小型中央空調設計

梁文遠

摘 要：本設計為別墅中央空調系統，目的是設計一個合理的中央空調系統，為居民提供恒溫、恒濕的舒適環境。設計內容包括：制冷系統、冷凍水系統、冷卻水系統、新風系統，制冷所需的設備選型、電控系統及其它輔助元器件的選用等內容。本設計采用：（1）相序繼電器控制電路，防止在意外缺相和錯相情況下使用機組。（2）斷路器控制當電路中發生短路、過載和失壓等故障時，能自動切斷故障電路，保護線路和設備。（3）溫度控制器控制室內溫度，待降到設置溫度時，斷開室內風機盤管，待溫度上升到設置溫度時，重新開啟風機盤管。（4）電磁閥控制冷凍水回路，節省冷量，減少損失。（5）順序起動接法，防止壓縮機在缺水，高壓等情況下運作，提高壓縮機使用壽命。（6）依據有關規范，考慮節能和舒適性要求，設計了風機盤管加新風系統。

關鍵詞：半集中式中央空調；制冷系統；水冷式系統；電控系統

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0050-05

Abstract：This design is a central air-conditioning system for villas. The purpose is to provide a reasonable central air-conditioning system for the residents so that they can live in a comfortable environment with constant temperature and constant humidity.The design includes： refrigeration system， chilled water system， cooling water system， fresh air system， refrigeration equipment selection， electronic control system and other auxiliary components selection， etc.This design uses：（1） Phase sequence relay control circuit， which prevents the operation of the unit in the case of missing phase and phase error.（2）Circuit breaker control which can automatically cut off the fault circuit to protect circuit and equipment when the circuit is short circuited， overloaded or lost voltage.（3） Temperature controller to control the indoor temperature. When the temperature drops to the set temperature， it will disconnect the indoor fan coil. When the temperature rises to the set temperature， it will re-open the fan coil.（4）Solenoid valve to control the freezing water loop， which can save the amount of cold and reduce loss. （5）Sequential starting method， which can prevent the compressor from operating in the case of water shortage and under high pressure. This can improve the service life of the compressor.（6） The fan coil unit plus fresh air system. It was designed according to the relevant rules and specifications as well as the requirements of energy saving and comfort.

Key words： semi-central air conditioning system；refrigeration system；water cooling system；electronic control system

中央空調系統是一種集中處理空調負荷的空調系統型式，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，從而實現空調的目的。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。

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、不破壞建筑外觀等突出的優點如下（1）（2）（3）（4）。因此，它受到了市場的青睞和生產廠家的重視。國外在這方面的工作開展得較早，美國和日本早在七、八十年代即已開始大量地應用家用小型中央空調系統。從90年代中后期開始，我國開始了在這方面的研究和開發，并已有成功的工程應用。許多國內知名的空調企業都逐漸認識到這一市場的重要性，加大力度進行相關產品的研制和生產。隨著人民生活水平的提高，住宅建設的發展，中央空調小型化，家用空調商業化，家用中央空調將成為未來空調的主流。

（1）家用小型中央空調是一種節能、舒適的家用空調系統。

（2）美國、日本和中國的家用小型中央空調的特點各不相同，美國以風管式系統為主，日本以VRV系統為主，而中國目前以冷/熱水機組為主。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。

（3）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。

（4）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。

1 確定制冷系統

1.1 確定四大部件以及輔助部件

1.1.1 主要設備

（1）壓縮機。作用：制冷壓縮機是制冷裝置中最主要的設備，通常稱為制冷裝置中的主機。制冷劑蒸氣從低壓提高為高壓以及氣體的不斷流動、輸送，都是借助于制冷壓縮機的工作來完成的，也就是說，制冷壓縮機的作用是：

①從蒸發器中吸取制冷劑蒸氣，以保證蒸發器內一定的蒸發壓力。

②提高壓力，將低壓低溫的制冷劑蒸氣壓縮成為高壓高溫的過熱蒸氣，以創造在較高溫度（如夏季35℃左右的氣溫）下冷凝的條件。

③輸送并推動制冷劑在系統內流動，完成制冷循環。

（2）殼管式冷凝器。作用：是將高溫制冷蒸氣迅速凝結為液體，并對外界放熱，以水作為冷卻介質，靠水的溫升帶走冷凝熱量，冷卻水一般循環使用，但系統中需設有冷卻塔或涼水池。

