多联机冷凝余热利用

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本文主要从多联机冷凝研究现状、多联机冷凝余热利用的常见形式、多联机系统设计、多联机设计中需考虑的问题等方面进行了探讨。

　　一、前言

　　随着我国科技的不断进步与发展，多联机冷凝技术的应用越来越广泛，也越来越受到研究人员的关注，本文就该部分内容进行了研究。

　　二、多联机冷凝研究现状

　　多联机系统是日本大金公司于 2005 年研制开发的新产品，主要是为了填补目前风冷 VRV 无法对应到的领域及与中央空调竞争中的一些难点，并为了得到全新的增长点而开发的。大金中国地区公司同步开发也依原计划于 2005 年 4 月上市。大金公司生产的水冷多联机有 VRV-WⅡ和 VRV-WⅢ，采用制冷剂 R410a，机组冷却水进水温度为 10℃~45℃。

　　在 2010 年世界杯足球赛两个新建体育场空调项目中得到了成功的应用，共安装了 170 台水源 VRV，取得了良好的运行效果。三星公司 2009 也成功开发研制了 DVM WATER 数码中央空调室外机，机组利水冷形式，冷却水温度范围在 10℃~45℃，采用数码涡旋压缩机，能够在 10%~100%范围内实现无级变容量调节。

　　国内行业相关部门和科研院所的相关研究人员对水冷多联机进行了多方面的研究。上海交大的李越铭等人利用建筑能耗动态模拟软件EnergyPlus，开发了水冷（热）变频多联空调系统（watercooled/heated-VRF）的全年能耗计算模块，以一典型的商业建筑模型为基础，与已有的常规空调系统作了建筑物全年总能耗进行仿真比较。研究表明，在系统辅助设备及锅炉能耗较大的情况下，空气源多联机系统较为节能；反之水冷多联机系统则表现的更为节能，能取得良好的运行效果。

　　哈尔滨工业大学张志强等人阐述了水冷多联机系统的定义、运行原理、系统组成及主要形式，分析了该系统的主要优点，并与水环热泵系统进行比较，同时也介绍了国外相关工程应用实例，为行业相关人员的研究或设计提供了参考。中国建筑科学研究院空调研究所的袁东立、张钦等介绍了地源热泵系统和变制冷剂流量（VRF）空调系统相结合的技术，阐述了该技术的特点，并以间歇使用的别墅空调系统为例，讨论了该空调系统运行效果，分析了其优点及可行性，指出该技术在北方地区中小型间歇使用的建筑中具有很大的应用价值，在南方某些别墅建筑中也具有一定的应用前景，是一项值得大力推广的节能技术。

　　三、多联机冷凝余热利用的常见形式

　　多联机的冷凝器余热的用途一般是用来空调制热和制热水。目前对多联机冷凝余热利用的常见形式有热回收多联机和多联空调热水机。

　　1.热回收多联机

　　与普通多联机相比，热回收多联机最突出的特点是不同的室内机可同时开空调制冷和空调制热。也就是说，一个室内机正在运行空调制冷的同时，另一台室内机可运行空调制热。热回收多联机不仅仅可克服普通多联机室内机必须同模式运行的限制，满足不同房间不同家居环境需求，而且充分利用了室内原本需要由空调系统带走的冷量和热量，从而实现舒适和节能双重目的。工作原理：空调系统由室外机、室内机和冷媒调节器组成。室外机有三个冷媒管，分别是高压气管（排气管）、低压气管和液管。冷媒分配器由两个室内电磁阀和室内电子膨胀阀组成。室外机与室内机之间由通讯信号链接，冷媒调节器由室内机根据各自的模式需求控制。当有制冷需求时，冷媒调节器动作，室内机的两个连接管分别与室外机的液管和低压气管相连，从而使得液管中的中压态的液体冷媒在室内电子膨胀阀节流后，到其中蒸发，然后回到室外机的吸气侧。当有制热需求时，冷媒调节器动作，室内机的两个连接管分别与室外机的高压气管和液管相连，从使得高压气管的排气直接到室内机中冷凝，再经过室内电子膨胀阀节流，回到液管。以完全热回收为例进行说明。

　　2.多联空调热水机

　　多联空调热水机是近年来出现的新型空调系统，主要由外机、冷媒 - 水热交换器、水箱和室内机组成。冷媒 - 水热交换器内有套管（或板式）换热器、水泵等。该机组的主要功能是在空调制冷或制热的同时，提供生活热水。当部分室内机制冷时，伴随产生的冷凝余热可通过室外机的管路切换到冷媒 - 水热交换器内，并在其中换热，热量转移到水箱，加热热水，从而实现多联机冷凝余热的利用。

　　多联空调热水机外机系统由压缩机、四通阀、冷凝器、冷媒 - 水热交换器、汽液分离器、油分、和电子膨胀阀等组成，对接水箱。该系统的冷凝余热利用主要体现在制冷兼制热水模式下，也就是利用室内机制冷时产生的冷凝余热来加热热水。在这个模式下，存在四种情况：制冷内机负荷极小、制冷内机负荷较小、制冷内机负荷与热水发生器负荷相当、制冷内机负荷较大。

