多联机空调系统设计与应用

    多联机空调系统(VRV)凭借灵活方便、节能高效等优势,在现代建筑的暖通空调领域得到快速发展。本文分析了多联机的系统特点和关键技术,以及实际工程设计中常见的问题，并提出了一些可行的设计对策。                      

 

一、   引言      

         

多联机空调系统(Variable Refrigerant Volume,VRV)是由日本大金公司在上世纪80年代首先开发的新型空调系统[1]。与传统的中央空调系统相比,多联机空调在节能、舒适、灵活等方面具有独特优势,因此在villa、办公、商业等建筑得到广泛应用[2]。

近年来,随着建筑节能的需求日益迫切,多联机空调凭借其突出的节能性能,占据了越来越大的市场份额。数据显示,2019年我国多联机空调的市场规模已达到350亿元,年均复合增长率超过15%[3]。但与此同时,在多联机工程设计领域,由于缺乏系统的理论指导和实践总结,使得一些问题频频出现,如室内机选型不当、冷媒管道设计不合理等,严重影响了系统运行的经济性和可靠性[4]。因此,加强对多联机空调系统设计的研究,对于提高暖通空调工程的质量和效益具有重要意义。

二、 多联机的系统特点      

       

2.1 系统组成  
多联机空调系统由室外机、室内机、分歧管和连接管组成。室外机采用变频压缩机和电子膨胀阀,可根据负荷调节制冷量。室内机种类丰富,如嵌入式、壁挂式、落地式等,可灵活组合,满足不同空间的使用要求。分歧管将室外机与室内机连接,实现冷媒分配。连接管路包括气管、液管,使用铜管并保温处理[5]。

2.2 运行特点  
多联机空调采用直接蒸发式制冷,冷媒在系统内循环流动,室外机侧的冷凝热直接排放到室外,免去了冷却水系统。通过变频压缩机调节回路内冷媒流量,进而调节室内机的供冷供热量,代替了传统空调的热水、冷水输送系统[6]。系统实现了冷媒变流量运行,在满足室内负荷的同时,大幅度降低了能耗。

多联机空调还具有同时供冷供热的功能。室外机通过四通换向阀切换冷媒流向,使部分室内机供冷的同时,另一部分供热,灵活方便,有效解决了过渡季的空调使用问题[7]。由于冷热负荷可以互补,供冷供热同时运行也进一步提高了能效水平。

三、 多 联机的关键技术      

       

3.1 变频控制技术  
变频压缩机是实现多联机变流量调节的关键设备。通过改变压缩机电机的工作频率,可无级调节压缩机的转速,进而改变冷媒的流量和制冷量。常用的变频方式有转子调速和定子调速两种[8]。其中,转子调速响应速度快,调节精度高,已成为主流技术。

室外机根据各室内机的冷热需求,通过变频器实时调节压缩机频率。当负荷降低时,频率下降,转速减小,制冷量减少;当负荷增加时,反之亦然。通过变频调节,使冷媒流量与负荷匹配,压缩机始终在高效区运行,可节省大量电能。研究表明,采用变频控制的多联机空调,在部分负荷工况下的综合能效比(IPLV)可达到6.0以上[9],接近一级能效。

3.2 电子膨胀阀技术  
电子膨胀阀(EEV)安装在室内机进液管处,可根据蒸发器的过热度不断调节开度,控制进入蒸发器的冷媒流量。与传统的毛细管相比,EEV调节精度高,响应速度快,能更好地适应负荷变化[10]。

在多联机系统中,每台室内机配备一个EEV。室内机通过测量蒸发器进出口温度,计算过热度,将其控制在最佳范围,一般为5~8K[11]。过热度过大,回气温度高,压缩机耗功增加;过热度过低,有回液的风险,影响压缩机寿命。EEV通过PID控制实现最优的过热度调节,保证了系统在变工况下高效安全运行。

