戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的概念自1999年推向社會(huì)以來(lái)，獲得了迅猛的發(fā)展，生產(chǎn)廠家也如雨后春筍般在全國(guó)崛起，戶式中央空調(diào)產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。目前市場(chǎng)上流行的戶式中央空調(diào)主要有三種形式：水管式戶式中央空調(diào)、風(fēng)管式戶式中央空調(diào)和冷劑式戶式中央空調(diào)。其中水管式戶式中央空調(diào)以其舒適、使用范圍廣、使用方便等特點(diǎn)，占有相當(dāng)大的份額。但是，由于設(shè)計(jì)、施工等方面的原因，造成該系統(tǒng)的主機(jī)啟停頻繁和主機(jī)在冬季除霜時(shí)，系統(tǒng)水溫較低等現(xiàn)象。主機(jī)啟停頻繁，會(huì)縮短壓縮機(jī)的壽命，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊也較大，這對(duì)用戶而言無(wú)疑將增加運(yùn)行費(fèi)用;系統(tǒng)水溫較低，則會(huì)使系統(tǒng)水的熱品質(zhì)下降，末端設(shè)備將吹冷風(fēng)，從而使室內(nèi)溫度達(dá)不到舒適要求。因此，研究以上兩種現(xiàn)象，并提出解決方案，對(duì)水管式戶式中央空調(diào)的推廣和運(yùn)行是很有必要的。
概念介紹：
2.1 熱容：
通常而言，物體升高1℃或降低1℃所吸收或放出的熱量，我們稱之為此物體的熱容。相應(yīng)的，以水管式戶式中央空調(diào)系統(tǒng)的水為研究對(duì)象，將其升高1℃或降低1℃所吸收或放出的熱量，稱之為水管式戶式中央空調(diào)系統(tǒng)熱容，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)熱容。根據(jù)熱容特性可以知道：吸收或放出的熱量越大，說(shuō)明系統(tǒng)的熱容越大，系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性也越高;反之，吸收或放出的熱量越小，說(shuō)明系統(tǒng)的熱容越小，系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性也越低。
2.2系統(tǒng)熱穩(wěn)定性：
指單位時(shí)間內(nèi)，在熱干擾作用下，水系統(tǒng)本身的溫度波動(dòng)的大小。單位時(shí)間內(nèi)，在單位熱量干擾作用下，水系統(tǒng)溫度波動(dòng)越小，說(shuō)明水系統(tǒng)熱穩(wěn)定性越好;反之，說(shuō)明水系統(tǒng)熱穩(wěn)定性越差。
2.3 系統(tǒng)水容量：
我們把戶式中央空調(diào)系統(tǒng)中所儲(chǔ)水的總和稱之為系統(tǒng)水容量。
2.4 三者之間的關(guān)系
系統(tǒng)水容量越大，系統(tǒng)熱容就越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定;則該系統(tǒng)越穩(wěn)定，系統(tǒng)熱容也就越大。但系統(tǒng)熱容大，卻并不表明系統(tǒng)水容量就大。因?yàn)橄到y(tǒng)在吸收或放出熱量時(shí)，系統(tǒng)溫度變化的大小，取決于系統(tǒng)的水量和所經(jīng)歷的過(guò)程。也就是說(shuō)，系統(tǒng)水溫的變化，不僅與系統(tǒng)的水量有關(guān)，還與其所經(jīng)歷的過(guò)程有關(guān)。前文所提及到的兩種現(xiàn)象，可以通過(guò)改變系統(tǒng)的水量或所經(jīng)歷的過(guò)程來(lái)改變系統(tǒng)水溫的變化，如增加系統(tǒng)水容量;改變主機(jī)的啟停參數(shù)(夏季制冷時(shí)，將回水溫度12℃設(shè)定為14℃停機(jī);冬季制熱時(shí)，將回水溫度40℃設(shè)定為38℃開(kāi)機(jī));冬季制熱時(shí)，增設(shè)輔助熱源(電加熱鍋爐、電加熱器、燃?xì)鉅t等)。
三 具體計(jì)算
從以上分析可以看出，如果想提高系統(tǒng)熱慣性、增加系統(tǒng)的熱容，可以通過(guò)以下途徑：增加系統(tǒng)水容量、增設(shè)輔助熱源、改變系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等。而改變系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，則相當(dāng)于改變了主機(jī)本身的運(yùn)行特性，因此并不可取。本文將就另外兩種途徑以定性、定量的方式分析系統(tǒng)水溫變化時(shí)，需增加的水容量和輔助熱量。
3.1 計(jì)算基本條件
① 夏季制冷、冬季制熱時(shí)壓縮機(jī)啟停次數(shù)≤6次/時(shí);
② 夏季制冷時(shí)，系統(tǒng)水溫波動(dòng)不宜過(guò)大，建議取≤5℃，即最高水溫t=12℃;
③ 冬季除霜時(shí)，系統(tǒng)水溫波動(dòng)不宜過(guò)大，建議取≤10℃，即最低水溫t=35℃;
