（工程热物理专业论文）户式中央空调系统的优化研究.pdf

，l鼍，潍| ， 蠢。 气 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文户式中央空调系统的优化研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盐聋里 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：搬 e l 期：羔! ! ：芝f o 导师签名： ，4 6 | o 芦 如 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文介绍了户式中央空调系统的特点及各系统方案的性能；以某实际工程为 例，对所选六种户式中央空调系统方案进行了系统设计及设备选型；采用当量满负 荷运行时间法对各系统能耗进行了计算；综合考虑经济效益、节能效益和环境效益 三个方面，建立了户式中央空调系统的综合评价体系，并计算了各项评价指标值。 最后，选用灰色多层次综合评价法，并采用经济、节能、环保和可靠性等评价指标， 建立了户式中央空调系统评价的数学模型，对所选户式中央空调系统各方案进行了 优化，确定了最优方案。 关键词：户式中央空调系统，能耗，灰色综合评价法，优化 a b s t r a c t t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo fe a c hs c h e m ef o rr e s i d e n t i a lc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ma r es u m m a r i z e da n di n t r o d u c e d t a k eac a s ea sa ne x a m p l e ，t h e s y s t e m so fs i xr e s i d e n t i a lc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gs c h e m e sa r ed e s i g n e da n dt h ee q u i p m e n t s a r es e l e c t e d ；b yu s i n gt h em e t h o do fe q u i v a l e n tw e i g h tf u l ll o a do p e r a t i o nt i m e ，t h e a n n u a le n e r g yc o n s u m p t i o no fe a c hs c h e m ea r ec a l c u l a t e d m e a n w h i l e ，as e r i e so f e v a l u a t ei n d e x e sa r eg i v e nf r o mt h ei n t e g r a t e dv i e w p o i n to fe c o n o m i cb e n e f i t s ，e n e r g y e f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ev a l u e so ft h ee v a l u a t ei n d e xa r ec a l c u l a t e d f i n a l l y ，c o n s i d e r i n ge c o n o m y ，e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dr e l i a b i l i t ya s i n d e x e s ，t h em a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a l y z ea n dv a l u ee a c hs c h e m e sb y u s i n gt h et h e o r yo fg r e yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h eo p t i m a ls c h e m ei ss e l e c t e df r o m s e v e r a ls c h l 奠n e so fr e s i d e n t i a lc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s y a n gh u a y i ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s ic s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w e ib i n g k e yw o r d s ：r e