水冷多联空调系统的设计及应用

一、引言

多联空调系统[1]，又称为变制冷剂流量直接蒸发式空调系统，简称为多联机。近几年来，多联机作为一种新型的空调系统，由于其系统简单、设计灵活、舒适节能、安装简便且可靠性高等特点，在我国得到了广泛的应用，已成为国内空调领域中一种极其重要的空调系统。

目前，市场上的多联机大多数为风冷形式，即当系统运行时室外机直接向大气中吸收或释放热量，由于其风冷的特点，通常能效比相对较低，并且在一些北方寒冷地区或某些炎热地区由于受到气候条件的影响，其应用也受到了一定的限制。水冷多联机为多联机另一种新形式，实际上可以把它看成是风冷多联机与水源热泵或水环热泵相结合的一种空调系统，它不仅继承了风冷多联机的所有优点，还能弥补风冷多联机的众多缺陷，是一种非常有前景的新型多联空调系统。因此，介绍水冷多联空调系统的设计及应用，不但能为水冷多联机设计人员提供一些设计参考，而且对推广该类空调系统的应用具有极其重要的意义。

二、水冷多联空调系统的特点

2.1 水冷多联机的原理

水冷多联机和风冷多联机的制冷(热)循环原理完全相同，而最主要的区别就是室外机的换热介质的不同。水冷多联空调系统运行时，与室外机进行换热的介质是水，而不同于传统的风冷多联机其室外机的换热介质为空气。室外换热器的结构形式也有所不同，风冷多联机为强迫对流风冷换热器，而水冷多联机为套管式水冷换热器，由于水冷换热器的换热系数远大于风冷换热器，交换相同的热量，水冷换热器换热面积大大减少。因此，水冷多联机的室外机体积相对较小，可方便地安装在建筑物任何地方，而不像传统的风冷多联机那样必须安装在非常开阔且通风良好的室外。

与风冷多联机相似，当水冷多联空调系统制冷时，室外的水冷换热器起冷凝器的作用，向水中释放热量;制热时，则起蒸发器的作用，从水中吸收热量。按照水冷多联机使用冷热源的不同，水冷多联系统又可以分为水环式水冷多联系统和水源(地源)式水冷多联系统。前者以冷却塔、锅炉组成的环路向空调系统提供冷热源，并且还可以回收建筑内的余热;后者则以地表水、地下水、土壤源等可再生能源作为空调冷热源。

2.2 水冷多联空调系统

水环式水冷多联空调系统主要是通过水环路将分别独立设置在建筑物各不同分区中的多个水冷多联机组连接起来构成的，以回收建筑物内部余热(如内区、朝南区、朝北区等)为主要特征的变制冷剂流量空调系统，整个系统是通过水环路将各个水冷多联机组的主机连接起来实现热量转移以达到制冷(热)的目的。在该水环路中，夏季主要靠冷却塔来吸收建筑物中多余的热量，冬季则靠热水锅炉或其他辅助热源来为系统提供热量。其系统图如图1中的水环工况所示。

水源式水冷多联空调系统和水冷式多联空调系统相似，唯一不同的是冷热源的来源不同，前者的冷热源通常是由置于地下水、地表水和土壤等中的换热盘管来提供。当然，对于地表水，如果水质条件较好的话，也可以不需要换热盘管，而直接利用水泵将地表水供给多联系统主机。水源式水冷多联空调系统图如图1中地热工况所示。

1.水冷多联主机 2.室内机 3.冷却塔 4.热水锅炉 5.换热盘管 6.循环水泵 图1 水冷多联空调系统图 三、水冷多联空调的设计和应用 3.1 工程介绍 本工程为某办公服务楼，总建筑面积约为5280m2，地上四层，建筑高度为15.9m。其中，首层为营业大厅及汽车库，二层为厨房及餐厅，三层为活动室及阅览室，顶层为办公室。根据业主要求，除厨房及汽车库外，其他房间均设置中央空调，空调面积约为3000m2。 室内外空气计算参数(二级标题) 本工程地点为湖南省长沙市，该地区属于夏热冬冷区域，通过查询相关资料[1]得知该地区室外空气计算参数如表1： 表1 室外空气计算参数