（3）水冷式蒸發器。作用：一般把蛇形管或盤管式的制冷劑液體管放入冷卻水載冷劑中，吸收載冷劑的熱量。載冷劑被冷卻后再去冷卻其他物品。就是依靠水把房間內的熱量帶走，或者是把外界的熱量送給房間。

（4）熱力膨脹閥。作用：使高壓常溫的制冷劑液體在流經膨脹閥時，節流降壓，變為低溫低壓制冷劑濕蒸氣（大部分是液體，小部分是蒸氣）。

1.1.2 輔助設備

（1）電磁閥。作用：電磁閥的電磁線圈與壓縮機電動機電路同步控制，當壓縮機啟動運行時，電磁閥同時接通電源使閥門開啟，壓縮機停止運轉時，電磁閥也同時斷電而關閉閥門。這樣就避免了壓縮機停機后，大量制冷劑液體繼續進入蒸發器，確保壓縮機再次啟動運轉時不會發生“液擊”事故。

（2）高低壓保護器。作用：檢測系統壓力是否正常，低壓保護檢測的是系統中的回氣壓力一般低于0.05MPa開關動作，作用是防止系統中沒有制冷劑運行而損壞壓縮機。高壓保護檢測的是排氣壓力一般高于3.5MPa開關動作，作用是防止系統中制冷劑過多和冷凝器散熱不良，而損壞壓縮機或爆裂管道。

1.2 制冷系統工作原理原理圖（如圖1所示）

1.3 制冷系統工作原理

制冷系統工作原理：系統工作時、蒸發器內的制冷劑吸收室內空氣的熱量而蒸發成為壓力和溫度均較低的蒸氣，被壓縮機吸入并壓縮后，制冷劑的壓力和溫度均升高，然后排入冷凝器。制冷劑蒸氣在冷凝器內通過放熱給室外空氣而冷凝成為壓力較高的液體。制冷劑液體通過節流元件的節流，壓力和溫度均降低，再進入蒸發器蒸發，如此周而復始地循環工作，從而達到降低室內溫度的目的。

1.4 根據已知條件，畫出制冷系統壓—焓圖，并列好所需數據（如圖2所示）

1點 t=3℃；p≈5.5bar；h≈406.45kj/kg；x≈0.99；s≈1.75kj/（kg·K）；

2點 t=58℃；p≈15.33bar；h≈418.15kj/kg；x≈0.02；s≈1.75kj/（kg·K）

3點 t=40℃；p≈15.3bar；h≈416.57kj/kg；x≈0.99；s≈1.7kj/（kg·K）

4點 t=40℃；p≈15.3bar；h≈249.67kj/kg；x≈0；s≈1.17kj/（kg·K）

5點 t=3℃；p≈5.5bar；h≈253.29kj/kg；x≈0.23；s≈1.18kj/（kg·K）

t：等溫線 p：等壓線 h：等比焓線 x：等干度線 s：等熵線 v：等容線

2 設計冷凍水系統、冷卻水系統、新風系統

2.1 確定冷凍水系統所需部件和連接

（1）確定部件：水箱、過濾器、水閥、冷凍水泵、水流繼電器、水壓表、水溫計、電磁閥、風機盤管等。

（2）連接：如圖3所示。

（3）冷凍水系統的工況調定。冷水機組一般是在標準工況所規定的冷水回水溫度12℃，供水溫度7℃，溫差為5℃的條件下運行的。對于一臺冷水機組來說，其運行條件不變，外界負荷一定的情況下，冷水機組的制冷量是一定的。此時通過蒸發器的冷水流量與供、回水溫差成反比，即冷水流量越大，溫差越小；反之，流量越小，溫差越大。所以，冷水機組工況規定冷水供回水溫差5℃，這實際上是規定了機組的冷水流量。這種冷水流量的控制就表現為控制水通過蒸發器的壓力降在標準工況下，蒸發器上冷水供回水壓降調定為49kPa（0.5kg/cm）。

2.2 確定冷卻水系統所需部件和連接

（1）確定部件：冷卻塔、過濾器、水閥、冷卻水泵、水流繼電器、水壓表、水溫計等。

（2）連接：如圖4所示。

（3）冷卻水系統的工況設定。對于一臺正在運行的冷水機組。環境條件，負荷都已成為定值這時，冷凝熱負荷也為定值。規定進、出水溫差為5℃，冷卻水量必然也為一定值，而且該流量與進出水溫差成反比。所以，冷水機組的運行，只要規定冷卻水的進出水溫差就行了，這個流量通常用進出冷凝器的冷卻水壓力降來控制。在標準工況下，冷凝器進出水壓力降調定為68.6kPa（0.7kg/cm）。

