長,系統(tǒng)越大,制冷劑的分配偏差越大,從而使部分房間偏離室內(nèi)設(shè)計溫度。另外,管路過長,對于VRV系統(tǒng),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(nèi),長期運行造成潤滑油回油困難。

3.3 設(shè)計要點三:多聯(lián)機系統(tǒng)室外機分層擺放

越來越多的高層大型建筑不斷出現(xiàn),使室外機集中擺放產(chǎn)生了一定的局限性。從節(jié)能性、降低初投資以及實際設(shè)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(shè)計不當(dāng)會出現(xiàn)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(chǎn)生與樓層數(shù)、擺放位置、機房尺寸、室外機容量、風(fēng)帽形狀、百葉特性、大氣條件等諸多因素有關(guān)。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(yīng)滿足下述要求:進(jìn)風(fēng)通暢不干擾,排風(fēng)順暢不回流,確保當(dāng)層室外機的正?；嘏棚L(fēng)。

室外分層擺放設(shè)計要求:

排風(fēng)管出風(fēng)速度:5～8m/s;

百葉角度:＜20度;

百葉間距/開口率:確?；嘏棚L(fēng)總面積;百葉口回風(fēng)速度:＜1.6m/s;壓力損失:＜室外機機外靜壓。分層擺放設(shè)計完成后,需進(jìn)行氣流解析驗證氣流是否短路,確保分層安放的空調(diào)效果。

3.4 設(shè)計要點四:VRV系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)配合

獨立新風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過過濾和熱濕處理后再與VRV配合使用,可實現(xiàn)更舒適的新風(fēng)環(huán)境,使室內(nèi)環(huán)境更衛(wèi)生更舒適,達(dá)到良好效果。多聯(lián)機系統(tǒng)新風(fēng)供應(yīng)方式通常有以下4種:

(1)無組織新風(fēng)

不設(shè)有新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng),僅靠門窗縫隙滲透,或開窗的方法引入新風(fēng)。這種新風(fēng)供應(yīng)方式,由于建筑物的風(fēng)壓、熱壓作用,不同朝向、不同樓層的房間其滲入室內(nèi)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(jìn)新風(fēng)。因此,所引入的新風(fēng)無論是其品質(zhì) (主要是潔凈度)還是新風(fēng)量都無法保證。直接從室外引入未經(jīng)處理的新風(fēng),增大了室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷,對于一般按夏季冷負(fù)荷選擇的室內(nèi)機型號,冬季嚴(yán)寒季節(jié)可能造成供熱量不足。另外,夏季新風(fēng)的含濕量較高,室內(nèi)機除濕量增大,室內(nèi)相對濕度無法保證。

(2)室內(nèi)機自吸新風(fēng)方式

通過選用室內(nèi)機專用換新風(fēng)組件,將新風(fēng)引入機組,采用室內(nèi)機自吸的方式送入室內(nèi)。新風(fēng)一般直接取自室外,不經(jīng)過溫濕度處理 (有時經(jīng)過簡單的過濾),新風(fēng)負(fù)荷由室內(nèi)機承擔(dān),室內(nèi)機除濕負(fù)荷增大,在高濕度地區(qū)室內(nèi)濕度較難控制,影響空調(diào)效果。此種新風(fēng)供應(yīng)方式僅限于天花板卡式嵌入型、天花板嵌入風(fēng)管內(nèi)藏型的室內(nèi)機。

(3)采用專用新風(fēng)處理裝置

采用專門用來處理新風(fēng)的室內(nèi)機,它仍然采用冷媒直接蒸發(fā)式制冷 (制熱),具有一定的機外余壓 (200 Pa左右),可以根據(jù)室外空氣溫度或室內(nèi)外溫差,通過設(shè)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(dá)到設(shè)定的送風(fēng)參數(shù)。這類新風(fēng)機通常是按新風(fēng)狀態(tài)設(shè)計,加大了機組盤管的排數(shù),可將新風(fēng)處理到室內(nèi)狀態(tài)點。但此種方法工程造價較高,影響在工程中的應(yīng)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(fēng)處理中需注意,不能將專用新風(fēng)室內(nèi)機與普通室內(nèi)機連接在一個系統(tǒng)中,也不能將普通室內(nèi)機作為新風(fēng)機組使用。