　　四、水冷多联机系统设计

　　1.换热器系统

　　考虑到河水中的Ca2+,Mg2+及藻类、泥砂杂质等对设备有腐蚀性,因此采用闭式换热器系统。换热器部分采用18个盘管换热器与河水进行换热,每个盘管换热器由管径DN25的PE管盘成直径1.5 m的环状圈,总长100 m,管与管之间用卡子固定,避免相互接触,管材承压1.0 MPa。每6个盘管换热器为一组,用角钢支架固定为一个整体。同时,考虑到水力分配和管路安装的合理性,各个盘管之间采用同程序并联连接。

　　2.辅助加热系统

　　在冬季供热时,若出现机组进水温度超出水源热泵机组运行范围(10～45℃),也即低于10℃时,为了保证系统正常运行,必须采用防冻液或辅助加热措施。常用的防冻液有丙烯乙二醇、乙烯乙二醇、甲醇水溶液和乙醇水溶液。丙烯乙二醇溶液的毒性比较小,但黏度较大,因此循环泵的耗功量大;乙烯乙二醇的特性与丙烯乙二醇相似,黏度稍低,但毒性略大,美国有些地区在公共湖中限制使用乙烯乙二醇,以防泄漏污染;甲醇和乙醇水溶液也常用作防冻液,黏度也比乙二醇低,相同浓度的凝固点也比较低。虽然添加乙二醇和辅助加热都能解决闭式地表水换热器冬季取热不足的问题,但是由于闭式换热器直接放在地表水里,采用添加乙二醇防冻液的方法存在防冻液泄漏隐患,会造成地表水水质污染,而且投资大,运行电费并不比用电加热少,在大力发展可再生能源的大趋势下,合理利用地表水资源不仅要考虑经济性、技术性和节能性,更要重视地表水环境的保护,因此,采用电动空气源热泵机组辅助加热的方式可能比采用防冻液在安全性上更合理一些。

　　3.监测系统

　　监测系统可以准确地记录设备运行后的使用性能,并且能够实现细致的能耗分析和评价以及为业主和设计人员提供能耗性能优化的决策支持。因此,对整个空调系统的运行参数和能耗参数进行详细的分析和评价是进行设备性能分析的关键步骤。

　　五、多联机设计中需考虑的问题

　　多联机技术最主要的研究是压缩机的容量控制技术和电子膨胀阀以及各室内机制冷剂可变流量控制技术。制冷系统有诸如变量：如室温波动、室数切换、压缩机转速调节、风机风量调节、室外/室内多个电子膨胀阀调节、电磁阀开闭等都相互影响，构成一个复杂的制冷循环系统。多联空调系统特别是长配管（100m 以上）系统，具有大滞后、大惯性的特点，制冷系统控制甚为复杂。在工程应用中，室内机是被安装在多个房间内，不同房间运行状况也不同，室数切换，以及启动控制对制冷系统的运行和制冷剂的循环量影响是不同的。水源多联机要求在水热源温度 10～45℃较宽广范围内实现制冷与制热，这比风冷多联机的运行界限更为宽广。水源热容量比空气源的大，一定时期内又相对波动较小，这一特点决定了水源多联机在突变响应时系统振荡会比风冷多联机要大，难以控制。但一旦进入稳定状态后，系统的稳定性又比风冷多联机要好。

　　水源多联机系统中采用了板式换热器作为制热蒸发器使用，在变负荷低频运行时要考虑润滑油的滞留问题。板式换热器的横向流通面积较大，制冷剂流速太低时，润滑油会滞留在板式换热器下部，难以回到压缩机。通过计算，当负荷小于机组整机设计负荷的 20～25％时，在长时间使用后，润滑油容易发生滞留现象，引起压缩机运行安全问题。

　　水源多联机在稳定运行、制热负荷固定时，板式换热器中水侧是很少会发生冻结现象的。但机组在多室内匹配和长配管运行时，负荷变化对制冷系统来说是较为剧烈的。在水源多联机制冷系统的设计中，即使进水温度不是很低的时候，也要注意制冷系统模式切换，启动停机、变负荷运行等阶段控制的处理，防止冻结的发生，特别应防止板式换热器中局部蒸发温度和流道分配不均匀现象。水源多联机组适用工作范围是：10℃～45℃进水温度均可制冷制热。工作温度和压力范围跨度不一致，制冷模式下运行所需制冷剂充灌量会比制热模式下所需的充灌量要多。而变负荷运转时，制冷剂的需求量也会发生很大的变化，因此各种模式下冷剂充灌量的平衡会是一个很艰难的课题。

　　六、结束语

　　只有加强对多联机冷凝余热利用研究，才能更好的应用该部分技术，也是我国可持续发展基本国策的体现，是非常具有现实意义的研究。