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前言：户式中央空调在欧美、日本的公寓、住宅、别墅普遍使用，美国使用率超过70%，日本也超过50%，而我国户式中央空调使用率仅占5%左右，甚至更低。这意味着我国在户式中央空调领域将有着较大的市场增长空间。2005年据一项在上海及周边地区的调查分析，多联机、风管机、冷热水机组、单元式机组分别占到户式中央空调市场的70%、13%、12%、5%的份额。可见多联机作为户式中央空调的主要形式，在未来将扮演重要角色。 随着人民生活水平的不断提高，热水器的使用已经普及到千家万户，成为人民生活中的重要用品。根据国务院发展研究中心市场经济研究所《2004-2006年中国城市热水器市场研究咨询报告》显示，在未来三年内，中国的热水器市场将继续保持高速增长的态势，每年增长率至少在25%以上，未来5年内，市场容量每年可达到500亿元[1]。 本文设计研发的“Home-GMV”多联机系统结合热水功能，通过引入热水终端，形成家庭中央空调与热水中心功能一体化系统。作为消费者，只需要购买一套多联机组，就可以在调节室内温度的同时，还能提供厨房、洗手间的生活热水供应。这种一体化解决方案对能源的利用率相当高，相比较传统的燃气热水器、电热水器，“Home-GMV”制热水的运行成本低得多。 一 “Home-GMV”系统介绍 “Home-GMV”的额定设计能力从8kW到15kW一共有5种型号。系统由一台室外机，若干台室内机和一个带电加热的承压式热泵水箱组成。如图1所示，室外机包括一个变容量涡旋压缩机、一个高压储液罐、一个气液分离器以及室外换热器等部件组成。冷媒系统通过流量转换器来控制循环流向，通过控制电子膨胀阀A，B的开度分别控制流经室外换热器和承压水箱制冷剂的流量。 室外侧跟室内侧有两组制冷剂接口，分别是空调室内机接口和热泵水箱接口。水箱作为选配件，有壁挂和立柜两种形式，容积从80升到500升的范围内一共8种型号可选择。用户可根据实际的需求，来选择水箱形式和容积的大小。“Home-GMV”有5种运行模式，分别是制冷模式、制冷＋热水模式、制热模式、制热＋热水模式以及制热水模式。制热水又分为热泵加热和电加热两种方式。系统可以满足室外温度从-15℃到27℃区间内的制热需求以及室外温度从-5℃到48℃区间内的制冷需求，与此同时还可以高效地提供生活热水，出水温度最高可达75℃。
“Hone-GMV”多联机曾在焓差实验室进行低温获取热水的实验。实验结果表明： 1)系统运行稳定，室外温度在0℃以上均可以通过调节压缩机能力输出等措施，将热水加热到50℃。加热热水的热量绝大部分来自高温气态制冷剂的冷凝潜热，显热的帮助很小。如果要获取50℃～55℃的高温热水，需要延长加热时间。此时系统运行压力偏高（测试机采用R22作为工质，按照5℃的传热温差计算得到冷凝压力为24kgf，对应冷凝温度60℃）。长期运行压缩机可靠性受到置疑。而热泵热水系统在安全的许可范围内很难获取超过75℃以上的热水。 2)室外温度在0℃以下，获取高温热水比较困难。首先是间断化霜影响制热水的效果，其次要获取55℃以上的高温热水，系统运行压比偏大（例如：当室外环境温度-7℃，压比超过6.0），而且制热效率很低，长期运行压缩机容易损坏。室外温度低于-7℃以下，系统高低压压比超过压缩机允许的上限，热泵热水机无法正常工作。 为了确保产品运行可靠，“Home-GMV”采用热泵制热水跟电加热制热水相结合的工作方式。首先利用热泵制热系统将水箱内的冷水预热至45℃～50℃，然后通过电加热继续加热热水至到55℃或是更高的水温。通过这种复合加热的方法，充分利用热泵的高能效性能，同时保证机组的长期可靠运行，同时还解决了冬季同时制热和制热水的问题。表1是热泵、电加热以及热泵和电加热复合加热三种模式的技术对比。 采用热泵＋电加热的复合加热模式，将热泵制热水的使用范围限定在空调的使用范围内，很好地保障了压缩机运行的可靠性，而且也充分地利用了热泵高效的制热效率，比起单纯的电加热模式，这种方法更加节能。 三 “Home-GMV”系统可靠性分析 “Home-GMV”使用COPELAND的数码涡旋压缩机，COPELAND对于压缩机的设计标准引用美国ARI（Air-conditioning and Refrigeration Institute）制定的标准，对压缩机运行压力和排气温度做出规定，如表2所示某型号数码涡旋压缩机可靠工作范围。 3.1 运行压力分析 由于采用了热泵和电加热相结合的复合加热模式，因此热泵制热水的范围可以规定在室外温度在0℃以上，出水温度在45℃以下。假设按照5℃的传热温差来计算，冷凝温度最高控制在50℃，此时对应的冷凝压力即系统运行的高压为19.33kgf。参考COPELAND数码涡旋压缩机规格使用说明书，压缩机排气压力允许范围在10.1kgf～26.8kgf之间，因此热泵制热水的运行高压在压缩机的设计安全压力范围之内。 3.2 压比分析 热泵制热水，当室外温度越低，出水温度越高，系统运行的高低压压比就越大。按照室外温度0℃，出水温度45℃的工况，对应蒸发饱和温度-2℃（蒸发传热温差按照2℃计算，蒸发压力为4.67kgf），冷凝温度50℃（冷凝传热温差按照5℃计算，冷凝压力19.33kgf）计算，运行压比为4.14。查表3，COPELAND数码涡旋压缩机最大运行压比为6.8，因此远小于压缩机厂家规定的最大压比。可以认为，热泵制热水过程，运行的工况是在压缩机可靠范围以内。 四 “Home-GMV”系统经济性分析 4.1 成本分析 “Home-GMV”除了具有普通多联机制冷和制热的功能外，还具备同时制冷和制热水，同时制热和制热水，以及单独制热水的功能。功能的增加带了控制器复杂程度的增加，同时也带了了研发成本的增加。“Home-GMV”在普通的多联机的基础上增加了承压热泵水箱，还增加了电子膨胀阀等控制部件，使得制造成本增加。另外，水箱和室外机的安装，水管的连接也使得安装成本相应增加。 4.2 投资回收周期计算 相比较于燃气热水器、电热水器而言，“Home-GMV”的初期投资要多一些。但是由于热泵热水系统更加节能，对用户来说，花费的电费比用燃气和单纯的电加热方式的费用要节约很多。因此初期追加的投资成本在短期之内可以被收回，投资回收周期采用静态经济评估，计算过程如下： “Home-GMV”增加的初投资费用： 五 结论 “Home-GMV”作为一种优良的家庭中央空调和热水一体化的解决方案，通过引入了热泵制热水和电加热制热水相结合的复合型制热水方法，有效地保证了系统运行的可靠性。同时，对热能进行优化配置，将能量的利用发挥到极致。“Home-GMV”方案做到空调和热水系统整体设计和安装，大大提升了家居空间的品质。在提倡“节约型”社会的今天，“Home-GMV”将成为家用中央空调的一种流行趋势。 参考文献： [1] 桂秋静 金宁.夏威伟 热泵热水器的工质性能研究.全国暖通空调制冷2006学术年会资料集.2006:205 [2] COPELAND. Copeland Welded Hermetic Compressor Specification.2005 |
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