季节	干球温度（℃）	相对湿度 （%）	湿球温度 （℃）	平均风速 （m/s）	大气压力 （kPa）
空调	通风
夏季	35.8	33	——	27.7	2.6	101.99
冬季	-3	5	81	——	2.8	99.94

根据建筑功能用途的不同，各房间对室内设计参数的要求也有所不同，本工程中不同的房间功能参数及室内空气计算参数如表2： 表2 室内空气计算参数

序号	房间类型	夏 季	冬 季
干球温度 （℃）	相对湿度 （%）	平均风速 （m/s）	干球温度 （℃）	相对湿度 （%）	平均风速 （m/s）
1	营业厅	26～28	65～50	0.2～0.5	16～18	50～30	0.1～0.3
2	餐厅	24～27	65～55	≤0.25	18～22	≥40	≤0.15
3	活动室	25～27	60～40	≤0.3	18～20	≥30	≤0.2
4	阅览室	26～28	65～45	≤0.3	16～18	——	≤0.2
5	办公室	26～28	60～40	≤0.3	18～20	——	≤0.2

3.2 空调冷热负荷 根据以上室内外空气计算参数、建筑围护结构及热工参数等，利用暖通空调负荷计算软件，计算出该建筑各层的冷热负荷详见下表3： 表3 各层冷热负荷详表

楼层	空调面积 （m2）	总冷负荷 （kW）	冷负荷指标 （W）	总热负荷 （kW）	热负荷指标 （W）
一层	860	136.7	159.0	79.5	92.4
二层	610	96.5	158.2	35.8	58.7
三层	820	73.5	89.6	64.6	78.8
四层	710	79.2	111.6	59.5	83.8
总计	3000	385.9	——	239.4	——

3.3 空调系统设计 由于各层空调面积不是很大，并考虑到该建筑附近有一单独的锅炉房可以为该工程提供热源，且屋顶上有足够的空间放置空调设备，根据实际需求和各方案在技术及经济性等方面进行比较分析，本工程的中央空调采用水环式水冷多联空调系统。 通过对建筑功能进行分析，该水冷多联空调系统分为5个子系统，其中一楼的门厅及其他层的前室合为一个子系统，空调系统选用一台主机，末端设备选用带风管的高静压吊顶机和暗装吊顶机，不设新风系统;首层营业大厅为敞开式大空间，设一个子系统，空调系统选用两台主机，末端设备选用带风管的高静压吊顶机，新风系统采用新风换气机组，利用排风和新风进行全热交换，以达到充分节能的目的;二层餐厅及包厢为一个子系统，空调系统选用两台主机，餐厅中的末端设备选用带风管的高静压吊顶机，包厢中的末端设备选用天花嵌入式室内机，新风系统同样采用新风换气机组;三层活动室及阅览室为一个子系统，空调系统选用一台主机，小活动室的末端设备选用壁挂式室内机，大活动室及阅览室的末端设备选用带风管的高静压吊顶机，新风系统采用新风换气机组;顶层办公室为一子系统，空调系统选用一台主机，小办公室的末端设备选用暗装吊顶式室内机，大开间办公室末端设备选用带风管的高静压吊顶机，新风系统采用新风换气机组。 各系统室内外机组清单如下： 表4 各系统室内外机组清单