④ 最不利除霜時(shí)間長(zhǎng)度為5分鐘;
⑤ 本文所有計(jì)算，均以系統(tǒng)水容量為參照物;
⑥ 所有單位均為國(guó)際單位。
3.2 壓縮機(jī)啟停頻繁情況
3.2.1 夏季制冷時(shí)壓縮機(jī)啟停頻繁情況夏季制冷時(shí)，系統(tǒng)所發(fā)生的冷、熱量情況如圖1所示，Q機(jī)—壓機(jī)向系統(tǒng)制冷量;Q泵—水泵向系統(tǒng)散熱量; Q管—水管向外界散冷量(含不開(kāi)啟末端設(shè)備散冷量); Q末—末端設(shè)備向系統(tǒng)散熱量;Q水—水系統(tǒng)本身溫度降低時(shí)所散出的冷量(5℃溫降或5℃溫升)。在以上能量中，Q泵、Q管、可以近似認(rèn)為0忽略不計(jì)，那么，系統(tǒng)中發(fā)生能量變化的僅為Q機(jī)、Q末、Q水三種能量。為計(jì)算方便，可以將整個(gè)過(guò)程分成兩種工況：壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的時(shí)間和壓縮機(jī)不運(yùn)行時(shí)的時(shí)間;此時(shí)Q水的能量變化為Q水溫升、Q水溫降兩種情況。兩種工況時(shí)間之和應(yīng)不小于1/6時(shí)，即10分鐘，也就是，每小時(shí)壓縮機(jī)啟停次數(shù)≤6次/時(shí)。
因水溫升和水溫降的溫差值相同，所以，Q水溫降 = Q水溫升 = Q水，上式可以簡(jiǎn)化為：
Q水≥[Q末(Q機(jī)-Q末)]/6Q機(jī)
又 G系統(tǒng)水= Q水/(1.163ΔT)
所以 G≥[Q末(Q機(jī)-Q末)]/(6.978 Q機(jī) ΔT) ⑵
由⑵式可知，當(dāng)主機(jī)制冷量一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與末端設(shè)備制冷量之和成拋物線關(guān)系;當(dāng)末端設(shè)備制冷量之和一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與主機(jī)制冷量成反比函數(shù)關(guān)系。
3.2.2 冬季制熱時(shí)壓縮機(jī)啟停頻繁情況
冬季制熱時(shí)，系統(tǒng)所發(fā)生的冷、熱量情況如圖2所示，Q機(jī)—壓機(jī)向系統(tǒng)制熱量;Q泵—水泵向系統(tǒng)散熱量;Q管—水管向外界散熱量(含不開(kāi)啟末端設(shè)備散熱量);Q末—末端設(shè)備從系統(tǒng)取熱量;Q水—水系統(tǒng)本身溫度降低時(shí)所散出的冷量(5℃溫降或5℃溫升);Q輔—輔助熱源制熱量。在以上能量中，Q泵、Q管同樣可以近似認(rèn)為0，那么，系統(tǒng)中發(fā)生能量變化的為Q機(jī)、Q末、Q水、Q輔四種能量。為計(jì)算方便，可以將整個(gè)過(guò)程分成兩種工況：壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的時(shí)間和壓縮機(jī)不運(yùn)行時(shí)的時(shí)間;此時(shí)Q水的能量變化為Q水溫升、Q水溫降兩種情況。兩種工況時(shí)間之和應(yīng)不小于1/6時(shí)，即10分鐘，也就是，每小時(shí)壓縮機(jī)啟停次數(shù)≤6次/時(shí)。計(jì)算公式如下：
1)當(dāng)Q輔-Q末>0上式可以簡(jiǎn)化為：因水溫升和水溫降的溫差值相同，所以，Q水溫降 = Q水溫升 = Q水，所以上式可以寫成：
Q水≥[(Q機(jī)+Q輔-Q末)(Q輔-Q末)]/6(Q機(jī)+2Q輔-2Q末)
又 G系統(tǒng)水= Q水/(1.163ΔT)
所以G≥[(Q機(jī)+Q輔-Q末)(Q輔-Q末)]/[6ΔT(Q機(jī)+2Q輔-2Q末)] ⑷
由⑷式可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)水容量與主機(jī)制熱量、末端設(shè)備制熱量之和及輔助熱量都有關(guān)系，且相對(duì)復(fù)雜。輔助熱量相對(duì)主機(jī)的制熱量、末端設(shè)備制熱量而言，小的很多，此工況未進(jìn)行考慮。
(2)當(dāng)Q輔-Q末<0，又水溫升和水溫降的溫差值相同時(shí)，Q水溫降 = Q水溫升 = Q水，所以⑶式可以寫成：
Q水≥[(Q機(jī)+Q輔-Q末)(Q輔-Q末)]/6/Q機(jī)
又 G系統(tǒng)水= Q水/(1.163ΔT)
所以G≥[(Q機(jī)+Q輔-Q末)(Q末-Q輔)]/(6Q機(jī) ΔT) ⑸
由⑸式可知，當(dāng)主機(jī)制熱量和輔助熱量一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與末端設(shè)備制冷量之和成拋物線關(guān)系;當(dāng)輔助熱量與末端設(shè)備制熱量之和一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與主機(jī)制熱量成反函數(shù)關(guān)系;當(dāng)主機(jī)制熱量與末端設(shè)備制冷量之和一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與輔助熱量成反拋物線關(guān)系。