(4)采用新風(fēng)換氣機

新風(fēng)換氣機分為顯熱回收式和全熱回收式。新風(fēng)換氣機用于多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)新風(fēng),具有節(jié)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(jié)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(diào)加濕系統(tǒng)的費用,對濕度要求不高的場合可以不需對新風(fēng)加濕。用全熱交換器處理新風(fēng)的原理圖如圖7所示。

圖7 全熱交換器處理新風(fēng)原理圖

在商用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)中配以全熱交換器,在向房間補充新風(fēng)的同時,通過室外新風(fēng)與室內(nèi)排風(fēng)的熱濕交換,回收排風(fēng)中能量,為新風(fēng)預(yù)冷或預(yù)熱,大大降低新風(fēng)負(fù)荷,非常節(jié)能,但需要注意新風(fēng)口和排風(fēng)口的布置一定要合理,盡量防止新風(fēng)和排風(fēng)交叉污染的問題。

3.5 設(shè)計要點五:控制系統(tǒng)

目前VRV系統(tǒng)控制方式主要有三種:1)采用變頻控制方式;2)采用變?nèi)萘靠刂品绞?3)為前兩種兼有的控制方式。VRV系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分散式控制系統(tǒng)。室內(nèi)機、室外機均有自動控制系統(tǒng),內(nèi)、外機之間通過制冷循環(huán)參數(shù)的變化進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。室內(nèi)機的控制,主要是對風(fēng)扇電機和制冷劑管路電子膨脹閥的控制。由于風(fēng)速由用戶設(shè)定,所以室內(nèi)機的容量調(diào)節(jié)和室內(nèi)溫度控制主要是通過電子膨脹閥的控制實現(xiàn)。這種調(diào)節(jié)以室內(nèi)機的回風(fēng)溫度作為輸入量,回風(fēng)溫度采集點一般設(shè)置在室內(nèi)機回風(fēng)口附近。

PID控制電子膨脹閥的開度,可以根據(jù)內(nèi)機能力的變化,對室內(nèi)機能力進(jìn)行精確的控制,避免了冷媒偏流,確保恒定的室內(nèi)機組能力,實現(xiàn)了舒適的空調(diào)空間。采用精確的高低壓壓力傳感器,根據(jù)檢測到的高低壓壓力值,精確控制各室外機的運轉(zhuǎn)狀態(tài),運行更穩(wěn)定,控制更精確。

4 結(jié)語

近些年,多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)因其節(jié)能、舒適、智能化管理、占用空間小、設(shè)計靈活和外形美觀等優(yōu)點,應(yīng)用越來越多。本文對我國多聯(lián)機的應(yīng)用狀況和技術(shù)特點進(jìn)行了論述,從室內(nèi)機精確選型、室外機分層布置、控制系統(tǒng)以及與新風(fēng)系統(tǒng)的配合等方面介紹了多聯(lián)機系統(tǒng)的設(shè)計,為多聯(lián)機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用提供技術(shù)參考,以使多聯(lián)機系統(tǒng)達(dá)到最佳運行效果。

[1]馬一太,王洪利.多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)及其能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展[J].機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2008,(2):21-23

[2]王凌杰,羅倫.多聯(lián)機空調(diào)技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國西部科技,2007,(17):22-23

[3]羅倫,張敏。多聯(lián)機空調(diào)技術(shù)及其應(yīng)用[J].高職論叢,10(4):17-20

[4]鄭坤.空調(diào)多聯(lián)杯系統(tǒng)優(yōu)化研究[D],西安建筑科技大學(xué),2007

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

[6]傅聰穎,徐輝,傅玉達(dá).多聯(lián)機系統(tǒng)的新風(fēng)處理及其節(jié)能方式[J].山西建筑,2009,35(5):175-176