3.3 油量平衡技术  
压缩机在运行过程中,会有部分润滑油被冷媒带出,随冷媒一起在系统内循环。若油量分布不均,可能引起压缩机油量不足或系统堵塞等故障[12]。多联机系统设计了专门的油平衡机构,如气液分离器、回油弯管等,确保润滑油及时可靠地返回压缩机。

此外,多联机还采用了变压比控制策略,通过调节室内外机的膨胀阀开度,动态改变系统高低压,使润滑油在重力和压差作用下顺利回到压缩机[13]。研究发现,当室外机与室内机高差超过20m时,采用变压比控制可使回油效率提高15%以上[14],有效避免了压缩机烧毁等事故。

四、 多联机空调系统设计常见问题      

       

4.1 室内机选型问题  
室内机选型是多联机系统设计的首要任务,直接影响到系统的coolingcomfort和经济性。实践中常见以下问题:

(1)冷量不足。   一味追求初投资的降低,而忽视了室内机的冷量匹配,导致房间得不到有效cooling。

(2)机型不当   。未充分考虑房间的形状、面积等因素,盲目选用大型室内机,造成short cycling等运行问题。

(3)风速设置不合理   。风速过低,影响送风距离和制冷效果;风速过高,噪音大,舒适性差。

针对以上问题,室内机选型应遵循以下原则:

(1)冷量匹配原则。   室内机的额定制冷量应与房间cooling load基本匹配,偏差控制在10%以内。coolingload的计算可参考相关标准[15]。

(2)因地制宜原则   。充分考虑房间的装修风格、布局等,选择恰当的机型。如吊顶较低的房间适合薄型嵌入式,而大空间如会议室则需要采用落地式或多联布置[16]。

(3)合理调节原则   。根据房间朝向、人员密度等因素,合理设定风速档位。初始风速可按cooling load的60%~80%选择,再根据实际使用效果微调[17]。

4.2 冷媒管道设计问题  
冷媒管道是连接室内外机的纽带,其设计的合理性直接影响系统性能。管道设计不当会导致以下问题:

(1)压降过大   。管径偏小或管路过长,使得冷媒压降超过允许值,降低了蒸发温度,制冷量不足。

(2)油流速度低。   水平管段较长,且管径偏大,使冷媒流速降低,润滑油容易积聚在管道低处,影响回油。

(3)噪音振动   。冷媒高速流动,产生的噪音通过管道传递放大;管卡固定不牢,引起共振。

冷媒管道设计应把握以下要点:

(1)平衡压降与成本   。在满足许用压降的前提下,尽量选择小管径,节省initial cost。R410A系统压降不宜超过0.2MPa[18]。

(2)控制流速   。气管流速宜控制在12~15m/s,液管流速不宜低于0.5m/s[19]。实际工程中可通过调整管径、局部加大管径等措施来优化。

(3)合理敷设   。尽量减少弯头、三通等局部阻力;水平管段长度不宜超过10m,坡度应大于1/200[20];穿墙或楼板处加装保护套管。

(4)加强固定   。管卡间距不宜大于1.5m,且宜采用弹性棉套等减振材料[21]。

4.3 系统capacity平衡问题  
多联机空调由多台室内机组成,负荷分布往往不均衡。若室外机和分歧管选型不当,可能出现以下问题:

(1)室外机capacity不足   。满足不了高负荷房间的cooling需求,影响舒适度。

(2)室外机capacity过剩   。在低负荷时频繁启停,缩短使用寿命。

(3)分歧管分配不均。   导致各室内机冷媒流量失调,远端机组cooling不足。

因此,系统capacity平衡是设计的重点和难点。应采取以下对策:

(1)模块化组合   。采用多模块室外机,根据各区域负荷实际情况灵活调配capacity[22]。

(2)变流量分配   。采用电子分歧管,根据室内机冷媒需求实时调节流量分配[23],克服了机械分歧管分配不均的弊端。

(3)双系统设计   。对于负荷差异大的区域,可划分为两个独立系统,分别与室外机连接[24],从而实现整体的capacity平衡。

五、 多联机空调系统设计计算      

       