2.3 確定新風系統所需部件和連接

（1）確定部件：蒸發冷卻新風機組、風機盤管

（2）連接：如圖5所示。

（3）蒸發冷卻新風機組原理。此系統和傳統的風機盤管加新風系統略有不同，傳統風機盤管加新風系統所用冷媒是冷水機組提供的冷水，故冷水機組是核心。而半集中式蒸發冷卻系統的核心是蒸發冷卻段，是利用水的蒸發取得能量，它不是將蒸發后的水蒸汽再進行壓縮、冷凝回到液態水后再進行蒸發，而是直接補充水分來維持蒸發過程的進行，系統中新風由蒸發冷卻新風機組處理。

2.4 結合制冷系統設計出整個系統圖（包括制冷系統、冷凍水系統、冷卻水系統、新風系統）

（1）連接：如圖6所示。

（2）整機節能運行的操作。1）夏季早晨室外氣溫較低，同時空氣新鮮而室內氣溫較高，可利用空調新風機系統抽、送風約15分鐘。這種做法有以下好處：①開機前可降低室溫，減少主機負荷。②使室內空氣質量提高。2）打開運行機組蒸發器上的進出水閥，開啟冷凍水泵，將蒸發器進出水壓力降調至49kPa（0.5kg/cm）左右。打開運行機組冷凝器上的進出水閥，開啟冷卻水泵，調整冷凝器進出水壓力降至68.6kPa（0.7kg/cm）左右（一般出水閥常開，進水閥根據需要開、關。冷凝器、蒸發器都一樣。壓力降以能克服管路阻力為原則，盡量降低壓力降，以減少水泵的耗電量，使節電效果更佳）。3）若水泵啟動后，發現蒸發器或冷凝器進出水壓力表指針擺動過大，說明冷凍水系統或冷卻水系統有空氣，需排空氣待壓力表指示正常后繼續下一步操作。4）操作中均是一臺冷凍水泵和一臺冷卻水泵對一臺機組（匹配要一樣）。

3 設備選型

3.1 壓縮機的功率

別墅所需冷量20KW，根據壓焓圖的數據，

單位制冷量

=，

單位質量流量

，

實際排氣量

=。

根據計算結果，選用江蘇省泰興企鵝冷凍設備廠的3B15參數：半封閉制冷壓縮機，汽缸直徑（mm）：64，汽缸數：3，額定轉速（r/min）：1450，排氣量（m3/h）：53.7，吸氣管直徑（mm）：38，排氣管直徑（mm）：28，名義制冷量（KW）：23.35，功率（KW）：10.5，均能滿足設計要求。

3.2 根據制冷量選擇換熱器

考慮到換熱器會產生水垢、受環境的影響以及在極限狀態下運行，所以計算時比實際多一些換熱量，即取1.1計算。蒸發器換熱功率，再求換熱面積，由于殼程植物油的壓力較高，故可選較大的K值。假設經驗值K=

根據計算結果，選得東洋制冷公司的TYS-20殼管式蒸發器：散熱面積9.9m2、水量10、重量107KG，均能滿足設計要求。

冷凝器的換熱功率：壓縮機的制冷量+壓縮機功率，=20000W+10500W=30500W，冷凝器換熱面積：①求出風冷凝器換熱面積=制冷量+壓縮機功率/200～250=20000 +10500/230≈132.61，②水冷凝器換熱面積與風冷凝器比例=概算132.61比18所以132.61/18=7.37.根據計算結果，選得東洋制冷公司的TYS-15殼管式冷凝器：散熱面積7.43m2、水量12.5、重量88KG，均能滿足設計要求。

