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中央空調系統是一種集中處理空調負荷的空調系統形式,它由集中的制冷機組產生冷/熱量,并利用適當的介質把冷/熱量輸送到需要消除冷/熱負荷的空間,從而實現空氣調節的目的。

一、中央空調系統概述

中央空調系統是一種集中處理空調負荷的空調系統形式,它由集中的制冷機組產生冷/熱量,并利用適當的介質把冷/熱量輸送到需要消除冷/熱負荷的空間,從而實現空氣調節的目的。由于它采用的是集中處理空調負荷的形式,因此,相對于分散處理空調負荷的分散式空調系統而言,中央空調系統的能效比較高,從制冷循環的角度來看是一種節能運行的空調型式。

一般而言,中央空調是一種主要應用于大型樓宇的空調系統型式。近年來,中央空調在住宅中的應用也日益廣泛。相對于傳統的分散式家用空調型式而言,家用小型中央空調具有節能、舒適、容量調節方便、噪聲低、振動小等突出的優點。美國和日本在家用小型中央空調上的研究開展得較早,技術上也較成熟。從二十世紀九十年代中后期開始,我國也開始了對家用小型中央空調的研究,在工程上也開始有應用的實例。對于家用小型中央空調具體的系統型式,美國和日本的發展重點不盡相同。本文在分析美、日家用小型中央空調系統特點的基礎上,提出了我國發展家用小型中央空調的思路。

二、家用小型中央空調系統型式

中央空調是集中處理空調負荷的系統型式,其冷/熱量是通過一定的介質輸送到空調房間里去的。按照家用小型中央空調的輸送介質的不同,常見的家用小型中央空調可以分成以下三種主要形式。

1.風管式系統風管式系統以空氣為輸送介質,其原理與大型全空氣中央空調系統的原理基本相同,是一個小型化的全空氣中央空調系統。它利用室外主機集中產生冷/熱量,將從室內引回的回風進行冷卻/加熱處理后,再送入室內消除其空調冷/熱負荷。

按照處理回風的介質的不同,風管式系統又可分為風管式單元空調系統和風管式空調箱系統;風管式單元空調系統是將空氣直接與內部是制冷劑流動的直接蒸發式換熱器相接觸,由制冷劑直接對空氣進行處理。風管式空調箱系統是由冷機產生冷/熱水,然后將冷/熱水送入空調箱內,由冷/熱水集中處理空氣。

此外,由于風管式系統對空氣進行集中處理,因此新風的引入比較方便。如若在系統中加上新風道引入一部分新風,將之與回風混合后進行集中處理,則成為帶新風的風管式家用小型中央空調系統。

相對于其它的家用小型中央空調型式,風管式系統初投資較小。如若引入新風,其空氣品質能得到較大的改善。但風管式系統的空氣輸配系統所占用建筑物空間較大,一般要求住宅要有較大的層高。而且它采用統一送風的方式,在沒有變風量末端的情況下,難以滿足不同房間不同的空調負荷要求。而變風量末端的引入將會使整個空調系統的初投資大大增加。

2.冷/熱水機組冷/熱水機組的輸送介質通常為水或乙二醇溶液,它的基本原理與通常所說的風機盤管系統類似。通過室外主機產生出空調冷/熱水,由管路系統輸送至室內的各末端裝置,在末端裝置處冷/熱水與室內空氣進行熱量交換,產生出冷/熱風,從而消除房間空調負荷。它是一種集中產生冷/熱量,但分散處理各房間負荷的空調系統型式。

該系統的室內末端裝置通常為風機盤管。目前風機盤管一般均可以調節其風機轉速,從而調節送入室內的冷/熱量,因此該系統可以對每個空調房間進行單獨調節,滿足不同房間不同的空調需求,同時其節能性也較好。此外,由于冷/熱水機組的輸配系統所占空間很小,因此一般不受住宅層高的限制。但此種系統一般難以引進新風,因此對于通常密閉的空調房間而言,其舒適性較差。

3.VRV系統變制冷劑流量(VariedRefrigerantVolume,簡稱VRV)空調系統是一種冷劑式空調系統,它以制冷劑為輸送介質,室外主機由室外側換熱器、壓縮機和其他制冷附件組成,末端裝置是由直接蒸發式換熱器和風機組成的室內機。一臺室外機通過管路能夠向若干個室內機輸送制冷劑液體。通過控制壓縮機的制冷劑循環量和進入室內各換熱器的制冷劑流量,適時地滿足室內冷、熱負荷要求,是一種可以根據室內負荷大小自動調節系統容量的節能、舒適、環保的空調系統。

VRV系統具有節能、舒適、運轉平穩等諸多優點,而且各房間可獨立調節,能滿足不同房間的不同空調負荷的需求。但其系統控制復雜,且其初投資高。

除了風管式系統、冷/熱水機組、VRV系統這三種基本的系統型式以外,還可以互相交叉,衍生出一些新型的系統。例如,將冷/熱水機組和風管式系統進行組合,往室內送冷熱水處理房間空調負荷,而新風統一由室外機處理后分別送入各個房間。

