户式中央空调又可称为家用中央空调、户用中央空调、家用/商用中央空调。它是一种集中处理空调负荷的系统形式,其冷热量通过一定的介质输送到空调房间,以满足居住的舒适性要求。它是介于传统集中式空调和房间空调器两者之间的一种形式,是随着人们住房条件的改善和生活质量的提高而逐渐发展起来的一种空调新潮流、新方式。
户式中央空调制冷量范围大致在7~80kW,可供给单元住房面积在80~600m2的多居室公寓、复式公寓、别墅等。多个户式中央空调系统的组合可供给更大空调面积使用。从某种意义上来说,户式中央空调系统适用范围已超出传统的住宅观念,涉及到众多的公共建筑领域,如小型办公楼、会议室、小型商场、餐厅及娱乐用房等,用途更为广泛。
户式中央空调可为人们创造一个安全、舒适、高效、和谐的室内热环境,但由于日常运行费用高于房间空调器,导致用户的能源耗费支出增加。如何降低能耗、节约开支成为户式中央空调用户普遍关心的问题。
建设部与国家质量监督检验检疫总局于2005年4月26日召开《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005联合发布宣贯会,并于2005年7月1日起实施。建筑节能是一个系统工作,涉及建筑布局、建筑材料、建筑结构、建筑设备、采暖与通风空调系统及照明等的设计、施工、运行维护管理及可再生能源的推广应用等多个环节或多个方面。因此户式中央空调的节能问题已越来越被人们所关注。
为了保证户式中央空调的节能效果,通常需要在室内热环境、建筑物围护结构、户式中央空调的设备选择、系统设计和施工、维护等方面给予充分重视。
1、室内热环境
室内热环境的设计指标反映了环境的质量水平。其中,干球温度是表征室内舒适度的主要指标。国家建筑节能设计标准已规定,在夏热冬冷地区要求住宅中的卧室、起居室冬季采暖的室内温度为16~18℃,夏季空调为26~28℃,换气次数为1次/h。按人均居住面积15m2,房间净高2.5m计算,人均拥有新风量达37.5m3/h。而规范规定住宅、办公的人均最小新风量是30m3/h,餐饮的最小新风量是20m3/h。
夏天室内温度每低1℃,空调能耗将会增加7%~8%左右。为了节约能源,营造建设节约型城市的良好氛围,我国许多城市都提出了夏天室内温度设定值提高1℃的倡议。
2、建筑围护结构的节能设计
建筑围护结构(外墙、外窗和屋面等)热工性能的优劣,将极大地影响建筑物内舒适、健康的环境,采暖通风空调所消耗的能量。按照《建筑节能设计标准》进行围护结构各部件的节能设计,是确保建筑节能的首要环节。在《建筑节能设计标准》中分别规定了建筑体形系数,外墙、层面、外窗和屋顶透明部分面积比例。如果这些规定不能得到满足,则必须采用性能化方法,采取权衡判断法来判定建筑是否满足节能要求。
建筑物的体形系数是建筑物的外表面积与外表面积所包围的体积之比,体形系数越大,同样体积建筑物的围护结构的传热损失也越大。因此,建筑物的体形系数是关系到整幢建筑物耗能的一个重要指标。在已颁布的国家居住建筑节能设计标准中,对各个地区的建筑物节能设计都作了详细的规定。其中对于夏热冬冷地区的条形居住建筑物的体型系数不应超过0.35,点状居住建筑物的体型系数不应超过0.40。
建筑结构的外墙、屋面、外窗、户门和内围护结构的分户墙、楼板的传热系数指标,外窗的阳台门的气密性等级要求、外窗的遮挡系数和遮阳系数、外墙外表面吸收系数以及其他一些技术指标都是直接关系到每家每户采暖空调的能源消耗。目前我国维护结构的保温性能与国外相比还有很大差距。为此要尽快解决建筑的保温问题,只有解决了这个问题,才能实现建筑节能目标。
3、户式中央空调设备的节能
户式中央空调是能耗大户,必须注意其节能性,要选用运行稳定,能效比(EER)高的户式中央空调机组。在户式中央空调机组的选择上必须注意以下二个方面:
(1)机组满负荷运行的能效比值并不能代表机组全年运行时的能耗性能。由于空调机组全年绝大部分时间是在部分负荷状态下运行,因此机组的部分负荷的能效比值非常重要。机组无论是满负荷还是部分负荷运行,均应能高效率稳定地运行。为了满足部分负荷稳定运行的要求,往往采用以下技术:
1)热气流旁通技术。为了避免压缩机的频繁起动,采用多台压缩机并联运行及热气流旁通技术,通过改变压缩机的运行台数及控制压缩后的高温冷剂气体的旁通量来解决小负荷运行问题。该方法节能效果不明显。
2)变频调速技术和直流电动机传动技术。利用改变压缩机电动机的供电频率,或采用直流电动机传动技术,以控制压缩机转速,可高效地满足部分负荷的运行要求。在部分负荷时,获得非常高的能效比值。其中直流变速技术的节能性比变频调速节能效果更好。
