1 家用中央空调系统负荷的确定

　　居住房间冷热负荷及机组制冷量、制热量的计算，是家用中央空调系统设计选型的先决条件。

1.1 居住房间冷负荷的计算

　　居住房间的设计冷负荷Φ0设(kW)按下式计算：

　　Φ_0设=n[(1+n₁)(∑Φ₀+∑q₀)]

　　式中　ΣΦ₀--空调房间逐时冷负荷的综合最大值的总和，kW，由负荷计算确定；
　　　　　Σq₀--各房间新风负荷的总和，kW；　　　
　　　　　n₁--风机、风管、水管、水泵、水箱等引起的附加冷负荷，一般应根据计算确定，如粗略计算，可取n₁=0.05～0.10，直接蒸发式取小值，间接式取大值。
　　　　　n--同时使用系数，由于国内住户习惯，一般是人在开机，人走关机，因此住宅的同时使用系数必须考虑，根据文献，n一般取0.6～0.7。

　　冬季设计热负荷Φ_h设与Φ_0设计算方法相同。设计中采用冷热负荷概算指标时，附加冷负荷系数n₁可不考虑，但同时使用系数n应当考虑。1.2　热泵机组的制冷量与制热量

　　机组样本表示的制冷量与制热量均为名义工况下的值，各种机组一般采用的名义工况见表2(如有不同以产品样本标出值为准)，但机组不一定在名义工况下工作，此时制冷量、制热量应进行修正。

表2　各种机组采用的名义工况

2　机组的能耗指标

　　家用中央空调类似于家电产品，必须有高度的可靠性；家用中央空调是耗能大户，必须注意其节能性。多年的实践表明，热泵机组在使用寿命期内的能耗费用，一般是其初投资的5～10倍；对用户来讲，运行费的多少牵连到该产品是否得到用户认同的一个关键问题。目前有一种说法，家用中央空调买得起，使用不起。因此，能耗指标是考虑机组可靠性之后的首要指标。热泵机组的能耗指标，按文献规定有：夏季名义工况制冷能效比EER，冬季名义工况制热性能系数COP和应用部分负荷性能系数APLV及综合部分负荷性能系数IPLV，单位均为kW/kW。实践证明，机组实际上均处于部分负荷下运行，按照设计负荷，在满负荷运行的时间很短，特别是家用中央空调系统。因此，考虑部分负荷下的能耗指标已成为热泵机组性能好坏的一项重要指标，即要求机组不仅在满负荷时效率高，在部分负荷下运行时也要高。EER、COP是制冷量与机组总消耗功率之比，按文献规定，风冷热泵机组的总消耗功率应包括压缩机和室外侧风机的输入功率；蒸发冷却式应包括淋水装置水泵的消耗功率；家用小型水—水和水—空气热泵应包括室外侧水泵的消耗功率。

　　上文讨论统计的9种不同厂家的风冷热泵冷热水机组的平均EER=2.83，COP=3.23；另外，统计10种不同厂家的风冷管道机和单元式空调机的平均EER=2.68，COP=2.96。上述能耗指标与家用空调器相比，相差不大甚至有的还小于家用空调器。2000年笔者调查了重庆市场上销售的2000～3500W的141种单冷和热泵空调器，其平均制冷EER=2.63；100种型号的热泵空调器，其平均制热COP=2.88kW/kW。按GB/T 7725-98房间空调器标准的规定，＞7100W的空调器，其EER(COP)应≥2.5，上述机组的个别型号还达不到房间空调器标准要求。

　　按照文献规定，风冷热泵机组应分别提供名义工况(100%负荷)下和部分负荷下的能耗指标，规定了部分负荷性能系数的试验方法和计算公式，并提出厂家应在样本中标注。目前的家用中央空调产品，还没有看到一家提供了部分负荷性能系数。

