神马文学网水管式户式中央空调水系统热稳定性分析
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/29 02:33:38
本文通过分析目前市场上水管式户式中央空调系统运行中常见的问题，提出相应的改进的方法；同时以水系统为研究对象，定性、定量地分析系统的冷、热量的得与失，并结合水管式户式中央空调的实际运行情况，计算出不同工况下相应的系统水容量和辅助热源的热量。
关键词：户式中央空调 热稳定性 热容 水容量
1 引言
户式中央空调系统的概念自1999年推向社会以来，获得了迅猛的发展，生产厂家也如雨后春笋般在全国崛起，户式中央空调产业已初具规模。目前市场上流行的户式中央空调主要有三种形式：水管式户式中央空调、风管式户式中央空调和冷剂式户式中央空调。其中水管式户式中央空调以其舒适、使用范围广、使用方便等特点，占有相当大的份额。但是，由于设计、施工等方面的原因，造成该系统的主机启停频繁和主机在冬季除霜时，系统水温较低等现象。主机启停频繁，会缩短压缩机的寿命，同时对电网冲击也较大，这对用户而言无疑将增加运行费用；系统水温较低，则会使系统水的热品质下降，末端设备将吹冷风，从而使室内温度达不到舒适要求。因此，研究以上两种现象，并提出解决方案，对水管式户式中央空调的推广和运行是很有必要的。
2 几个概念及其关系
为了研究和叙述方便，有必要首先介绍几个概念和它们之间的关系。
2.1 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，以水管式户式中央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央空调系统热容，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。
2.2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。
2.3 系统水容量：
我们把户式中央空调系统中所储水的总和称之为系统水容量。
2.4 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。因为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）。
3 具体计算
从以上分析可以看出，如果想提高系统热惯性、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。
3.1 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。
3.2 压缩机启停频繁情况
图1
3.2.1 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、可以近似认为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。计算公式如下：
⑴
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。
3.2.2 冬季制热时压缩机启停频繁情况
图2
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管同样可以近似认为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：
⑶
（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。
3.3 冬季主机除霜时情况
3.3.1 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、可以近似认为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：
⑹
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。
3.3.2 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）。
3.4 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，见表1。
表1 系统水容量 主机
标况下制冷量
(kW)
制冷时最大水容量
(m3)
冬季制热时
最大系统水容量(m3)
冬季除霜时
建议系统水容量(m3)
制热及
除霜时建议
系统水容量
(m3)
制热及除霜时，建议系统辅助热量(m3)
Q辅-Q末>0
Q辅-Q末<0
辅助热源的辅助热量
辅助热源的辅助热量
0kW
2kW
3kW
5kW
2kW
2kW
8.0
0.06
0.03
0.04
0.08
0.07
0.06
0.05
0.07
2.0
11.7
0.08
0.03
0.06
0.12
0.11
0.1
0.08
0.1
3.0
19.2
0.14
0.03
0.1
0.21
0.2
0.19
0.17
0.19
5.0
27.6
0.2
0.03
0.14
0.27
0.26
0.25
0.23
0.23
5.0
43.8
0.31
0.03
0.21
0.42
0.41
0.40
0.39
0.39
5.0
说明：表格内数值仅为建议值，实际数值应结合实际工程确定。
4 结论
4.1 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。
4.2 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。
4.3 辅助热源可以设置在主机的入口，也可以设置在主机的出口，应结合实际情况进行选择、确定。
4.4 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。
4.5 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。
关键词：户式中央空调 热稳定性 热容 水容量
1 引言
户式中央空调系统的概念自1999年推向社会以来，获得了迅猛的发展，生产厂家也如雨后春笋般在全国崛起，户式中央空调产业已初具规模。目前市场上流行的户式中央空调主要有三种形式：水管式户式中央空调、风管式户式中央空调和冷剂式户式中央空调。其中水管式户式中央空调以其舒适、使用范围广、使用方便等特点，占有相当大的份额。但是，由于设计、施工等方面的原因，造成该系统的主机启停频繁和主机在冬季除霜时，系统水温较低等现象。主机启停频繁，会缩短压缩机的寿命，同时对电网冲击也较大，这对用户而言无疑将增加运行费用；系统水温较低，则会使系统水的热品质下降，末端设备将吹冷风，从而使室内温度达不到舒适要求。因此，研究以上两种现象，并提出解决方案，对水管式户式中央空调的推广和运行是很有必要的。
2 几个概念及其关系
为了研究和叙述方便，有必要首先介绍几个概念和它们之间的关系。
2.1 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，以水管式户式中央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央空调系统热容，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。
2.2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。
2.3 系统水容量：
我们把户式中央空调系统中所储水的总和称之为系统水容量。
2.4 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。因为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）。
3 具体计算
从以上分析可以看出，如果想提高系统热惯性、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。
3.1 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。
3.2 压缩机启停频繁情况
图1
3.2.1 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、可以近似认为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。计算公式如下：
⑴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。
3.2.2 冬季制热时压缩机启停频繁情况
图2
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管同样可以近似认为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：
⑶（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。
3.3 冬季主机除霜时情况
3.3.1 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、可以近似认为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：
⑹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。
3.3.2 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）。
3.4 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，见表1。
表1 系统水容量 主机
标况下制冷量
(kW)
制冷时最大水容量
(m3)
冬季制热时
最大系统水容量(m3)
冬季除霜时
建议系统水容量(m3)
制热及
除霜时建议
系统水容量
(m3)
制热及除霜时，建议系统辅助热量(m3)
Q辅-Q末>0
Q辅-Q末<0
辅助热源的辅助热量
辅助热源的辅助热量
0kW
2kW
3kW
5kW
2kW
2kW
8.0
0.06
0.03
0.04
0.08
0.07
0.06
0.05
0.07
2.0
11.7
0.08
0.03
0.06
0.12
0.11
0.1
0.08
0.1
3.0
19.2
0.14
0.03
0.1
0.21
0.2
0.19
0.17
0.19
5.0
27.6
0.2
0.03
0.14
0.27
0.26
0.25
0.23
0.23
5.0
43.8
0.31
0.03
0.21
0.42
0.41
0.40
0.39
0.39
5.0
说明：表格内数值仅为建议值，实际数值应结合实际工程确定。
4 结论
4.1 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。
4.2 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。
4.3 辅助热源可以设置在主机的入口，也可以设置在主机的出口，应结合实际情况进行选择、确定。
4.4 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。
4.5 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。