3)采用数码控制压缩机技术。数码控制压缩机技术是涡旋式压缩机特有的一种容量调节方式。它根据负荷情况,采用数字控制技术控制涡旋压缩机定转子的拟合时间,达到调节压缩机制冷量的目的,使机组部分负荷能效比得以提高,同时对电网无污染,节能性能好。
空调机组应具备良好的能量调节性能,不仅对提高机组的部分负荷的效率、节能和降低运行费用有重要意义,而且能延长机组使用寿命,提高可靠性。
(2)必须注意选择容量合适的空调机组。户式中央空调机组容量应该根据使用房间(或使用空间)的面积、围护结构、朝向、室内设备、使用人数、使用要求、使用特点、新风量、系统构成等因素决定。对于较复杂的户式中央空调系统,应由专业设计人员根据这些因素计算确定。
户式中央空调机组容量选择过大将会使机组运行效率过低,能耗能加。电气安装容量加大导致电力增容费的提高、噪声加大以及初投资增加等。
4、空调系统型式对节能的影响
影响选择空调系统型式的因素很多,它包括该建筑所在地的气候条件、地理环境、负荷特点和能源情况等。
(1)气候因素的影响
绝大部分户式中央空调大多数采用的是空气源热泵机组,它是以利用大气作为散热和取热的热泵型机组。此类空调机组安装最为简单、方便,但与建筑所在地的气候条件和机组的运行性能有着密切的联系。空气源热泵机组在夏热冬冷地区运行是比较合适的,但在冬季寒冷地区,空气源的热泵机组就很难全天候满足供暖要求。由于户式中央空调特别是住宅用户式中央空调,需要在冬季夜间进行供热运行,尤其是冬季的晚上,室外气温这时是最低的,但室内热负荷比白天热负荷大,这时机组制热效率会急剧下降,制热量会大幅度降低,国家规范《公共建筑节能设计标准》中也指出,当冬季运行性能系数低于1.8时,不宜采用。这时必须重新考虑其他可靠的供暖方式。
当建筑所在地是靠近海边或潮湿地区时,空气源热泵机组的室外侧换热器翅片宜采用防腐蚀型,以保证在使用寿命期间的运行效率。
(2)环境资源的影响
当建筑周围具有水温和水质合适、可长期稳定供水水源利用时,可采用相对于空气源机组而言,能效比值较高的水源热泵空调机组。这类机组包括有水环热泵空调系统和地源热泵空调系统。
水环热泵空调系统是将室内的热量或冷量传递到循环水中,机组的能效比比较高。且水环热泵空调机组所使用的电力可以由每户独立计量,方便管理。夏季提高了水温的循环水还可以通过冷却塔将热量散发到空气中;由于冷却塔无法直接从空气中取得热量,因此这类机组只适合在南方需要单纯供冷的空调场合使用,冬季使用需另外设置辅助加热器补充热量。如当地有条件时,也可充分利用一些低品位热源,如地热水、工艺废弃热水等。
地源热泵系统即以岩土体、地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同,地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵系统通常还被称为地热热泵系统。由于深层大地地温度相对大气而言比较稳定,因此它的工作效率要高得多。为此,地源热泵空调系统已引起人们广泛的关注。应积极推荐的是地下埋管地源热泵空调系统,又被称为“闭路地源热泵”。它是通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动,实现系统与大地之间的换热,把大地作为一个巨大的蓄热体,夏天蓄热、冬天取热,通过热泵机组向建筑物提供冷热量。
如果燃气富裕、价格便宜,还可以使用户式燃气空调系统,它是由室外机(户式直燃型溴化锂吸收式冷热水机组)、室内机及室内外机之间连接管道和控制线路组成。户式燃气空调系统的室内机型式与冷热水系统是相同的,不同之处其室外机是由1台小型直燃型溴化锂吸收式冷热水机组和配套的冷却水塔组成。机组还可提供生活热水。采用这种机组可以有效地降低用电负荷,缓解用电矛盾。
如果建筑所在地有其他可利用能源时,如热电厂的余热等,应充分利用这些能源,建立区域冷热供应站,向用户供应空调冷热水,这样可大大地提高能源的综合利用率。
(3)建筑负荷特点的影响