系统	室内机 型号	室内机 类型	单台冷量 （kW）	数量 （台）	室外机 型号	单台冷量 （kW）	数量 （台）	总冷量 （kW）
1	MDB050T	高静压风管机	12.5	2	MDS-W120AR	33	1	33
MCC008T	暗装吊顶机	2.2	3
MWM008T	壁挂机	2.2	1
2	MDB050T	高静压风管机	12.5	11	MDS-W240AR	66	2	132
3	MDB050T	高静压风管机	12.5	5	MDS-W120AR	33	1	33
MCK030T	天花嵌入机	7.5	2	MDS-W240AR	66	1	66
4	MDB050T	高静压风管机	12.5	3	MDS-W240AR	66	1	66
MDB060T	高静压风管机	14.0	1
MWM008T	壁挂机	2.2	10
5	MDB050T	高静压风管机	12.5	2	MDS-W240AR	66	1	66
MCC008T	暗装吊顶机	2.2	11
MWM008T	壁挂机	2.2	6

3.4 空调水系统 由于该空调系统为水环式水冷多联空调系统，除了空调主机和末端设备外，夏季还需为系统配置冷却塔，冬季需配置热水锅炉。利用冷却塔和热水锅炉并联模式，为各子系统的主机提供冷热源，并通过控制阀门来实现冬夏季冷热源的转换。 空调水系统图如下所示： 1.冷却塔 2.热水锅炉 3.冷却水泵 4.热水泵 5.电子水处理仪 图2 空调水系统图

空调水系统主要设备如下表：

表5 空调水系统主要设备

序号	设备名称	型号	技术参数	数量	备注
1	冷却塔	YHA-100	G=100m3/h，N=3kW	1	开式
2	燃气热水锅炉	CWNS-150	Q＝1744kW，L燃气＝208Nm3/h	2	与采暖、热水共用
3	冷却水循环泵	FLG80-160B	G=80m3/h，H=24mH2O，N=11kW	2	一用一备
4	热水循环泵	FLG80-160A	G=51m3/h，H=26mH2O，N=7.5kW	2	一用一备
5	电子水处理仪	ZPG-I-150	DN150	1	——

序号设备名称型号技术参数数量备注 1冷却塔YHA-100G=100m3/h，N=3kW1开式 2燃气热水锅炉CWNS-150Q=1744kW，L燃气=208Nm3/h2与采暖、热水共用 3冷却水循环泵FLG80-160BG=80m3/h，H=24mH2O，N=11kW2一用一备 4热水循环泵FLG80-160AG=51m3/h，H=26mH2O，N=7.5kW2一用一备 5电子水处理仪ZPG-I-150DN1501—— 水冷多联空调设计过程中应注意的问题(一级标题) 水冷多联机系统的设计过程与传统风冷多联机空调基本类似，主要包括空调冷热负荷计算、空调主机布置、空调风管布置、空调末端布置、冷媒管连接及气液管管径计算等几部分。在设计工程中，应注意以下几个问题： (1)室内外机布置的落差不能太大。虽然目前有不少厂家的产品的室内外落差能达到70m甚至更高，但是，尽量的减小落差对整个系统的运行是非常有益的。 (2)冷媒管总配管长度不能太长。如果冷媒管过长，其管路系统的阻力损失越大，使冷媒在沿途中由于压力的降低出现闪发，从而导致系统的效率变低。另外，管路过长，部分润滑油可能会沉积在冷媒管内，而无法回到压缩机，导致系统出现故障。因此，在水冷多联机空调系统设计过程中，冷媒管总配管长度也是必须考虑的。 (3)新风系统应该设置。暖通空调规范中明确规定，为了满足卫生要求，经常有人停留的建筑物内需设置新风，其最小新风量必须满足国家相关卫生标准的要求。而在设计多联机空调系统时，设计人员通常会忽略新风系统的设置。因此，新风系统的设置在多联机空调系统中也是不容忽视的。在设计中，可以设计独立的新风机组为室内提供新风，并且新风机组和其他末端的冷媒系统最好能分开;当新风量比较大的时候，也可以考虑利用新风换气机进行全热回收，以达到充分节能的目的。 (4)空调水系统水质要求。由于水冷多联机空调系统室外机设置了空调水系统，空调水是直接进入空调室外机套管式水冷换热器的，其水质必须满足一定的要求，以免影响换热效果，甚至堵塞套管换热器。