3.3 熱力膨脹閥的選擇

供液管內徑取13mm，供液管長度l=30mm，蒸發器安裝在儲液器上方，高度差H=1m。

確定膨脹閥兩端壓力差：

由℃，查得=11.6；根據、l、查表得；假定安裝在液管上的彎頭、閥門、干燥過濾器等總的阻力損失；液管出口與進口高度差引起的阻力損失。

分液頭及分液管的阻力損失各取1×。

由查R22熱力性質表得，將以上數據代入公式，得：

按以上的數據查表選用國產RF22W5-4.5型熱力膨脹閥。

3.4 根據換熱器計算冷凍水、冷卻水流量

冷凍水流量：=≈62.86kg/min

冷卻水流量：≈87.14kg/min

3.5 根據水流量選擇冷卻水泵、冷凍水泵

冷凍水泵：根據計算結果，選用上海上誠泵閥制造有限公司32QDLF4-40型水泵。

參數：流量：66.6kg/min，揚程：32m，吸程：7，轉速：2900r/min，配用電機：0.75KW，重量：20KG。滿足設計要求。

冷卻水泵：根據計算結果，選用上海上誠泵閥制造有限公司40QDLF8-20型水泵。

參數：流量：133.2kg/min，揚程：18m，吸程：7，轉速：2900r/min，配用電機：0.75KW，重量：25KG。滿足設計要求。

4 確定電控系統

4.1 根據中央空調系統的運行，說明電控的思想

（1）采用相序繼電器，起控制電路，防止在意外缺相和錯相情況下使用機組。

（2）采用斷路器，起電路中發生短路、過載和失壓等故障時，能自動切斷故障電路，保護線路和設備。

（3）采用溫度控制器，控制室內溫度過低，待降到設置溫度時，斷開室內風機盤管，待溫度上升到設置溫度時，重新開啟風機盤管。

（4）采用電磁閥，起控制冷凍水回路，節省冷量，減少損失。

（5）采用順序起動接法，防止壓縮機在缺水，高壓等情況下運作，提高壓縮機使用壽命。

4.2 設計電控系統工作原理圖

圖7。

4.3 電控系統工作原理

4.3.1 開機

先合上電源QS，合上斷路器QF。

（1）輔助設備控制：

→KM1自鎖觸頭閉合自鎖

按下SB1→KM1線圈得電→KM1輔助常開觸頭閉合→冷卻水泵M1啟動運轉

→KM1主觸頭閉合

→KT1線圈得電→KT1輔助常開觸頭延時閉合

↓

①KM2線圈得電

②KT2線圈得電

①→KM2輔助常開觸頭閉合

→KM2主觸頭閉合→冷卻風機M2啟動運轉

②→KT2線圈得電→KT2輔助常開觸頭延時閉合→KM3線圈得電

↓

→KM3輔助常開觸頭閉合

→KM3主觸頭閉合

→冷凍水泵M3啟動運轉

（2）壓縮機控制

按下SB2→KM4線圈得電→KM4主觸頭閉合

→KM4自鎖觸頭閉合自鎖

→壓縮機M4啟動運轉

（3）室內控制

按下SB3→KM5線圈得電→KM5主觸頭閉合

→KM5自鎖觸頭閉合自鎖

①→DJ線圈得電

②→WJ線圈得電

↓

①→風機盤管、新風機組KM5啟動運轉

→電磁閥動作打開

②→溫度控制器工作

4.3.2 停機

按下SB5→KM4線圈失電→KM4主觸頭復位分斷

→壓縮機停轉

→自鎖觸頭復位分斷

按下SB4→KM1線圈失電→KM1自鎖觸頭、輔助常開觸頭、主觸頭復位

→KM2線圈失電→KM2輔助常開觸頭、主觸頭復位

→KM3線圈失電→KM3輔助常開觸頭、主觸頭復位

↓

→冷卻水泵停轉

→冷卻風機停轉

→冷凍水泵停轉

注：由于電路采用順序起動接法，起動時，KM1、KM2、KM3要先于KM4起動，起到保護壓縮機作用。停止時，考慮到中央空調實際運用，要先停KM4（壓縮機）控制電路，過一段時間后，再停KM1、KM2、KM3，這種停止順序是讓冷卻水和冷凍水能帶走冷凝器和蒸發器上的熱量和冷量，確保壓縮機下次能順利開機。

5 輔助元器件

5.1 輔助元器件

指示燈、電壓表、電流表、開關、保險絲、壓力繼電器、時間繼電器、水流繼電器、熱繼電器、溫控器、電磁閥等。

5.2 根據電控系統和輔助元器件，設計好整個系統的電控原理圖（圖8，表1）

6 結語

通過本次設計，我們對小型中央空調的概念有了更深層的認識。空調不只是提供舒適的溫度環境，而是提供健康的、舒適的環境，并且要對環境沒有破壞，這樣的技術才是符合社會發展的技術，才能有發展的空間。

參考文獻：

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