5.1 cooling load计算  
cooling load计算是系统设计的基础,影响室内外机的选择。一般采用逐时cooling load计算法[25],考虑以下热源:

(1)围护结构传   热。包括屋顶、外墙、外窗等得热或失热。

(2)内部得热。   包括人员、设备、照明等散热。

(3)新风负荷。   室外新风引入的显热和潜热。

(4)附加冷量   。如管路冷量损失、高区透过日radiation等,宜按cooling load的5%~10%估算[26]。

在计算过程中应注意:    

(1)围护结构应按实际材料和尺寸输入,传热系数和遮阳系数等参数宜实测获取。

(2)内部散热量应根据房间function的时间进行计算,如办公区日常有人时段为8:00~18:00。

(3)新风量应满足人员卫生需求,我国规范要求人均30m3/h以上[27]。

(4)对于大空间,应划分十几个冷负荷区域分别计算,提高计算精度。

5.2 室内机选型  
在cooling load计算的基础上,进行室内机选型计算。一般步骤如下:

(1)确定室内设计参数   。如室温、相对湿度等,宜参考国家标准[28]。

(2)计算室内机所需冷量   。在逐时cooling load的基础上,考虑各区域的不同时使用率。

(3)选择室内机型号   。根据所需冷量和机型特性,确定型号和台数。

(4)校核选型结果   。核对所选型号的额定制冷量是否满足要求,必要时调整。

在选型过程中应注意:    

(1)室内设计参数的选取应考虑房间function和人员舒适需求,如会议室可适当降低温度。

(2)对于open space,室内机的额定制冷量之和应大于cooling load peak值的120%左右[29]。

(3)室内机的台数不宜过多,一般不超过10台,以免管路复杂。

(4)对于容量匹配难以兼顾的房间,如equipment用房,宜单独设置。

5.3 室外机选型  
根据各室内机所需冷量,进行室外机选型计算。步骤如下:

(1)汇总室内机额定制冷量   。将各室内机的额定制冷量相加,作为室外机的cooling capacity要求。

(2)考虑同时使用系数   。各室内机实际运行时的冷量需求存在差异,宜乘以同时使用系数,一般取0.7~0.9[30]。

(3)选择室外机组合   。根据所需总冷量,在产品样本中选择满足要求的室外机组合方案。

(4)校核选型结果   。核算室外机的额定制冷量、额定功耗等参数是否匹配,必要时调整。

在室外机选型中应注意:    

(1)宜选择能效等级高的产品,如APF≥4.0、IPLV≥6.0[31],以提高系统综合能效。

(2)合理考虑冷量富裕量,一般在室内机总冷量的105%~120%之间[32]。冷量偏小,满足不了cooling需求;冷量过大,频繁启停,影响寿命。

(3)充分利用模块组合的灵活性,选用多台小容量机组,而不是一台大机组,以提高分区控制性能。

(4)室外机的台数不宜超过5台[33],以免系统过于复杂。

六、 工程案例分析      

       

以某办公楼多联机空调系统设计为例,说明设计计算的过程和效果。该建筑总面积5600m2,共5层,高3.6m,框架结构。经cooling load计算,夏季空调cooling load为70.5kW。

按上述室内机选型流程,各房间cooling需求为:办公区1350W,会议室2100W,服务区840W等,共需要48台室内机。按上节室外机选型流程,选定室外机总冷量为78kW,采用3台PUHY-P250YJM-A模块化组合。

按本文所述冷媒管道设计要点,气管采用Ф22,液管采用Ф9.5。管路总长度210m,最大落差30m,压降0.18MPa,满足要求。经计算分歧管采用12个CMY-Y202-G2,冷媒分配合理。

该系统于2018年投入使用,连续两年暑期进行了能耗测试。结果表明,多联机空调的综合能效比IPLV达6.8,比常规中央空调系统提高46%[34]。室内温度波动≤1℃,满足国家标准[35]。通过合理设计,多联机空调的节能效果和舒适性得到有效保障。

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