户式水系统中央空调的研究与分析

　　一、几个概念及其关系
　　为了研究和叙述方便，有必要首先先容几个概念和它们之间的关系。
　　1.1 热容：
　　通常而言，物体升高1℃或降低1℃所吸收或放出的热量，我们称之为此物体的热容。相应的，以水管式户式中心空调系统的水为研究对象，将其升高1℃或降低1℃所吸收或放出的热量，称之为水管式户式中心空调系统热容，简称系统热容。根据热容特性可以知道：吸收或放出的热量越大，说明系统的热容越大，系统的热稳定性也越高;反之，吸收或放出的热量越小，说明系统的热容越小，系统的热稳定性也越低。
　　1.2系统热稳定性：
　　指单位时间内，在热干扰作用下，水系统本身的温度波动的大小。单位时间内，在单位热量干扰作用下，水系统温度波动越小，说明水系统热稳定性越好;反之，说明水系统热稳定性越差。
　　1.3 系统水容量：
　　我们把户式中心空调系统中所储水的总和称之为系统水容量。
　　1.4 三者之间的关系
　　系统水容量越大，系统热容就越大，系统越稳定;则该系统越稳定，系统热容也就越大。但系统热容大，却并不表明系统水容量就大。由于系统在吸收或放出热量时，系统温度变化的大小，取决于系统的水量和所经历的过程。也就是说，系统水温的变化，不仅与系统的水量有关，还与其所经历的过程有关。前文所提及到的两种现象，可以通过改变系统的水量或所经历的过程来改变系统水温的变化，如增加系统水容量;改变主机的启停参数(夏季制冷时，将回水温度12℃设定为14℃停机;冬季制热时，将回水温度40℃设定为38℃开机);冬季制热时，增设辅助热源(电加热锅炉、电加热器、燃气炉等)。
　　二、具体计算
　　从以上分析可以看出，假如想进步系统热惯性、增加系统的热容，可以通过以下途径：增加系统水容量、增设辅助热源、改变系统运行参数等。而改变系统运行参数，则相当于改变了主机本身的运行特性，因此并不可取。本文将就另外两种途径以定性、定量的方式分析系统水温变化时，需增加的水容量和辅助热量。
　　2.1 计算基本条件
　　① 夏季制冷、冬季制热时压缩机启停次数≤6次/时;
　　② 夏季制冷时，系统水温波动不宜过大，建议取≤5℃，即最高水温t=12℃;
　　③ 冬季除霜时，系统水温波动不宜过大，建议取≤10℃，即最低水温t=35℃;
　　④ 最不利除霜时间长度为5分钟;
　　⑤ 本文所有计算，均以系统水容量为参照物;
　　⑥ 所有单位均为国际单位。
　　2.2 压缩机启停频繁情况
　　2.2.1 夏季制冷时压缩机启停频繁情况夏季制冷时，系统所发生的冷、热量情况如图1所示，Q机—压机向系统制冷量;Q泵—水泵向系统散热量; Q管—水管向外界散冷量(含不开启末端设备散冷量); Q末—末端设备向系统散热量;Q水—水系统本身温度降低时所散出的冷量(5℃温降或5℃温升)。在以上能量中，Q泵、Q管、可以近似以为0忽略不计，那么，系统中发生能量变化的仅为Q机、Q末、Q水三种能量。为计算方便，可以将整个过程分成两种工况：压缩机运行时的时间和压缩机不运行时的时间;此时Q水的能量变化为Q水温升、Q水温降两种情况。两种工况时间之和应不小于1/6时，即10分钟，也就是，每小时压缩机启停次数≤6次/时。
　　因水温升和水温降的温差值相同，所以，Q水温降 = Q水温升 = Q水，上式可以简化为：
　　Q水≥[Q末(Q机-Q末)]/6Q机
　　又 G系统水= Q水/(1.163ΔT)
　　所以 G≥[Q末(Q机-Q末)]/(6.978 Q机 ΔT)　　　　　　 ⑵
　　由⑵式可知，当主机制冷量一定时，系统水容量与末端设备制冷量之和成抛物线关系;当末端设备制冷量之和一定时，系统水容量与主机制冷量成反比函数关系。
　　2.2.2 冬季制热时压缩机启停频繁情况
　　冬季制热时，系统所发生的冷、热量情况如图2所示，Q机—压机向系统制热量;Q泵—水泵向系统散热量;Q管—水管向外界散热量(含不开启末端设备散热量);Q末—末端设备从系统取热量;Q水—水系统本身温度降低时所散出的冷量(5℃温降或5℃温升);Q辅—辅助热源制热量。在以上能量中，Q泵、Q管同样可以近似以为0，那么，系统中发生能量变化的为Q机、Q末、Q水、Q辅四种能量。为计算方便，可以将整个过程分成两种工况：压缩机运行时的时间和压缩机不运行时的时间;此时Q水的能量变化为Q水温升、Q水温降两种情况。两种工况时间之和应不小于1/6时，即10分钟，也就是，每小时压缩机启停次数≤6次/时。计算公式如下：
