25kW风冷模块机组的设计文献综述

2020-05-21 22:14:09

文献综述

一、课题背景

近年来，随着经济不断发展，人们居住条件逐渐改善，大面积多居住宅类建筑和餐厅、中央商场等场所也日益增多，从而使人们对空调机组的综合性能要求也愈来愈高。与此同时，商业建筑用中央空调能耗将逐渐占到建筑能耗的60 %, 家庭空调用电将占到生活用电的30 % ^【¹^】，这表明我国已经成为能源消费大国。

用户在选择空调系统类型时，首先会考虑系统运行是否安静稳定、机组结构是否简单可靠，安全性高；系统是否节能高效，是否是高性价比的；同时也会考虑机组的布置灵活性和安装简便性，这样能够确保机组在一定程度上能够满足工况变化的要求。不仅如此，从可持续发展角度考虑，理想的空调机组系统也应该是环保的，但是传统的大型中央空调系统是很难同时满足这些条件的。比如，水冷式空调机组在系统运行过程中不仅需要消耗一定的冷却水，并且会带来诸如藻类、细菌滋生这样的污染问题；大型的整体式空调机组则需要较大的安装空间，容易出现空间浪费的问题，而且机组安装难度大，同时在低负荷条件下运行时容易增加系统能耗^【²^】。

风冷模块机组就是在这种需求下进入我们视野中的，良好的制造环境和模块化设计对于产品的设计创新是非常有利的^【³^】。首先模块化设计方法，可以最大限度地提高型机组和零部件的标准化^【⁴^、⁵^】。不仅如此，模块化系统可以省去大型机组模具费用和高额研究资金，大大削减了风冷模块机组的产品成本；此外，风冷模块机组除了具有施工简便、周期短、无需专用机房、无需冷却水系统、网络集中智能控制等优势的同时，模块机组的分级启动还能够减少对电网的冲击^【⁶^】；最后，风冷模块机组具有节能、环保、运行经济的特点，很好地满足了可持续发展战略的要求^【⁷^】，正在获得用户的青睐以及广泛的应用。

二、风冷模块机组

风冷模块机组是以空气为冷（热）介质，作为冷（热）源兼用的一体化中央空调设备，通常有单冷型和热泵型两种类型。单冷型风冷模块机组只具有制冷功能，作为中央空调系统冷源，为空调系统提供冷水；热泵型风冷模块机组同时具有制冷、制热功能，既能够在夏季供冷，又能够在冬季供热。因此，热泵型风冷模块机组是无供热锅炉、供热热网或其它稳定热源地区优先选择的暖通工程空调系统方案^【⁸^】。风冷模块机组可安装在室外，也可安装在室内，机组运行的环境温度为15-46℃^【⁹^】。一般情况下安放室外，这样机组将具有充足的布置空间，并拥有极大的通风量，从而提高设备运行的稳定性，更好地满足用户需求。

三、风冷模块机组工作原理

图1. 风冷模块机组工作原理图

风冷模块机组是以氟里昂（本设计选用R410A）^【¹⁰^、¹¹^、¹²^】为制冷工质，利用制冷剂液体蒸发吸热（或制冷剂气体冷凝放热）原理，并消耗一定的电能或机械能，通过蒸汽压缩循环实现从低温热源吸热或向高温热源放热。

夏季，风冷模块机组作为中央空调系统的冷源，工作原理如图1所示。制冷压缩机将低温低压制冷剂气体压缩，压缩后的高温高压气态制冷剂进入冷凝器（风侧换热器）中向高温热源放热，在与空气进行换热后，冷凝为高压液体，并经节流元件节流降压得到蒸发温度下的低压液体，最后低压制冷剂液体进入蒸发器（水侧换热器）吸热蒸发，在与冷水进行热交换后，蒸发为制冷剂气体进入压缩机，完成蒸汽压缩循环。冷水在循环水泵的推动下，经过蒸发器（水侧换热器）并与制冷剂进行换热后降低至预置的温度后，为中央空调系统提供冷水。冷水在空调机组换热器内冷却室内空气后，通过循环泵和回水管路返回蒸发器，完成循环过程。

冬季，风冷模块机组作为中央空调系统的热源，工作原理如图1所示。制冷压缩机将低温低压制冷剂气体压缩，压缩后的高温高压气态制冷剂进入冷凝器（水侧换热器）向高温热源放热，在与水进行热交换后，冷凝高压液体，并经节流元件节流降压变为蒸发温度下的低压液体，最后低压制冷剂液体进入蒸发器（风侧换热器）吸热蒸发，与空气进行热交换后，蒸发为制冷剂气体后进入压缩机，完成蒸汽热力循环。热水在循环水泵的推动下，经过冷凝器（水侧换热器）并与制冷剂进行热交换后升高至预置的温度后，向风机盘管机组、新风机组或者整体式空调机组的空气加热器供给热水。热水在空调机组换热器内释放出冷量后，经循环泵和回水管路返回，完成循环过程。