此外,在燃氣利用便利的地區,冬季由燃氣爐提供熱量的方式使用得也較多。燃氣爐可以集成在家用小型中央空調系統里,也可以單獨設置。

三、世界各國家用小型中央空調的發展情況

一個國家家用空調的發展是與該國的地理氣候條件、經濟發展水平、人民生活水準、居住住宅形式以及社會人文環境等因素密切相關的,脫離了這些因素來談家用空調的發展是不現實的。同樣,分析家用小型中央空調的發展也離不開這些因素。

一般而言,常見的住宅可以分為公寓型住宅和別墅型住宅。以下將分別結合這兩種典型住宅的特點,結合各個國家的不同特點,對美國、日本和中國的家用小型中央空調的發展情況進行分析。

1.美國家用小型中央空調發展現狀美國的家用小型中央空調普及率較高,這與其良好的居住條件以及較高的生活水平是分不開的[1].美國是世界第一經濟大國,人民生活水準較高,對居住的舒適性要求也較高,這些都促進了該國家用小型中央空調的普及使用。

美國的別墅型住宅具有寬敞、高大的特點,通常由中、高收入的家庭居住。由于其層高較大,具有足夠的建筑空間用于布置風道,因此在美國,風管式系統在家用小型中央空調中所占的比重相當大。同時,由于美國居民對家用空調舒適性的要求較高,因此多采用有新風的風管式系統。目前,美國風管式系統的年產量約為600萬臺/年,占其家用空調產量的一半左右。

美國的公寓型住宅適合于中、低收入的人群居住,其消費水平偏低,其家用空調的型式以窗式空調器為主,也有采用小區供冷/熱水的,一般不使用家用小型中央空調。目前美國窗式空調器年產量約為600萬臺/年,占其家用空調產量的一半左右。

美國的家用小型中央空調的型式以風管式系統為主,其具體形式多種多樣。風管式單元空調系統和風管式空調箱系統在美國的應用都很廣泛,此外,集成了燃氣爐的家用小型中央空調系統在美國的應用也非常普遍。此種家用小型中央空調系統在供冷季由制冷機組提供冷量,在供熱季由燃氣爐提供熱量,對室內回風和新風進行處理,消除房間空調負荷,同時也可以滿足家庭生活熱水的需求。

2.日本家用小型中央空調發展現狀與美國以風管式系統為主的特點不同,日本的家用空調走的是一條“氟系統”為主的發展道路,從窗式空調器到定速分體式空調器,再到變頻分體式空調器。同樣,日本的家用小型中央空調也以冷劑式空調即VRV系統(包括一拖多)為主。

在世界冷劑式空調行業中,在二十世紀九十年代以前,60%的市場被日本所占有,并且在設備開發和控制技術上都處于世界最前沿。這為日本發展VRV系統提供了技術保證。同時,日本國土面積小而人口眾多,人口密度非常大,其住宅多屬于高密度住宅,建筑結構較為緊湊。一般層高均較低,不適合于布置需要占用較大層高的風管式空調系統。而且日本是個國內資源匱乏的國家,其能源消耗主要依賴于從國外進口,因此該國非常強調節能。家用空調作為能源消耗大戶,其節能技術的開發尤其受到重視。VRV系統的節能性是其在日本得到廣泛應用的一個重要原因。另外,對于專業的空調安裝隊伍來講,VRV系統的安裝非常規范,施工費用低。以上這些因素決定了日本家用小型中央空調的型式以VRV系統為主。

此外,在日本,對于比較高檔的別墅住宅,也有采用風管式系統的,風管式單元空調系統和風管式空調箱系統都有應用。對于面積很大的高級住宅還采用新風機組+風管式空調箱系統,通過新風道將室外空氣引入室內,運行時需要關閉房間所有的窗戶,原則上可實現全年連續運行。對于中級住宅或規模較小的高級住宅也有采用冷/熱水機組的,在這種系統中,室內末端裝置多采用落地式風機盤管,當采用吊頂式風機盤管,在冬季供熱時,室內上下溫差太大,通常輔以電熱壁毯作為輔助熱源。

3.中國家用小型中央空調發展現狀從二十世紀九十年代后期開始,我國逐漸開始對家用小型中央空調進行研究和應用。相對于美國和日本,我國在這方面的研究起步較晚,但發展較快。目前,我國家用小型中央空調的年產量約為10萬臺/年,數目雖然不大,但增長速度較快。

與美國和日本選擇的家用小型中央空調發展道路不同,我國的家用小型中央空調主要發展的是冷/熱水機組的型式,目前其產量占我國家用小型中央空調總量的70%以上。此外也有風管式系統,但其數量比冷/熱水機組少得多,VRV系統的數量就更少。之所以會出現目前這種格局,有如下幾個方面的原因:

(1)冷/熱水機組的室外主機實際上就是一個風冷熱泵裝置,室內末端是風機盤管。而目前我國的風冷熱泵技術經過多年的探索和研究,已經基本成熟。而在風機盤管技術上我國目前已經處于世界領先水平。因此我國發展冷/熱水機組有技術上的保證。

(2)冷/熱水機組不需要占用太多建筑層高,在住宅內布置較為方便,且施工簡單,安裝費用低。而風管式系統的設置需與建筑結構相配合,占用建筑空間大,且施工不方便。對于VRV系統,目前國內在此領域的技術尚不成熟,還存在流量控制問題、管道材質問題、現場焊接問題、管道施工問題等需進一步研究和完善的方面。且VRV系統的初投資太高,限制了它的推廣。

(3)從舒適性的角度考慮,風管式系統由于調風/調溫的問題解決得不好,無法同時滿足多個空調房間不同的空調負荷需求。而冷/熱水機組則可以很方便地進行各房間的獨立控制和調節,同時也能達到節能的目的。

從以上的分析可以看出,決定我國家用小型中央空調發展現狀的主要因素是技術上的考慮,這也是一種新型產品在其發展的初期階段所具有的必然特征。

四、我國家用小型中央空調發展趨勢

隨著我國經濟的逐步增長,居住條件日益改善,人們對家居環境的舒適性的要求越來越高,對家用空調的需求越來越大,家用空調從奢侈品變成了舒適家居的不可缺少的重要部分。居住條件的改善也促進了我國家用小型中央空調業的發展,尤其是隨著東部大城市的人均國民生產總值達到3000美元以上,一系列適合于中高收入家庭使用的高檔住宅紛紛出現,更增加了對家用小型中央空調的需求[7][8].因此,雖然家用小型中央空調在中國出現的時間較晚,但其發展速度卻非???。如何對其進行正確引導,使其保持健康、快速的發展勢頭,是我們共同面臨的一大問題。

中國的國情與美國和日本都有很大的不同,因此,在發展家用小型中央空調的道路上,如若一味地照搬他們的經驗是行不通的。應當結合中國自身的特點,在仔細分析中國具體國情的基礎上,推進我國在家用小型中央空調領域中的研究和應用。

第一,我國是一個幅員遼闊的國家,地理、氣候條件極為復雜,擁有多種多樣的氣候類型。這就必然要求我們的家用小型中央空調具有多樣性的特點。如何根據不同的氣候特征選擇合適的空調型式,如何在系統設計中充分考慮不同氣候的影響,這是我們在發展家用小型中央空調時應當考慮的問題。

第二,我國經濟發展水平地區差異性大,在不同的地區人們對家用空調的需求不一樣。即使在同一地區,由于人們的收入水平不一樣,住宅形式也千差萬別,而且生活習慣也不盡相同,因此對家用空調的需求也是多層次的。如何針對不同層次的用戶設計不同型式的家用空調,這也是值得研究的一個問題。

第三,從能源的角度來看,我國雖然能源總量很大,但由于人口眾多,人均能源擁有量不高,能源供應相對較為緊張。而住宅空調在當前的能源消耗結構中所占的比重是非常大的。這就要求我國的家用小型中央空調的發展必需注重節能性,一方面要注重提高機組本身的能效比,另外一方面應當注重能源的綜合利用。這樣也就對變流量技術、蓄能技術、能源綜合利用技術等提出了更高的要求。

第四,從環境的角度來看,目前我國環境污染的問題較為突出,許多城市出現了諸如“熱島”效應、空氣污染等現象??紤]上述問題,一方面是要求所開發的家用小型中央空調必須具有環保的特點,把對環境的影響盡量減小到最小,另一方面是要充分考慮到環境污染對空調系統本身的性能帶來的影響,針對它進行一些相應的設計。例如,在使用風冷熱泵作為室外主機時,目前我國大城市中污染較為嚴重的空氣對機組換熱性能的影響就應當充分考慮。

通過以上分析可以看出,我國對家用小型中央空調的需求是多樣化、多層次的,因此我們對家用小型中央空調的研究也應當遵循相應原則,對各種型式的家用小型中央空調進行研究和開發,不應當只強調某一種型式的系統而忽視其它類型。在研究和設計過程中,應當充分考慮到中國在地理氣候條件、居住住宅形式、人們生活習慣等諸方面的因素,針對中國的用戶開發出適合中國國情的家用小型中央空調系統。

五、結論

家用小型中央空調是一種節能、舒適的家用空調系統,主要有風管式系統、冷/熱水機組和VRV系統等三種形式;各個國家其家用小型中央空調的發展歷程均與各自國情相適應;在考慮我國的家用小型中央空調的發展方向時,不能照搬國外的經驗,而應當充分考慮中國自身的特點,遵循多樣化、多層次的原則,開發出適合中國國情的家用小型中央空調系統。此外,也應當重視小區集中供冷/熱空調方式的應用。研究和開發家用小型中央空調要求我們盡快掌握多項關鍵技術,以開發出更加舒適、節能的家用小型中央空調。

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