s i d e n t i a lc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，e n e r g yc o n s u n j j i o n ， g r a yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，o p t i m i z a t i o n k ? e ， 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义l 1 2 户式中央空调的国内外研究现状2 1 2 1 户式中央空调的国外研究现状2 1 2 2 户式中央空调的国内研究现状3 1 3 本课题的提出5 1 4 本文主要研究工作5 1 5 本章小结5 第二章户式中央空调系统的组成及性能分析6 2 1 户式中央空调系统的特征6 2 2 各类户式中央空调系统的性能分析6 2 2 1 空气源热泵系统。6 2 2 2 户式燃气空调系统8 2 2 3 风冷冷水机组+ 热源系统9 2 2 4 水环热泵系统1 0 2 2 5 地源热泵系统：1 2 2 2 6 太阳能热泵系统1 4 2 3 本章小结：1 5 第三章户式中央空调方案的选择及能耗计算1 6 3 1 工程实例1 6 3 2 系统方案的选择及设备选型1 6 3 3 能耗计算1 9 3 3 1 能耗计算方法的选择1 9 3 3 2 当量满负荷运行时间法介绍2 0 3 3 3 实例计算2 2 3 3 3 1 建筑物全年负荷计算2 3 3 3 3 2 各方案全年能耗计算及分析2 5 3 4 本章小结2 7 第四章户式中央空调系统的评价体系2 8 4 1 经济效益评价2 8 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 1 技术经济指标2 8 4 1 2 热经济学分析j 2 9 4 1 2 1 热经济学模式3 0 4 1 2 2 两个子系统的热经济学模型3 0 4 1 2 3 空调系统热经济学模型的建立及火用分析3 2 4 2 节能效益评价3 4 4 3 环境效益评价3 5 4 4 实例计算及分析3 5 4 4 1 各方案的经济性3 6 4 4 2 各方案的节能性4 2 4 4 3 各方案对环境的影响4 3 4 5 本章小结4 3 第五章基于灰色多层次综合评价法的户式中央空调方案优化4 4 5 1 优化方法的选择4 4 5 2 灰色多层次综合评价法4 5 5 2 1 层次分析法4 5 5 2 2 灰色关联分析法4 5 5 3 户式中央空调系统的评价模型4 5 5 4 灰色多层次综合评价的数学模型4 6 5 5 实例计算及分析4 9 5 6 本章小结5 1 第六章结论与展望5 2 6 1 结论5 2 6 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 附录5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 0 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 自空调行业在我国诞生以来，一直是家用空调器和中央空调二分天下。这两类 空调各有所长，家用空调是小面积住宅的宠儿，中央空调则受到大型建筑的青睐。 随着社会的进步，人民生活水平的不断提高及住宅建筑的发展，大面积多居室的单 元房、复式住宅、别墅和高档商住楼大量出现，住宅空调迅速普及，人们对居室装 潢布置的要求及品位越来越高，对空调的舒适性及空气品质的要求也越来越高。传 统的家用分体式空调的高能耗和舒适性差等缺点显然不能满足现代人们对家用空 调节能舒适的要求，介于中央空调和家用分体式空调器之间的带有新风系统的户式 中央空调应运而生，该项技术已经取得了突破性进展，因此具有非常可观的发展潜 力和应用前景，成为了当前空调业发展的新宠。 我国的人均能源拥有量相对较少，建筑能耗现已占社会总能耗的2 0 , - , 3 0 ，空 调能耗又占建筑能耗的5 0 6 0 。随着我国建筑业快速发展，平均每年新建城乡房 屋约1 2 亿m 2 ，需要大量的建筑耗能，尤其是采暖和空调耗能在不断扩大。在世界 发达国家，其建筑能耗占总能耗的比例更高，约为3 0 0 o - 4 0 。因此，建筑节能是世 界各国共同面临的重大问题，这就迫切要求我国在户式中央空调的发展中必需注重 节能性，加强空调系统优化，提高对能源的综合利用。同时，充分利用风能、太阳 能等可再生能源，紧跟能源结构调整的步伐。建筑节能的措施很多，根据建筑物自 身特点，选择适宜供暖、供冷的空调系统是极其重要的。 户式中央空调是针对每一户住宅定义的，具有分户的独立性。户式中央空调单 台制冷量范围大致在7 8 0 k w ，可满足8 0 6 0 0 m z 之间的各种户型( 多居公寓、复式 公寓、别墅、小型办公楼、小型商业用房等) 多个房间的空调要求。它是由l 台主 机通过风道送风或冷媒带动多个室内机的方式，来控制不同的房间以达到调节室内 空气的目的。