由于户式中央空调已大量应用于办公楼、会所等较大型的公共建筑中,因此它也可能存在内区与外区空调负荷特征不统一的情况,尤其在冬季,有可能内区需要供冷,外区需要供暖的情况。对于这种情况,如果采用内、外区分设空调系统,外区供暖,内区供冷,就可以达到舒适的目的,同时也避免了采用一个空调系统时的冷热抵消的能源浪费现象。此外,对于这种需要同时供冷与供暖空调负荷,也可以采用节能的制冷剂直接膨胀、带热回收装置的一拖多变频或变压缩机压缩容量的空调系统,较大的建筑可以采用水环热泵空调系统或者地源热泵空调系统。制冷剂直接膨胀、带热回收的一拖多空调系统可以同时进行供冷与供暖,而水环热泵空调系统或者地源热泵空调系统通过共同的的冷却水系统把供冷房间的热量转移到需要供暖的房间中。根据建筑负荷特点设计的空调系统,能有效地减少压缩机运转时间和冬季采暖的加热量,达到节能目的。
5、空调系统设计的节能
户式中央空调系统的节能除要选择运行稳定、能效比高的空调机组外,还要在空调系统的设计、机组的布置上采取节能措施。
(1) 室外机组的布置
室外机是空气源热泵机组的重要组成部分,直接关系到空调机组的运行效率。如果夏季供冷工况运行的冷凝器散热条件差时,冷凝压力会升高,机组的制冷能力会降低,耗电量将增加。因此室外机的布置应注意以下几个方面:
1)应布置在空气流通的地方,有利于夏季运行时及时将冷凝器释放的热量带走。
2)当有大量室外机需要布置时,应注意不要形成上下温度场,使上面的机组冷凝器处在高温区。
3)根据建筑美观要求,许多建筑物都指定了室外机组的安装位置,往往还采用美化处理手法,设置一些遮挡,但如果设置不当,就会导致排风不畅或进排风短路,保证不了散热条件。
4)注意避免将室外机安装在阳光直射的地方,对于主要有于夏季制冷的机组,应安置在北侧和阴影处或加装遮阳板,对在冬季或过渡季节担负制热的机组,为保证冬季制热效果,可以安装在阳光照射或相对温暖的地方,但建议在夏季采取一定的临时遮挡阳光措施。
5)室外机避免安装在有油污、污浊、腐蚀和热空气排放的地方。
(2)房间气流组织
要合理组织房间的气流,房间室内机的布置或所连接的风口的布置,应尽量使空调内机送出的冷风或暖风能遍及室内各个部位,不直接吹向人体。这样一方面可以提高室内温度的均匀性,保证舒适度;另一方面是为避免因不均匀性带来过冷或过热的现象造成的能源浪费。侧送风口应布置在房间的短边,使送风射程达到房间的每个角落,避免房间存在死角式。对于复式住宅或高档别墅及其他建筑,往往有较高的厅堂,送回风方式选择不当,会造成下部不热,上部过热现象,耗费了大量的能量。为保证冬季使用效果,风口的布置应考虑冬季的气流组织状况,可将回风口布置在房间下部;如采用地板采暖等辐射供热设施将会获得很好的使用和节能效果。
空调系统回风通道应尽量采用风管连接风口,尽可能不采用吊顶空间回风的方法,对于高大建筑尤其如此。当回风道布置不下时,也应尽减小回风空间的体积,尽量较少空调空气与吊顶内楼板的冷热量传递,减少空调负荷。尤其是位于顶层的房间,由于热量会通过屋顶板散发到室外,空调能量损失会特别大。
(3)房间空调实时控制
房间空调控制包括房间空调启用控制与房间空气温度控制。与户式中央空调系统型式有关。为了节能,应该采用每个房间都具有可以单独地开机与关机功能,这样可以在满足使用要求的前提下,最大限度地降低空调负荷,做到节能运行。房间空气温度实时控制是指每个房间都具有能自由地进行温度调节功能,防止过冷或过热造成能源浪费。
对于户式中央空调的风管机系统,可根据房间的空气温度,控制每个房间送风阀的开度。虽然控制不能达到尽善尽美的地步,但还是有一些节能效果的。为了使系统能正常运行,设计可将客厅、走廊及卫生间保持常开状态,以维持系统的最小运行风量,保证室内机组的正常运行。
(4)新风、排风系统的设计
为保证居住建筑室内空气质量达到健康的卫生标准,保证空气品质,空调系统应设置必要的新风系统。由于新风空调负荷占空调总负荷很大比例,新风系统的节能技术受到普遍关注,在一些小的空调系统中,往往采用无序自然换气或采用卫生间、厨房排风,造成室内负压,利用门窗缝隙渗入新风的负压渗透方式,大一些的空调系统,往往采用机械动力排风方式。应推荐采用全热回收器,经热交换预处理的新风直接送入房内的方法。尽管该装置可能会增加一次性投资,但其总体的能效比还是很有吸引力的。如果经济条件限制,也可以采用较为便宜的显然换热的热回收装置,节能效果也较为显著。
6、工程施工、维护的节能
工程施工及日常维护时应做好如下五个方面节能工作。
(1)切实做好保温和密封工作。
(2)减少制冷剂管道的安装长度及弯头。
(3)空调室内、外机的高差应在允许范围内。
(4)过滤网应经常清洗。
(5)保持室内、外机的散热翅片的干净。
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