四、风冷模块机组的组成部件

（1）压缩机。在风冷模块机组压缩机类型的选择中，本次设计选用美国进口谷轮柔性全封闭涡旋式压缩机，该系列涡旋压缩机运行稳定可靠。与活塞式压缩机相比，涡旋式压缩机效率要高10%^【¹⁴^】。柔性压缩机采用了最佳的吸气分配结构设计，从而提高能效比，并降低运转噪音；压缩机内置电机断路装置能有效的减少高温及高压电流对电机的损坏，提高保护性。

（2）换热器。换热器采用成熟的设计及加工工艺^【¹³^】。具有结构合理，运行可靠，性价比高的特点；制冷剂在换热器内流动阻力小，回油管路布置合理，提高系统安全性。

（3）风机。采用低噪音轴流风机^【¹⁵^】，降低机组运行噪音。

（4）节流构件。节流构件采用热力膨胀阀，通过调节系统过冷（热）度来调节系统流量^【¹⁶^】，能力调节均匀。

五、风冷模块机组的优缺点

优点

(1) 节约能源。风冷模块机组虽然的一次性投入比水冷机组稍高, 但是维护保养费用约为水冷机组或者锅炉机组的一半，因此全年运行费用低于水冷冷（热）水机组^【¹⁷^】。同时机房费用是各种空调冷热源系统中最少的。风冷模块机组是目前结构最简单的、保养维修费用最低的冷（热）水空调系统设备机组。机组可以直接放置在水平地面上，无需新建冷却塔或锅炉房、清洁安全，以室外空气为介质，可节约能源。

(2) 节约用水。风冷模块机组省去了水冷空调机组冷却水系统所必须的水泵、冷却塔或锅炉以及相应的管道系统等辅助系统。空调系统结构简单，安装空间小、维护管理方便，在节约水源的同时，也避免了某些使用地区水质过差所造成的换热器结垢，水管堵塞等问题^【¹⁸^】。

(3) 可靠性强。风冷模块机组的每个模块均有彼此独立的工作系统，任何一个机组发生故障都不会影响其他机组的正常运行。电脑控制系统会在某一机组出现异常情况时，及时调节其他机组的运行，从而使机组的制冷（制热）量保持相对稳定。风冷模块机组在运行时，通常表现为动态特性^【¹⁹^】，并由主机控制系统统一控制，自动调节每个模块机组的运行时长，达到延长机组的使用寿命的目的。通过冷水水冷却室内空气，减小了送、回风温差，空气相对湿度保持在人体舒适性范围。

(4) 适用性强。风冷模块机组的产品设计在广泛汲取了国内外空调机组领域最新的研发技术的基础上，开发设计出成熟的定型产品。机组严格按照国家行业标准设计制造的同时，并选择高品质进口压缩机、风机、系统控制节流元件以及电脑控制器件等系统部件。系统及结构的合理设计，使得风冷模块能够在-10℃^【²⁰^】以上的环境温度下有效运行。机组特别应用于一些无锅炉且冬季气温相对较低的地区，同时也对要求全年性空调而冬季负荷不大的华南、华北、西南地区以及许多水资源缺乏地区尤为适用。

缺点：

(1) 风冷模块机组的串联数量不能太多的，过多的串联使得机组效率和运行稳定性降低，机组的最优制冷量在15kw-500kw^【²¹^】范围内；

(2) 受气候影响较大，在寒冷地区，冬季容易出现结霜问题，每年需要检修和维护。

六、风冷模块机组的应用

机组以其低噪音、高效、结构合理、安装维护方便、运行安全等优点，不仅广泛应用于舒适性中央空调系统，如小型别墅空调系统^[22]、节能型公共建筑空调系统^[23]、大型综合商务大厦空调系统、办公楼中央空调系统等，也能够满足如精密仪器实验楼^[24]、制药车间、精密机械工业等工艺性空调系统的使用需求^[25,26]。

七、总结

近年来，随着风冷模块机组在我国大规模发展和应用，用户认可逐渐系统的操作管理维护的方便、节约能源等优点。智能化的控制系统不仅为人们的生活工作带来了便利，也提高了生活质量，逐渐成为酒店、医院、学校、工厂等首选的空调系统。风冷模块机组的所有模块单元由电脑控制系统的统一控制，根据负荷变化情况，及时调整模块运行数量，使机组制冷（制热）量满足实际需求，达到最佳的节能效果^【²⁷^】。合理配置压缩机的数量，使机组卸载能力得到提高，从而提升机组的部份负荷运行情况下的效率^【²⁸^】。。风冷模块机组虽然高效节能，但在工程应用中也要综合考虑设计、设备、施工、费用等的实际情况，才能使节约设备投资与运行能耗达到最大效益。

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文献综述

一、课题背景

二、风冷模块机组

三、风冷模块机组工作原理

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