户式中央空调为中、高档社区提供了良好的人居环境保障，安装户式 中央空调系统是对健康的一种投资。目前，户式中央空调在我国工程应用中主要有 风管式空调系统、冷热水空调系统、制冷剂空调系统等几种形式。不同的形式，其 冷热源类型及空调末端装置是不同的，并且其初投资、运行费用以及对环境的影响 差别很大【l 】，所以对户式中央空调系统的经济性、节能性和环保性进行探讨，从中 找到一个最经济、节能的方案是十分必要的。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 户式中央空调的国内外研究现状 1 2 1 户式中央空调的国外研究现状 国外对户式中央空调的研究和应用较早，在欧美、新加坡、日本等国家及地区 其早己成为一个较为成熟的产业。欧美、日本的公寓、住宅、别墅均已普遍使用， 尤其是美国和日本更是走在了世界的前列。据有关资料统计数据表明：美国的户式 中央空调约占其家庭空调的2 3 ；在日本，户式中央空调在城市居民中的拥有率也 已经达到到了1 5 以上。 美国是世界第一经济大国，人民生活水平较高，人们对居住的舒适性、健康性 及室内空气品质要求也较高，这些都促进了该国户式中央空调的使用普及率。美国 由于经济发达，人口密度相对较小，其住宅条件较为优越，很大一部分是别墅型住 宅，具有宽敞、高大的特点。由于其层高较高，具有足够的建筑空间用于布置风道， 因此在美国，风管式系统在户式中央空调中所占的比重相当大。 美国的j e f f b i d d l e 阐述了从2 0 世纪5 0 年代中期到1 9 8 0 年户式中央空调的发展， 指出地理差异和人民日益增长的收入是户式中央空调普及的主要因素【2 1 。c b c h i o u 等用模糊控制理论分析了户式中央空调系统的节能问题，结果表明应用模糊控制理 论可以有效的实现系统的节能，并且其温度控制是稳定的，即使热负荷发生变化， 模糊控制系统也可以使空调在稳定的状态下运行【3 】。s c s e k h a r 和a h l i m 研究了 应用制冷剂空调系统的建筑物中的室内空气品质和能源问题，并将制冷剂空调系统 的主要性能参数如通风指数、换气效率与传统的中央空调系统进行了比较。研究结 果得出将室外新风引入风机盘管再送入室内的设计优于将新风直接送入室内【们。 日本在户式中央空调的发展过程中，则充分利用了自己在冷剂式空调行业的技 术优势，走的是一条“氟系统 为主的发展道路。同样，日本的户式中央空调也以 冷剂式空调即v r v 系统( 包括一拖多) 为主。1 9 8 2 年，日本大金工业株式会社开发 日本最早的国产v r v 空调系统。1 9 9 5 年，在空调行业率先向市场推出采用摆动式 压缩机，提高节能效果的小型家用空调机。而后又推出利用夜间电力提高节电效果 的冰蓄能式v r v 空调系统。“大金 在v r v 的基础上又开发了超级v r v ，“功 能机”和油位控制技术的采用，使一个系统的最大容量可达约8 4 k w ，最多可连接 室内机3 0 台；可将多达3 台的室外机集中使用一组制冷管路。这样，即使在一台 室外机出故障时，也能避免系统全部关闭：由于一套组合管道的使用，管道作业的 成本降低了2 5 3 0 ，节省了管道占用空间的7 0 t 引。 户式中央空调系统的控制技术，至今已取得了显著的进步。日本空调界现在所 关注的问题主要集中在减少空调系统对环境的污染，加速空调系统可持续发展的技 2 豢 妻 量 置_ 嚣 华北电力大学硕士学位论文 术开发方面。首先，削减氟里昂的使用量。现在小型空调系统的制冷剂主要采用 h c f c 2 2 ，由于削减计划的逐渐实施，替代制冷剂大多偏向于采用混合工质方案， 但关于采用新工质制冷系统的控制问题的研究仍属空白。其次，解决变频系统电磁 兼容性问题。高次谐波会降低空调系统的功率因数，造成配电系统的容量增大。对 此方面的研究虽已取得了一定进展，但仍未达到理想的效果。再者，提高节能效果。 家庭和办公室，其空调系统的能耗占绝大部分。空调系统的节能，不仅要提高单台 设备的能源利用率，而且应对整栋大楼的空调设备进行综合控制和管理，以提高节 能效果【6 1 。 1 2 2 户式中央空调的国内研究现状 我国户式中央空调的发展，始于2 0 世纪9 0 年代中后期。1 9 9 9 年，范新率先在 国内提出了“户式中央空调”的概念，清华同方即于当年推出产品，打破了传统空 调与家用空调的界限，实现了我国空调产品结构的重大突破，并由此在国内开创了 一个全新的产品市场，引领了一种全新的生活方式。2 0 0 1 年“清华同方户式中央空 调系统 通过了北京市科委组织的专家鉴定。该系列产品经过系统优化设计，采用 流量平衡技术，具有较高能效比，噪声优于相关行业标准要求：较好地解决了热泵 机组冬季除霜问题；主要性能指标达到国际同类产品先进水平。由于用户可根据喜 好选配各种末端装置，并实行单独的有效控制( 室内遥控、远程遥控、变频运行) 而受到欢迎。2 0 0 3 年，成功推出拥有自主知识产权的e h r v 网络变频户式中央空调， 既可以网络远程控制，又可根据用户实际需要，自动调整运行状态。