3　噪声问题

　　家用中央空调系统的噪声要考虑室外侧和室内侧。对于热泵冷热水机组主要考虑室外侧噪声；水源热泵机组主要考虑室内侧；对管道机既要考虑室外侧噪声,又要考虑室内侧噪声。从本文(一)统计的热泵冷热水机组和管道机的室外机组噪声，除个别机型外，一般均为50～65dB(A)；大金的RX(Y)和RN(Y)型VRV室外机(制冷量23.3～29.1kW)的样本噪声值为57dB(A)；管道机室内机的噪声为50～60dB(A)；整体式水源热泵(有的称一体化水冷风管空调器)的噪声值，产品样本中均未提供，按实测值一般也在50～60dB(A)。对于独立式住宅建筑，室外机组可放置在屋面上，对室内噪声影响较小；但对于集合式(公寓式)建筑，一般只能设置在紧邻居室的阳台或挑台上，对室内和邻居影响较大。因此，使用家用集中空调必须考虑噪声对居室和邻居的影响尤其是夜间运行。按国内环境标准，居室内允许噪声白天50dB(A)，夜间40dB(A)。若噪声超标不仅影响本户使用，还要影响邻居的安宁，严重者不仅会被投诉，还可能被勒令停止运行。

　　减少噪声的措施，关键是厂家要生产低噪声的产品；其次是设计安装时要注意采取防振和降噪措施。目前不少厂家在产品样本中不提供噪声值，这是违反国家标准的；有些厂家在产品设计和生产中注意了减噪措施，如有的厂采用噪声低、振动小的横置式涡旋压缩机，并采用隔声罩；压缩机、内置水泵采用减振基座；面板内贴13mm厚的玻璃棉吸音复合材料；风扇采用高效低噪声机翼形叶片，风机转速控制在720r/min以下，并采用变速调节，降低夜间噪声；机组内所有连管及支架均采取减震措施，收到了较好的消声效果。另外，机组在安装时应注意，室外机尽可能落地安装，基座下垫减振块或10～15mm厚的胶皮，保持机组平稳；所有与外间连接的管路均应采用减振软管；进排风要通畅，减少回流，排风口如需接短管应与厂家联系。

　　对不满足室内噪声标准要求的室内机在设计安装时应采取措施，如：室内机用减振支托架，机组下面应有25mm厚的减振吸音板，该板应大于机组底座面积；控制连接风管内风速，最好不大于3m/s；风管的三通、弯头、阀门等零部件之间的长度应有3～5倍风管直径的直线距离；室内机不要安装在人员逗留处，最好安装在走道、贮藏室等地方；有必要时应设置送风和回风消声静压箱。

4　风冷热泵机组的除霜

　　风冷热泵机组在冬季供热工况运行时，最大的一个问题是当室外气温较低，机组蒸发温度t₀低于0℃时，室外侧空气盘管换热器翅片表面会结霜，需采取除霜措施。根据有关文献报导和现场跟踪测试，其结果是除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2%，而由于除霜控制方法问题，大约27%的除霜动作是在翅片表面结霜不严重，不需要除霜的情况下进入除霜循环的。目前提出的除霜及其控制方法很多，但具体实施起来却或多或少的存在一些问题，如发生多余的除霜动作和需要除霜时而不发生信号等弊病存在。可以说有效的除霜控制方法及措施还在不断地发展和研究之中。目前常用的除霜和控制方法有：

　　（1）温度t(或压力)—时间法

　　即利用盘管表面温度(或吸气压力)和时间控制启动除霜(即制冷运行)或结束除霜模式(恢复制热运行)。

　　（2）温差(△t)——时间法

　　利用盘管表面温度和室外空气温度的温差与时间控制启动除霜，利用温度(或压力)——时间控制除霜结束。

　　上述是目前机组使用最多的两种控制方法,主要问题是机组运行中盘管表面温度不均匀，而且与各地气候条件有很大关系，盘管表面温度传感器放置位置难于确定，另外如何根据不同使用地区设定t、△t和时间，设置不好会出现除霜误动作，因此适应性较差，可靠性不高。