　　1)当Q辅-Q末>0上式可以简化为：因水温升和水温降的温差值相同，所以，Q水温降 = Q水温升 = Q水，所以上式可以写成：
　　Q水≥[(Q机+Q辅-Q末)(Q辅-Q末)]/6(Q机+2Q辅-2Q末)
　　又 G系统水= Q水/(1.163ΔT)
　　所以G≥[(Q机+Q辅-Q末)(Q辅-Q末)]/[6ΔT(Q机+2Q辅-2Q末)]　　　　　　 ⑷
　　由⑷式可以发现，系统水容量与主机制热量、末端设备制热量之和及辅助热量都有关系，且相对复杂。辅助热量相对主机的制热量、末端设备制热量而言，小的很多，此工况未进行考虑。
　　(2)当Q辅-Q末<0，又水温升和水温降的温差值相同时，Q水温降 = Q水温升 = Q水，所以⑶式可以写成：
　　Q水≥[(Q机+Q辅-Q末)(Q辅-Q末)]/6/Q机
　　又 G系统水= Q水/(1.163ΔT)
　　所以G≥[(Q机+Q辅-Q末)(Q末-Q辅)]/(6Q机 ΔT)　　　　　　 ⑸
　　由⑸式可知，当主机制热量和辅助热量一定时，系统水容量与末端设备制冷量之和成抛物线关系;当辅助热量与末端设备制热量之和一定时，系统水容量与主机制热量成反函数关系;当主机制热量与末端设备制冷量之和一定时，系统水容量与辅助热量成反抛物线关系。
　　2.3 冬季主机除霜时情况
　　2.3.1 除霜过程
　　主机除霜过程是制热的逆循环，对系统而言，是制冷过程，向系统散冷。根据实际经验，主机最长除霜时间不宜超过5分钟;主机除霜过程中的制冷量可以参照主机标况下的制冷量。主机除霜前供水温度为45℃;除霜后，最大水温降为10℃，即最低水温为35℃。主机除霜时，系统所发生的冷、热量情况如图2所示，Q机—压机向系统制冷量;Q泵—水泵向系统散热量;Q管—水管向外界散热量(含不开启末端设备散热量);Q末—末端设备从系统取热量;Q水—水系统本身温度降低时所散出的热量(10℃温降);Q辅—辅助热源制热量。在以上能量中，Q泵、Q管、可以近似以为0，那么，系统中发生能量变化量为Q机、Q末、Q水、Q辅四种能量。计算公式如下：
　　又 G系统水=Q水/(1.163ΔT)
　　所以G≥(Q机+Q末-Q辅)/(1.163ΔT)　　　　　　⑺
　　由⑺式可知，当主机制冷量和辅助热量一定时，系统水容量与末端设备制热量之和成正比关系;当辅助热量与末端设备制热量之和一定时，系统水容量与主机制冷量成正函数关系;当主机制冷量与末端设备制热量之和一定时，系统水容量与辅助热量成反比关系。
　　2.3.2 除霜结果分析
　　由⑺式计算可以发现，在主机、辅助热源一定的情况下，随着风机盘管制热量的增加，系统水容量也急剧上升，但是，在实际使用中，风机盘管输出热量小于或略大于主机+辅助热源的热量。另外，住宅在使用时，白天风机盘管开启率很低，在晚上，风机盘管开启率一般只有10%—50%，对于别墅或大面积住宅时，只有10%—40%。根据实际经验，建议主机制冷量小于23kW时，风机盘管的最大开启量为主机满负荷的40%;主机制冷量大于23kW时，风机盘管的最大开启量为主机满负荷的30%(特殊工程另计)。
　　2.4 计算结果统计
　　根据以上公式进行计算，可以得到系统的水容量
　　三 结论
　　3.1 系统水容量过小或过大都不好，系统水容量过小，会造成系统热容、系统热稳定性降低;系统水容量过大，会增加系统的惰性，延长压机运转时间和造成系统能量的浪费。
　　3.2 改变系统水容量是改变系统热稳定性的最直接、最根本的方法，增加辅助热源或改变系统运行参数，仅是辅助形式。
　　3.3 辅助热源可以设置在主机的进口，也可以设置在主机的出口，应结合实际情况进行选择、确定。
　　3.4 加大系统水容量，既可以通过加大系统水管管径，也可以通过增设系统闭式水箱。
　　3.5 辅助热源与系统水容量之间没有直接的关系，增设辅助热源，使系统的水容量变化很小。辅助热源在系统运行时可以改变系统的热容和热稳定性。