户式水系统中央空调的研究与分析
cbjs81122
cbjs81122 Lv.7
2015年08月14日 12:46:36
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  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。

  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。
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