　　（3）MP99电脑除霜

　　RC专利技术，它配有室外温度、蒸发压力、排气压力三个传感器，当机组进入制热状态或上一次除霜结束后4分钟，电脑记录下室外温度值t_室外和低压值,通过电脑换算出温度值t_蒸发，二者差值为△t_蒸发=t_室外-t_蒸发。随后电脑不断测量如上两值，并将其差额的绝对值△t_实际与△t_标准进行比较,当△t_实际≥△t_标准+8℃时，系统开始除霜。除霜时当排气压力达到16.5bar时(此时盘管上的霜已除净)，启动风扇1分钟(以便将盘管上除霜后遗留的水吹干)，此后除霜动作结束，转入制热状态运行。

    （4）旁通除霜法

　　即在压缩机排气管与蒸发器进液管之间连接一旁通管，在管上安装电动旁通阀，需要除霜时，旁通阀开启，使部分高压排气直接进入蒸发器进行除霜。这种控制方法优点是机组在除霜时不间断供热，缺点是工况稳定性较差。

　　（5）压差控制法

　　即在室外侧空气换热器两侧装一压差控制器，由于盘管结霜时阻力增加，当阻力增加到一定值(如初阻力的2倍)时，开始除霜；阻力下降到初阻力时，结束除霜。该方法控制比较简单，主要问题是机组使用一段时间后，室外盘管表面由于污垢等原因，会使初阻力增加，因此如何适应这种阻力变化，达到可靠的除霜是值得注意的问题。
 
　　（6）变频压缩机和电子膨胀阀的显热除霜法

　　采用变频压缩机和电子膨胀阀的热泵机组可用此法除霜。它是利用温差—时间法发出除霜信号开始除霜，除霜时四通阀不换向，电子膨胀阀全开，变频压缩机高速运行，系统内大流量制冷剂气体循环，即靠压缩机排出的高温蒸气显热除霜。该方法优点是，不间断供热，室温降低少，除霜时间短，虽然除霜时压缩机高速运转耗能有所提高，但总能耗下降。

5　机组的节流装置

　　目前家用中央空调热泵机组的节流装置有：①单个热力膨胀阀——即冬夏用同一个热力膨胀阀；②用一个双流向的热力膨胀阀——该膨胀阀的正流向(夏天)和反流向(冬天)均可实现节流和调节制冷剂流量；③用2个热力膨胀阀——即冬夏分开,各用一个热力膨胀阀；④电子膨胀阀。

　　通过热泵系统热力计算可知，冬夏工作工况相差较大。在名义工况下，制冷剂流量冬季比夏季要少20%～40%；压力差冬季比夏季高10%～30%；蒸发温度t0与冷凝温度tk均有较大的不同。常规的热力膨胀阀存在着：①在低的t0下过热度增大，t0不稳定，制冷效率下降；②制冷剂流量调节范围小；③允许负荷变动小，不适合用于能量调节的机组。因此，热泵机组冬夏用一个热力膨胀阀不尽合理。双流向热力膨胀阀可使机组管路系统简化，降低流动阻力，但由于阀的构造限制，当反向流动时，导致阀的静装配过热度升高，同时阀的制冷剂流量下降，据厂家介绍约下降20%以上；对于设有贮液器的热泵系统，管路走向比较困难，难于保证冬季进蒸发器的制冷剂以液态为主。综上情况，为适应冬夏季工况的不同，采用2个热力膨胀阀的系统较为合理。

　　电子膨胀阀可以随制冷量的大小精确地调节制冷剂流量；使出蒸发器的蒸气过热度保持很小(0～2℃)；它不受冷(热)水及室外空气温度的影响；在冬季除霜循环中，电子膨胀阀可以及时地达到除霜所需的开度；采用电子膨胀阀可以更有效地适应负荷变化，提高机组部分负荷下的性能系数。日本大金VRV和上海开利的30AQA风冷热泵冷热水机组采用的节流装置均为电子膨胀阀，据介绍在低负荷下的运转效率较采用热力膨胀阀的机组高28%，温度控制可达±0.1℃精度。关于电子膨胀阀的控制问题，建议在蒸发器出口管上设温度和压力传感器(可得到对应的t0)，其压力、温度信号传至控制器，通过运算在保证蒸发器出口有过热度1±0.5℃情况下，控制电子膨胀阀的开大、开小，实现制冷剂流量的无级调节。据了解，国外著名公司8～20kW左右的机组使用的电子膨胀阀+2支传感器+控制器的售价在1500元左右，应该说在家用中央空调上使用电子膨胀阀在经济上是可以接受的。