据悉，北京的 “望京小区 、“万泉新家园 、“紫竹花园 等著名房地产开发项目均采用了清 华同方户式中央空调产品，上海也出现了越来越多的房地产商要求购买户式中央空 调的势头。 由于我国国情和户式中央空调的系统形式等方面与其他国家不同，因此，应当 结合我国自身的特点，在仔细分析我国具体国情的基础上，研究适合我国实际情况 的户式中央空调系统。经过多年努力，我国的学者在户式中央空调的选型设计、改 善系统稳定性、空调系统的末端控制和冷源的一次能耗比较等方面做了深入的研 究。如东南大学夏焱对各种户式中央空调系统的组成及特点做了比较分析，认为小 型风冷热泵冷热水机组最适合我国国情，应用最为广泛r 7 1 。刘耀斌等把风管式机组 作为我国户式中央空调的发展方向【8 1 。谭波等针对目前国内普通多层住宅楼普谝存 在的层高低、居室空间小等特点，就风管式家用中央空调在安装和使用中存在的风 管安装困难，不易实现分区独立制冷和控制等问题，进行了一定的理论和实际探索， 并提出了设计思路供参考一】。 王长庆等对不同冷源的一次能源利用效率进行了比较，并且比较了它们对环境 3 华北电力大学硕士学位论文 影响的情况，指出在选择冷源时应综合考虑初投资、运行费用并结合一次能源利用 率和对环境影响等因素，从而选择经济性好、效率高、对环境污染小的冷源【1 0 】。 周积芳等提出地源热泵技术应用于户式中央空调的可行性，并结合工程实例给 予了技术性和经济性分析【1 1 】。邵宗义等提出“三个区域 发展理论，对我国不同区 域采用不同户式中央空调方案进行了分析研究。 郑慧凡等在分析常用户式中央空调形式基础上，指出了夏热冬冷地区应该优先 发展太阳能热泵和地源热泵系统，并对设计和施工阶段的一些注意事项进行了分 析，为户式空调系统的发展和选择提高了理论支持【1 2 】。 陈爱东等通过分析户式中央空调系统的特性，探讨了影响户式中央空调系统热 稳定性的因素和改善稳定性的设计措施；给出了系统稳定性的判别方法和计算公 式，为合理确定系统水容量提供了参考依据【”】。 山东大学李高建以风机盘管户式中央空调为对象，研究了一种智能控制器、新 风控制、c o 报警器等，通过单片微型计算机对风机盘管空调器进行控制。认为采 用模糊控制方法能较好地解决传统控制方法存在的不能实现完全自动控制、耗电量 大、温度波动大等问题，实现风机速度和冷媒流量无级调节，降低能耗【1 4 】。 虽然我国的户式中央空调发展迅速并且在空调系统方面的研究取得了一定的 成绩，但由于我国关于户式中央空调的研究起步较晚，仍存在需要完善的地方。较 为显著的问题之一是我国对户式中央空调需求的多样化、多层次性。因此，在研究 和设计过程中，应针对我国的用户开发出适合我国国情的户式中央空调系统。发展 我国的户式中央空调应充分考虑以下因素： ( 1 ) 我国地域广阔，地理、气候条件差异很大，拥有多种多样的气候类型， 这就要求户式中央空调具有多样性。另外，我国经济发展水平地区差异性大，不同 的地区人们对户式中央空调的需求不一样。如何根据不同的气候特征选择合适的空 调形式，如何针对不同层次的用户设计不同形式的户式中央空调，是发展户式中央 空调应首先考虑的问题。 ( 2 )从能源的角度来看，我国虽然能源总量很大，但由于人口众多，人均能 源拥有量不高，能源供应相对较为紧张。而住宅空调在目前的能源消耗结构中占的 比重很大，这就要求我国户式中央空调的发展必需注重节能性，一方面要注重提高 机组本身的能效比，另一方面要注重能源的综合利用。 ( 3 ) 从环境的角度来看，目前我国环境污染的问题较为严重，许多城市出现 了诸如“热岛效应 、空气污染等现象。考虑这些问题，就要求所开发的户式中央 空调必须具有环保的特点，把对环境的影响尽量减少到最小；另外要充分考虑到环 境污染对空调系统的性能带来的影响，并进行相应的设计。 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 户式中央空调的发展离不开对技术的掌握。要研究和开发适合中国国情 的户式中央空调系统，必须掌握一些关键技术，主要包括：蓄冷热技术、防冻技 术、压缩机变容技术、先进的除霜技术、降噪技术以及变流量技术( 变制冷剂流量、 水量和风量) 等。只有掌握了这些关键技术，户式中央空调才能真正达到舒适、节 能、健康的目的。 1 3 本课题的提出 根据向空调房间输送的介质不同以及空调所用冷、热源的不同，户式中央空调 系统可分为多种形式。不同的形式，其初投资、运行费用、能源利用率以及对环境 的影响存在很大差异，所以对户式中央空调系统的经济性、节能性及环保性进行分 析和研究，从中找到一个最经济、节能的方案是十分必要的。 1 4 本文主要研究工作 本文以户式中央空调系统为研究对象， ( d 介绍户式中央空调系统的特征， 理。 对其进行优化研究，主要内容如下： 并分析各系统方案的主要特性和工作原 ( 2 )以某实际工程为例，对所选的六种户式中央空调系统方案进行系统设计 及设备选型，并采用当量满负荷运行时间法，对各系统进行全年能耗计算。 ( 3 ) 从经济效益( 包括技术经济和热经济指标) 、节能效益和环境效益三方 面进行考虑，建立户式中央空调系统的综合评价体系，计算各项评价指标值。 ( 4 ) 对几种优化方法进行分析比较，选用灰色多层次综合评价法，并采用经 济、节能、环保和可靠性等指标，建立户式中央空调系统评价的数学模型，对所选 户式中央空调系统方案进行优化，确定最优方案。 1 5 本章小结 ( 1 )阐述了本文的研究背景，得出了户式中央空调系统方案优化是节能环 保、优化能源结构和实现可持续发展的重要途径之一。 ( 2 ) 介绍了户式中央空调在国内外的发展和研究现状及其在我国具有的发 展潜力。 ( 3 )明确了本文的研究目的和工作。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章户式中央空调系统的组成及性能分析 2 1 户式中央空调系统的特征 户式中央空调又称为家用中央空调、户用中央空调、家用商用中央空调。它 是针对每一户住宅定义的，具有分户的独立性。户式中央空调单台制冷量范围大致 在7 8 0 k w ，可满足8 0 6 0 0 m 2 之间的各种户型( 多居公寓、复式公寓、别墅、小型 办公楼、小型商业用房等) 多个房间的空调要求。它是由l 台主机通过风道送风或 冷媒带动多个室内机的方式，来控制不同的房间以达到调节室内空气的目的。户式 中央空调系统主要有以下特点： ( 1 ) 采用集中空调的设计方法，送风量大，送风温差小，房间温度均匀。送 风方式多样化，可以实现多种送风方式，能够根据房型的具体情况制定不同的方案， 增强人体的舒适性。 ( 2 ) 夏季制冷机组运行，向空调房间供冷；冬季可以使用热泵空调机组向室 内供暖，也可以安装小型壁挂式燃气热水器作为热源，使用热水盘管向室内供暖； 在春秋过渡季节可以直接送新风，达到节能、舒适的效果。 ( 3 ) 能真正实现一台机组，多个房间同时享用的功能，室外主机可放置在阳 台和屋顶，不会破坏建筑的整体造型。 ( 4 ) 户式中央空调所面对的消费群体主要是家庭住宅、别墅、宾馆、写字楼 等。由于用户使用环境的多样性决定了户式中央空调室内机形式的多样性，用户可 根据自己的需求任意选择不同形式的室内机。如柜式、壁挂式、嵌入式、吊顶式等。 ( 5 ) 每个房间均可实现单独控制，温度自行设定，使用灵活，管理方便。 ( 6 ) 每户独立系统，调节方便，互不影响，可实现分户计量，收费简单，切 实可行。 由于户式中央空调具有上述优点，因此，受到了广大用户的欢迎与青睐，应用 也越来越广泛。 2 2 各类户式中央空调系统的性能分析 2 2 1 空气源热泵系统 空气源热泵是以空气作为高温( 低温) 热源来进行供热( 供冷) 的装置，可充 分利用大气环境中的低温能源，对使用地区基本不产生污染，是一种节能、环保的 绿色空调技术。近几年，空气源热泵空调系统在国内外的应用日益增多，可用于新 6 华北电力大学硕士学位论文 建和改建建筑的大型空调工程以及户式中央空调中。它除了节能外，还具有以下主 要特点： 。( 1 )以环境空气作为低位热源，可以取之不尽、用之不竭，随时随地可以利 用，是热泵的优良低位热源之一。 ( 2 ) 使用方便，设备利用率高，既可在夏天供冷，又可在冬天回收和利用低 位热能供热，不需另设锅炉房，对城市建设有利。 ( 3 ) 省去了由冷却塔、水泵及管道组成的冷却水系统，节约工程投资，主机 可置于屋顶，不占有效面积，设备安装方便。 ( 4 ) 受室外环境影响大，一般在室外空气温度下降到5 c 时，机组供热量为 额定制热量( 室外空气干球温度7 ，湿球温度6 c t 况下) 的6 0 7 0 ，其使用 效率明显降低，当供热量小于建筑的热负荷时，需设置适当的辅助热源。 用于户式中央空调系统的风冷热泵型冷热水机组，其室外机一般由压缩机、冷 凝器、蒸发器、循环水泵组成。冷热水系统以水为输送介质，主机产生空调冷热 水，由循环水泵将冷水或热水送至空调房间的末端装置；在末端装置处冷热水与 室内空气进行热量交换，产生冷热风，从而实现空调房间的夏季制冷和冬季供暖。 该系统的末端装置通常为风机盘管。室内温控开关可以控制风机转速和三通调节阀 开关，用于调节送入室内的冷热量，实现对每个空调房间的独立控制和调节，满足 各个房间不同的个性化空调需求。空气源热泵系统简图见图2 1 。 在寒冷地区，冬季室外温度较低，根据夏季冷负荷选用的冷热水机组，冬季供 热量常常不能满足冬季热负荷的要求，此时应考虑选用辅助加热装置来增加供热 量。辅助加热装置可以是燃气炉、燃油炉或电加热装置。 1 一空气源热泵型冷热水机组 2 一空调末端设备3 一自动补水阀 图2 - 1 空气源热泵系统简图 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 户式燃气空调系统 户式燃气空调是近年来发展起来的空调系统。它由室外机和室内机两大部分组 成。室外机即该空调系统中的冷( 热) 源设备部分，它采用直燃型溴化锂吸收式制 冷( 热) 循环原理，向住宅或建筑内提供空调冷水、供暖热水和卫生热水，通过管 线系统与室内机( 各种空调末端装置) 相连，抵达需要的房间。户式燃气空调系统 简图见图2 - 2 。 