3.3 冬季主機(jī)除霜時(shí)情況
3.3.1 除霜過(guò)程
主機(jī)除霜過(guò)程是制熱的逆循環(huán)，對(duì)系統(tǒng)而言，是制冷過(guò)程，向系統(tǒng)散冷。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，主機(jī)最長(zhǎng)除霜時(shí)間不宜超過(guò)5分鐘;主機(jī)除霜過(guò)程中的制冷量可以參照主機(jī)標(biāo)況下的制冷量。主機(jī)除霜前供水溫度為45℃;除霜后，最大水溫降為10℃，即最低水溫為35℃。主機(jī)除霜時(shí)，系統(tǒng)所發(fā)生的冷、熱量情況如圖2所示，Q機(jī)—壓機(jī)向系統(tǒng)制冷量;Q泵—水泵向系統(tǒng)散熱量;Q管—水管向外界散熱量(含不開(kāi)啟末端設(shè)備散熱量);Q末—末端設(shè)備從系統(tǒng)取熱量;Q水—水系統(tǒng)本身溫度降低時(shí)所散出的熱量(10℃溫降);Q輔—輔助熱源制熱量。在以上能量中，Q泵、Q管、可以近似認(rèn)為0，那么，系統(tǒng)中發(fā)生能量變化量為Q機(jī)、Q末、Q水、Q輔四種能量。計(jì)算公式如下：
又 G系統(tǒng)水=Q水/(1.163ΔT)
所以G≥(Q機(jī)+Q末-Q輔)/(1.163ΔT) ⑺
由⑺式可知，當(dāng)主機(jī)制冷量和輔助熱量一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與末端設(shè)備制熱量之和成正比關(guān)系;當(dāng)輔助熱量與末端設(shè)備制熱量之和一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與主機(jī)制冷量成正函數(shù)關(guān)系;當(dāng)主機(jī)制冷量與末端設(shè)備制熱量之和一定時(shí)，系統(tǒng)水容量與輔助熱量成反比關(guān)系。
3.3.2 除霜結(jié)果分析
由⑺式計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在主機(jī)、輔助熱源一定的情況下，隨著風(fēng)機(jī)盤管制熱量的增加，系統(tǒng)水容量也急劇上升，但是，在實(shí)際使用中，風(fēng)機(jī)盤管輸出熱量小于或略大于主機(jī)+輔助熱源的熱量。另外，住宅在使用時(shí)，白天風(fēng)機(jī)盤管開(kāi)啟率很低，在晚上，風(fēng)機(jī)盤管開(kāi)啟率一般只有10%—50%，對(duì)于別墅或大面積住宅時(shí)，只有10%—40%。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議主機(jī)制冷量小于23kW時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管的最大開(kāi)啟量為主機(jī)滿負(fù)荷的40%;主機(jī)制冷量大于23kW時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管的最大開(kāi)啟量為主機(jī)滿負(fù)荷的30%(特殊工程另計(jì))。
3.4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)
根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算，可以得到系統(tǒng)的水容量
四 總結(jié)
4.1 系統(tǒng)水容量過(guò)小或過(guò)大都不好，系統(tǒng)水容量過(guò)小，會(huì)造成系統(tǒng)熱容、系統(tǒng)熱穩(wěn)定性降低;系統(tǒng)水容量過(guò)大，會(huì)增加系統(tǒng)的惰性，延長(zhǎng)壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和造成系統(tǒng)能量的浪費(fèi)。
4.2 改變系統(tǒng)水容量是改變系統(tǒng)熱穩(wěn)定性的最直接、最根本的方法，增加輔助熱源或改變系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，僅是輔助形式。
4.3 輔助熱源可以設(shè)置在主機(jī)的入口，也可以設(shè)置在主機(jī)的出口，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇、確定。
4.4 加大系統(tǒng)水容量，既可以通過(guò)加大系統(tǒng)水管管徑，也可以通過(guò)增設(shè)系統(tǒng)閉式水箱。
4.5 輔助熱源與系統(tǒng)水容量之間沒(méi)有直接的關(guān)系，增設(shè)輔助熱源，使系統(tǒng)的水容量變化很小。輔助熱源在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以改變系統(tǒng)的熱容和熱穩(wěn)定性。
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