6　水—水热泵机组制冷系统流程

　　水—水热泵机组制冷系统流程有两种形式可供选择：①和风冷热泵机组一样，冬、夏采用四通换向阀换向，水系统流向不变；②是制冷系统流向不变，冬夏水侧换向。由于制冷剂侧换向，系统复杂，初投资数大，需要部件多、可靠性降低；水系统换向(见图1)制冷系统简单，可靠性高，水系统采用4个三通电动阀，HoneywellVC60型dN25三通电动阀每个350元左右，该阀开启或关闭时动作特性柔和，无水锤现象，阀塞结构确保阀门紧闭无泄漏。

    利用控制电动三通阀实现冷/热转换，如夏季运行电动阀①②通电，③④断电；冬季运行①②断电，③④通电，控制比较简单，作者在家用水—水热泵机组中采用了此方案，收到了较好的效果。

7　机组能量调节问题

　　机组的良好能量调节措施，不仅对提高机组的部分负荷效率，节能和降低运行费用有重要意义；而且对延长机组使用寿命，提高可靠性也有好处。前面介绍的几种家用中央空调机组中，除VRV系统采用变频调速压缩机和电子膨胀阀实现制冷剂流量无级调节外，其它机组控制均比较简单，具体的能量调节方法有：①开关控制，即0%、100%调节，目前的机组90%以上是用这种方法，压缩机的频繁起动，大量增加能耗，而且降低压缩机的使用寿命；②20kW以上的热泵机组有的采用双压缩机、双制冷剂回路，实现0%、50%、100%能量调节，优点是可以实现互为备用，一个系统检修还有50%的冷热量供应；冬季除霜实现不间断供热。但系统较复杂，初投资较大；③有的管道机采用多台并联压缩机和制冷剂回路，压缩机与室内机一一对应；④管道机的室内机有高/中/低三速调节风量。

　　目前一些生产厂存在着只重价格不重视采用新技术，不重视节能，认为市场竞争厉害，增加新技术，增加节能投资，会使机组成本增加。因此造成目前国内家用中央空调机组开发中有照抄现象，不结合国情，使产品的技术含量不高，这对发展我国家用中央空调市场是不利的。

　　根据目前家用中央空调市场现状，建议采取如下能量调节措施：

　　（1）采用双速型压缩机，如美国布里斯托(Bris-tol)生产的H2NG系列双速压缩机，该压缩机可以在2900r/min和1450r/min运行，在成本增加很少的情况下，实现0%、50%、100%的能量调节。

　　（2）采用双机并联机组，如美国谷轮(Copeland)的ZRT型、丹佛斯百福马(DanfessPer-former)的SM-SZ型和法国美优乐(Maneurop)的MS型双机涡旋式并联机组，该机组各台压缩机均带有排气止回阀与均压管、均油管和单机一样只需连接吸气、排气管，即可实现0%、50%、100%的能量调节，万一一台发生故障时，机组仍能供应50%的冷热量。

　　上述50%、100%能量调节方法适合小冷量的机组，大冷量的建议采用双压缩机、双回路系统。　

　　（3）变频压缩机+电子膨胀阀调节制冷流量。

　　这种调节方式应是大力提倡的，它不仅具有明显的节能性，而且对增加机组寿命，提高房间的舒适性和降低噪声均有好处。作者在设计家用水—水热泵机组时，采用了此技术，压缩机是用广州万宝DHV型变频涡旋式压缩机，该压缩机可以在30～90HZ下变频运行；选用ALCOEX2型电子膨胀阀，EC2型控制器和该公司配套的压力、温度传感器(丹佛斯和日本路工也有类似产品)，采用此技术(包括变频器在内)增加的投资在2500～3000元以内。机组成本有所增加，但机组的先进性和节能率有大大提高。