l 一户式燃气空调机组2 一高位膨胀水箱3 一空调末端设备 图2 - 2 户式燃气空调系统简图 户式燃气空调采用清洁能源燃气作为空调的燃料，属环保产品，对大气环 境污染较小，目前深受世界各国的重视。户式燃气空调系统属冷热水空调系统中的 一种，但与空气源热泵型冷热水机组不同的是户式燃气空调系统在提供空调的同 时，还可以提供生活热水，为人们的生活带来了方便。该系统的特点主要包括： ( 1 ) 采用清洁的天然气为驱动能源，符合城市环保的要求，减少大气污染。 ( 2 ) 采用热力制冷，取代部分电力制冷，有利于城市夏季空调用电负荷的缓 解；且又填补了夏季城市燃气使用的低谷，达到能源结构和使用的合理分配。 ( 3 ) 除夏季制冷、冬季供暖外，还可提供生活热水，省去了额外的生活热水 器。 ( 4 )采用室外机与空调末端装置的室内机系统分离式设置，室内环境安静、 舒适、调控方便。室内冷、热水管路系统属低压水系统，对管材、接头元件无特殊 要求，可做到绝对密封，确保全系统无泄漏。 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 应用范围广。系统能灵活地满足建筑物各个区不同的制冷和供热的需 要。适应气候范围：夏季室外干球温度9 5 ，冬季室外干球温度之一3 0 ( 2 。因此，在 实际应用中基本上不受地理位置的影响，理论上适合各类建筑，应用范围比较广泛。 2 2 3 风冷冷水机组+ 热源系统 风冷冷水机组只能提供空调用冷水，只能适用于冬季不需要供暖的冬暖夏热地 区或其它地区的夏季使用。风冷冷水机组通常由四大部件组成：蒸发器、冷凝器、 压缩机及热力膨胀阀。目前，风冷冷水机组以其无冷却水系统、不占用机房面积、 安装维护容易和自控程度高等优点，越来越受到用户的欢迎。随着风冷制冷机的不 断完善，该机组的使用将会逐步增加。风冷冷水机组+ 热源系统组成的复合系统， 能适用于寒冷地区和严寒地区，常有两种配置方式。 ( 1 ) 供冷系统与供暖系统完全独立。该系统供冷系统与供暖系统管路完全独 立。供冷系统主机为风冷冷水机组，末端设备为风机盘管；供暖系统热源一般为集 中供热和分户供热，末端设备为散热器或低温辐射地板、辐射吊顶板等。集中供热 方式有城市热网和小区锅炉房集中供热等，分户供热方式主要有燃气、燃油热水炉 和电热水炉等。 ( 2 ) 供冷系统与供暖系统共用空调末端系统。当供暖系统热源为集中供热 时，应配置换热器和循环水泵，比较典型的系统见图2 3 。当供暖系统热源为分户供 热时，分户供热设备一般为自带循环水泵的燃气、燃油热水炉或电热水炉等。其中 燃气热水炉因运行费用较低而得到广泛应用，典型的系统见图2 4 。 l 一风冷冷水机组2 一高位膨胀水箱3 一空调热水循环泵4 一水一水换热器5 空调末端设备 图2 - 3 风冷冷水机组+ 集中供热系统简图 9 华北电力大学硕士学位论文 l 风冷冷水机组卜高位膨胀水箱 3 一空调热水循环泵仁热水炉卜空调末端设备 图2 4 风冷冷水机组+ 分户供热系统简图 2 2 4 水环热泵系统 水环热泵空调系统实质上是小型的水空气热泵机组的一种应用形式，即用水 环路将小型的水空气热泵机组并联在一起，构成以回收建筑物内余热为主要特点 的热泵供暖、供冷的空调系统。它在2 0 世纪8 0 年代初在我国的一些建筑中开始应 用。由于其节能效果和环保效益显著，因此9 0 年代便在我国得到了广泛的应用。 比较适合多住户公寓楼及面积较大的别墅建筑使用。 水环热泵空调系统由许多并联的水源热泵机组的双管环路组成，其主要部件 有：单元式水源热泵机组、冷却设备( 通常用开式冷却塔+ 水水换热器或用闭式蒸 发冷却塔) 、供热设备( 通常用各种加热器或锅炉) 、膨胀水箱、循环水泵等。典 型的系统见图2 5 和图2 6 。 水环热泵机组供热供冷工况的转换是通过四通换向阀改变制冷剂的流向来实 现的。系统向建筑物供冷时，水源热泵机组按制冷方式运行，制冷剂在制冷剂空 气热交换器中吸收空调房间的热量，再在制冷n 水热交换器中将热量传给水环路 中的循环水，循环水通过冷却塔将热量排向大气。供暖时，水源热泵机组按供热方 式运行，循环水在水环路中吸收加热器或锅炉放出的热量，通过水源热泵机组的制 冷剂水热交换器将热量传给制冷剂，制冷剂在制冷剂空气热交换器中向空调房间 散热，从而实现空调房间的供冷和供热。 为了使热泵机组能正常工作，循环水系统的水温通常维持在1 5 3 5 。当系统 循环水温度高于3 5 时，冷却塔开启，循环水通过冷却塔进行散热，当循环水温度 1 0 华北电力大学硕士学位论文 低于1 5 c 时，系统加热设备运行，对循环水进行加热，在过渡季节，水环热泵空调 系统中供冷机组的放热量与供热机组的吸热量经常处于相当的水平，水温维持在 1 5 3 5 c 范围内，冷却塔和辅助加热装置停止运行。由此保证循环水温度处于设计 范围内，从而保证水环热泵机组高效运行。 l 冷热水循环泵2 一水水换热器 3 冷却水循环泵4 一开式冷却塔 5 一加热装置6 一高位膨胀水箱 7 水源热泵机组 图2 - 5 采用开式冷却塔的水环热泵系统 l 一冷热水循环泵2 一闭式冷却塔 3 一加热装置4 一高位膨胀水箱5 一水源热泵机组 图2 - 6 采用闭式冷却塔的水环热泵系统 水环热泵空调系统主要具有如下特点： ( 1 )高效、节能。