　　（4）风机、水泵的调速问题

　　风机应根据室外温度的高低调节转速，它不仅具有节能性，更重要的是可以降低机组噪声，特别是夜间室外气温较低，较低风机转速对降低噪声大有好处。一般水泵均能在20～50HZ下运行，采用变频调速技术，也是有好处的。

8　内置水泵及其补水定压问题

　　为了减少水泵所占空间和免去水泵安装费用，家用小型风冷热泵冷热水机组和水—水热泵机组的室内侧水系统的水泵，均应设置在机组箱体内。水泵电源和控制均由机组负责，避免机组与水泵配合不当而影响正常工作；可实现全自动管理；可大大降低水泵产生的噪声和振动。因此内置水泵方便用户。在选择水泵时必须保证水泵的可靠性；选择不漏水、噪声低、振动小、体积小、效率高的水泵，在这方面进口的格兰富(GRUNDFOS)、科沛达(Calpeda)、威乐(WILO)等水泵有优越性，但价格较高。

　　内侧循环冷热水系统补水定压问题，目前主要有两种方法即设置膨胀水箱(和常规空调水系统一样)和采用气体定压膨胀罐。

　　（1）系统设置膨胀水箱

　　主要作用是起补水、定压膨胀及排除不凝性气体。一般膨胀水箱应设置在系统的最高点，对于家用的小型水系统应比用户最高的用水点至少要高0.5m，膨胀水箱的膨胀管应接至水泵入口处，膨胀水箱一般由施工单位施工时制作和安装。

　　这种膨胀水箱方法运行可靠，造价低，在有条件时应尽量选择此方法。主要问题是对多层的集合或公寓式建筑，难于解决膨胀水箱的安装位置，其接管形式见图2中的虚线接管。

    （2）采用气体定压膨胀罐

　　其接管示意见图2。其工作过程为：在系统最高点和换热器出口最高处设置自动排气阀，排出系统中的不凝性气体；当水升温时，系统内水体积膨胀，系统压力升高，压缩膨胀罐内的橡胶隔膜上鼓，当升到一定值时，安全阀打开，自动排水；当系统漏水时，橡胶隔膜下凹，罐内的气体膨胀，压力下降，当降到一定值时，自动注水阀(带压力调节装置)打开，向系统补水，保持水泵入口处维护一定压力，起到定压作用。安全阀、自动注水阀动作压力根据需要可调。这种定压方法的优点是：膨胀罐的布置灵活方便，不受位置高度影响，通常放在机组内，减少施工工作量。其主要缺点是设备较复杂，价格高，压力需要调节，可靠性不如设膨胀水箱方法。

　　（3）膨胀罐的选择计算方法

　　意大利的ZILMET和Cazzaninga均生产小型水系统用的有效容积2～20L膨胀罐和自动注水阀,在国内有代理商销售；国内成都、山东也生产该产品。其有效容积计算公式为：

9　空气侧换热器及风量

　　家用中央空调风冷热泵机组空气侧换热器出风方式有：①斜侧出风，压缩机等在下部；②平侧出风，压缩机在下部；③平侧出风，压缩机在一侧；④顶出风，肋片管直立到底，压缩机在内侧。斜侧出风方式，可以防止逆风，但风机安装条件不如平侧出风和顶出风；平侧出风时，整个肋片管表面风速比较均匀；③和④两种出风方式整机高度可降低。对于平侧出风使用上下两个风机，而每个风机对应一个独立制冷系统回路时，应注意在两个系统交替除霜的情况下，对下部肋片管换热器不利，当上部除霜时，化霜的水落在下部肋片上，会导致下部肋片严重结冰。

　　空气侧换热器完全依靠空气冷却，因此必须有足够的空气量流过换热器。在夏季如果风量小，空气经过换热器温升大，使冷凝温度tk提高，机组制冷量Q0下降，耗能增加，特别是在炎热地区，其影响更加明显；在冬季，如果风量小，空气降温幅度大，导致结霜严重，增加除霜次数，制热量Qh减小，能耗增加。有关风冷热泵机组的风量匹配多少为好，尚是值得研究的问题。很多产品样本中未注明风量，作者查阅了几种标注风量的产品，见表3。