与传统的空气源热泵相比，水环热泵机组具有更高的性能 系数，并且机组的负荷调节能力更强，其在部分负荷下仍能保持较高的能效比。水 环热泵机组的热回收效果好，能充分利用建筑物内区的余热，大大节约了能源。 l l 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统布置紧凑、简洁灵活。由于没有体积庞大的风管、冷水机组等，故 可不设空调机房( 或机房面积小) ，从而增大了使用面积及有效空间；环路水管可 不设保温，减少了材料费用。 ( 3 ) 调节方便、使用灵活。水环热泵机组具有供冷供热双重功能，用户根据 室外气候的变化和各自的需要，可自由启停，进行房间的供暖或供冷的调节。 ， ( 4 ) 系统可靠性高。各末端水环热泵机组相对独立，个别机组启停或出现故 障，不影响其它机组的运行，系统运行稳定，可靠性高。 ( 5 ) 投资灵活。可分期投资设备，只需先安装循环水系统，水环热泵机组则 可在房屋出售时安装，也可由业主自行安装，安装后便可投入使用。 ( 6 )管理、计费方便。水环热泵空调系统采用的是单元式水空气热泵机组， 其机组可以独立运行，这样就可以按每户或每个房间独立计量与收费；也可以以区 域为对象单独控制，使管理既方便又灵活。 ( 7 ) 噪声较大。水环热泵机组中带有压缩机、风机等噪声源，且机组通常直 接放在空调房间内，噪音较高。 ( 8 )设备费用高，维修工作量大。水环热泵系统属于分散式空调系统，末端 机组布点较多，给维修带来不便，也可能影响建筑物的美观。 2 2 5 地源热泵系统 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源( 也称地能，包括地下水、土壤或地表 水等) ，通过输入少量的高品位能源( 如电能) ，经过逆向热力循环，将低品位热 能提升为高品位热能的热泵系统【l5 1 。它主要包括三部分：室外地能换热系统、水源 热泵机组和室内空调末端系统。室外地能换热系统即指土壤源热泵系统中的地下埋 管换热器、地下水热泵系统中的水井系统和地表水热泵系统中的地表水换热器。水 源热泵机组有水一空气或水一水两种形式。与此相应的空调系统有水一空气系统和水一 水系统。地源热泵空调系统三部分之间通过水( 或防冻水溶液) 或空气换热介质进 行热量传递，水源热泵与地能之间换热介质通常为水或防冻液，与空调末端换热的 介质可以是水或空气。图2 7 为水一水式土壤源热泵系统的原理图。 地源热泵空调系统的工作原理就是在冬季水源热泵机组作制热运行，水或防冻 水溶液通过地下埋管换热器从土壤中吸收热量，经过热泵提升后，将热量供给热用 户，同时在土壤中储存冷量，以备夏季空调用。夏季时，水源热泵机组作制冷运行， 蒸发器变为冷凝器，冷凝器变为蒸发器，从而埋管换热器与热泵机组冷凝器相接， 室内冷冻水管与蒸发器相接，通过制冷剂循环，将室内的余热经过热泵转移后通过 地下埋管换热器释放到土壤中，同时储存热量，以备冬季采暖用。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 l 一膨胀水箱2 一地下换热管 3 冷却循环水泵仁地源热泵机组 孓_ 空调水循环水泵仁至各空调末端设备 图2 - 7 土壤源热泵系统原理图 地源热泵空调系统的特点： ( 1 ) 利用可再生能源，环保效益显著。地源热泵从浅层常温土壤中吸热或向 其排热，浅层土壤的热能来源于清洁可再生的太阳能。所以，当使用地源热泵时， 其土壤热源可自行补充，持续使用。它的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于 减少4 0 以上，与电供暖相比，相当于减少7 0 以上。 ( 2 ) 高效节能，运行费用低。在供热时，地源热泵可将土壤中的热能“搬运” 到室内，其能量7 0 以上来自土壤，制热系数高达3 5 4 5 。据美国环保署估计，设 计安装良好的地源热泵，平均可节约用户3 0 4 0 的年运行费用【l 6 1 。 ( 3 ) 机组运行稳定，可靠性高。地表以下一定深度处的土壤温度全年相对稳 定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，不受空气温度变化的影响， 冬季不存在除霜问题。 ( 4 ) 一机多用，应用范围广。地源热泵的空调主机体积小，机组安装存储藏 室等辅助空间，可供暖、制冷，还可提供生活热水，一机多用，无需室外管网，特 别适合低密度的别墅区使用。 当然，地源热泵系统也存在一些需要解决的问题。比如，地下换热器的换热能 力受土壤热物性的影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度 1 3 华北电力大学硕士学位论文 变化的影响而发生波动；在土壤导热系数较小的地区应用大型地源热泵系统时就需 要较大的地下空间；地源热泵系统钻孔费用高影响了其经济性等等。 2 2 6 太阳能热泵系统 太阳能是取之不尽、用之不竭、清洁而可再生的能源，地球每年从太阳获得 5 6 l 1 0 2 4 j 的能量。我国气象台站的测定表明，各地的年太阳辐射总量为 3 3 4 9 8 3 7 4 k j ( c m 2 a ) ，平均5 8 6 2 k j ( c m 2 a ) 1 7 】。太阳能的利用已是各国科技 工作者研究的热点，从2 0 世纪5 0 年代初，日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国 家就开始对太阳能热泵进行研究与开发，实施了多项太阳能热泵示范工程，取得了 一定的经济效益和社会效益【埔j9 1 。虽然我国对太阳能热泵的研究起步较晚，但经过 这几年的理论与实验研究，已取得许多成果，为今后太阳能热泵的发展提供了一定 基础。 太阳能热泵是指将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，它把太阳能热利用技术 和热泵技术有机的结合起来，可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统的性能。太 阳能热泵系统由集热器、热泵、蓄热器等组成，该系统利用集热器进行太阳能低温 集热( 1 0 2 0 1 2 ) ，然后通过热泵将低温热提升到供暖供热水所需要的温度 ( 3 0 5 0 ) 。要求供应6 0 以上的热水时，可增设电热水器或锅炉进行补充加热。 其原理如图2 8 所示。 i - 太阳能集热器2 循环水泵 3 一蒸发器伽缩机蛐凝器卜蓄热器7 一用户 图2 - 8 太阳能热泵系统原理图 根据太阳能集热器与热泵蒸发器的组合形式，可分为直膨式和非直膨式。在直 膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在太阳集热器中 吸收太阳辐射能而得到蒸发。在非直膨式系统中，太阳集热器与热泵蒸发器分立， 通过集热介质( 一般采用水、空气、防冻溶液) 在集热器中吸收太阳能，并在蒸发 器中将热量传递给制冷剂，或者直接通过换热器将热量传递给需要预热的空气或 1 4 华北电力大学硕士学位论文 水。根据太阳能集热环路与热泵循环的连接形式，非直膨式系统又可进一步分为串 联式、并联式和双热源式。串联式是指集热环路与热泵循环通过蒸发器加以串联， 蒸发器的热源全部来自于太阳能集热环路吸收的热量；并联式是指太阳能集热环路 与热泵循环彼此独立，前者一般用于预热后者的加热对象，或者后者作为前者的辅 助热源；双热源式与串联式基本相同，只是蒸发器可同时利用包括太阳能在内的两 种低温热源。 太阳能热泵具有以下几方面的技术特点： ( 1 ) 集热成本低。同传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵的最大优 点是采用结构简单的低温集热器，降低了集热成本。 ( 2 ) 系统结构紧凑。太阳能热泵基于热泵的节能性和集热器的高效性，在相 同热负荷条件下，太阳能热泵所需的集热器面积和蓄热器容积都要比常规系统小得 多，使得系统结构更紧凑，布置更灵活。 ( 3 )能效比高。在太阳辐射条件良好的情况下，太阳能热泵可以获得较高的 蒸发温度，因而具有更高的供热性能系数( c o p 可达到4 以上) ，而且供热性能受 室外气温下降的影响较小。 。 ( 4 ) 应用范围广泛。由于太阳能无处不在、取之不尽，因此太阳能热泵的应 用范围非常广泛，且不受当地水源和地质条件的限制，而且对自然生存环境几乎不 造成影响。 ( 5 ) 一机多用。太阳能热泵冬季可供暖，夏季可制冷，全年可提供生活热水。 由于太阳能热泵系统中设有蓄热装置，因此夏季可利用夜间谷时电力进行蓄冷运 行，以供白天供冷用，不仅运行费用便宜，而且有助于电力错峰。 ( 6 ) 适用于多个系统。非直膨式系统具有形式多样、布置灵活、应用范围广 等优点，适合于集中供热、空调和供热水系统，易于与建筑一体化。 2 3 本章小结 本章介绍了户式中央空调系统的特征，并对空气源热泵系统、户式燃气空调系 统、风冷冷水机组+ 热源系统、水环热泵系统、地源热泵系统和太阳能热泵系统的 主要特性和工作原理进行了分析。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章户式中央空调方案的选择及能耗计算 3 1 工程实例 本工程实例为北京市某别墅，建筑面积为2 9 2 1 m 2 ，空调面积为1 7 8 2 6 m 2 ，层数 为三层，层高3 3 m ，建筑平面图见附录。北京市冬季空调室外计算温度为1 2 。c ，夏 季空调室外计算温度为3 3 2 。建筑物室内温度冬季设定为2 0 。c ，夏季设定为2 6 ( 2 。 夏季空调冷负荷为2 6 3 6 k w ，冬季空调热负荷为1 3 3 4 k w 。 3 2 系统方案的选择及设备选型。 别墅建筑的居住空间较多，入住的家庭成员较少，同时使用率较低；但有时又 会有很多朋友在家聚会，同时使用率又会较高，所以主机选型很重要。主机选型过 大，会造成前期投资偏高，性价比下降；主机选型过小，又会使主机长期处于运转 状态，