表3　几种风冷热泵机组的冷量、风量及温差计算表(名义工况)

10　水侧换热器

　　家用中央空调用的风冷热泵冷热水机组和水源热泵机组的水侧换热器，目前采用钎焊板式和套管式换热器者居多。板式换热器传热效率高、体积小、重量轻、结构紧凑；水侧及制冷剂侧阻力比套管式小。笔者在进行水—水热泵设计时，对两种换热器进行了对比计算，计算结果是板式换热器的传热系数比套管式平均高15%～30%;水侧阻力小68%，制冷剂侧阻力小14%。但使用板式换热器时必须注意的问题是：①板间间隙小(一般只有1～2mm)，容易结垢，对水质要求高；;②由于钎焊板式换热器不能拆卸，清洗只能用清洗液，进行循环清洗，比较麻烦；③水阻塞会造成蒸发温度下降，板间结冰会冻裂板片；④由于板壁薄，容易产生机械损伤；⑤板式换热器作蒸发器时，一般是采用下进液方式，应校核最低负荷下板间制冷剂的气液流速，该流速应大于该制冷剂上升立管的最低带油速度，保证蒸发器内不积油，如流速不能满足要求，可与厂家联系采用上进液方式；⑥价格较高；⑦在板式换热器进水管处应安装过滤器，最好设置电子水处理仪(广州中宇公司研制了一种小型电子水处理仪专利产品，体积小，价格低，适宜小型热泵机组使用)。因此在水质差的地方，宜慎重使用板式换热器。

　　套管式换热器由同心的两根(或不同心多根)套管组成，内管采用铜光管，或内螺纹铜管；外管采用铜管或无缝钢管。制冷剂由上而下从管间流出；水自下而上由内管流出，通常与制冷剂流向相反。这种换热器能够比较理想地进行逆流式换热，传热效果较好。与板式换热器相比，价格较低；冻裂的可能性小；污垢对换热的影响比板式小；一般不会出现积油问题；对水质要求相对来讲比板式要求低。此外，这种换热器可以套在封闭式压缩机的周围，节省机组占地面积。但采用这种换热器，在相同冷量下，其外形尺寸大，会加大整机体积；重量重；水侧阻力大，会增加水泵扬程。综上所述，产品究竟采用甚么样的换热器，应综合考虑确定。

11　机组的防腐问题

　　由于风冷热泵冷热水机组和管道机、VRV系统的室外机，一般均安装在屋面、开启式阳台或挑台上，可能常年受风吹雨淋。特别是我国部分城市的空气污染和酸雨严重，沿海地区空气中盐分较多，有的机组使用1～2年已锈斑累累，严重降低机组使用寿命，厂家在产品设计和用户在设备选型时应引起足够重视。目前产品的作法有：①机组的顶板、底板、面板、框架全部用不锈钢材料制造；②框架为一般型钢经镀锌处理，面板、顶板、用烤漆钢板或彩色钢板；③顶板、底板用不锈钢钢板，框架用铝合金，面板用镀锌钢板，表面经磷酸锌处理后，再烤聚脂漆；④顶板为不锈钢板，底板为镀锌钢板表面涂环氧树脂，框架为铝合金，面板用镀锌钢板，表面喷涂PVC面层；⑤不锈钢框架，铝合金面板，底板、顶板用经过防腐处理的镀锌钢板；⑥铝翅片的防腐处理方法有：铝片经亲水处理，增加亲水膜，提高防腐性能；涂氧化层可以防止空气中的水份及酸雨对肋片的腐蚀；日本大金家用VRV多联系统室外机采用铝片的特殊处理，即铝片表面先涂一层抗腐蚀的丙烯树脂，然后在外面再做亲水膜处理，据介绍其抗酸雨和抗盐腐蚀的性能是通常铝翅片的5～6倍；⑦机组装配用的螺丝、螺帽及辅助金属材料，很多厂均经镀锌处理或采用不锈钢材料。