堃霖空调：小型冷热水机组研制问题讨论
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1.前言
随着国民经济的发展，工业生产、生活环境的日益提高以及为满足越来越多的特殊产品生产的工艺要求，很多工业生产现场提出，需要一种在冬夏两季能同时提供冷水和热水，新型有效且节能的空调机组。针对这种情况，我厂对小型冷热水机组进行了研制与生产。小型冷热水机组作为中央空调的冷热源有其设备利用率高，一机冬夏两季冷热水可同时使用，对节水、节能和环保均有积极意义，以及安装方便，可置于屋顶，不占建筑面积等特点，在提高生活环境和工业生产方面能够得到广泛应用。本文主要介绍堃霖空调对小型冷热水机组研制过程中的有关问题讨论分析，为这类机组的设计与选用提供参考。
2.机组工作原理
冷热水机组在正常运转状态下，利用系统中电磁阀之间的通与断的切换，改变系统中冷媒循环的管路走向，将机组切换为不同的冷媒循环工作系统，实现提供所需的冷(热)水、冷（热）量。
冷热水机组不同于热泵机组中四通阀单一的切换方式，通过对电磁阀通与断的切换，可运行的冷媒循环工作系统有:水冷冷水机冷媒循环系统（热水可用）；直膨式热水机冷媒循环系统（热水可用）；风冷冷水机冷媒循环系统
3.机组性能分析及设计依据
在对冷热水机组进行设计时，首先需对其进行总体的性能分析
冷热水机组的冷热量：这两个参数是决定冷热水机组正常使用的最关键参数，它是指冷热水机组同时提供冷水、热水，或单一提供冷水（热水）以及提供冷量或热量在设计工况下时其所具备的制冷量和制热量。提供冷水时，机组进水温度12℃，出水温度7℃，；提供热水时机组进水温度40℃，出水温度45℃。在设计时可根据有关压缩机生产厂家提供的压缩机参数和变工况性能曲线等，根据设计工况查得该压缩机在设计工况下的制冷量和制热量。
冷热水机组的COP值:由于其运行的冷媒循环工作系统有好几个,所以其COP值视其工作系统而定.该值是确定冷热水机组性能好坏的重要参数,其值的高低直接影响到机组使用中的耗电量.因此,设计时将其考虑在内.
噪音:噪音也是衡量一台冷热水机组的重要参数,它影响到机组运行时对于周围环境的影响.小型冷热水机组的主要运行噪音来源于风扇和压缩机，所以在我厂对小型冷热水机组设计时选用合理风量的风扇和压缩机，将机组噪音值控制在75dB以下.
机组外形尺寸:小型冷热水机组大多布置在室外屋顶,它在进行设备布置时对设备与周围墙面的间距,设备之间的距离都有明确的要求.同时,要考虑到冷热水机组水管接管方向,模块组合数量、方向等在设备布置时的合理性和安装尺寸要求,因此,我厂在设计小型冷热水机组外形尺寸时,考虑在性能相同的前提下优先选择尺寸较小零部件和材料，尽量减小机组的外形尺寸，以减小设备的占地面积,我厂选择用V型小型热泵机组外形作参考进行图面设计.
运行重量:由于小型冷热水机组大多布置在屋面,如进行模块组合等方式,就要考虑屋面承重能力,在设计机组结构时尽量设计简单,部件的合理选择,钣金数量减少的同时,不但可以减轻机组本身的重量,同时也相应降低了机组的制作成本.
4.机组内部配置分析及总体布局
我厂在对小型冷热水机组设计进行了整体性能分析之后，还要对其压缩机形式、冷凝器形式、蒸发器形式、风侧换热器（盘管）形式、贮液器形式及布置、节流装置、电磁阀的配置、除霜方式、以及工作系统的自控调节和安全保护等等加以分析，比较其各自在系统中配置方面的优缺点。
压缩机型式：
目前用于中央空调的压缩机型式主要有往复式、涡旋式、螺杆式三种型式。小型机组及模块化机组使用的为全封闭涡旋式压缩机和往复式压缩机。我厂在设计小型冷热水机组时比较两者各方面性能后，选择了使用全封闭涡旋式压缩机。其理由为：
1、全封闭涡旋式压缩机较往复式压缩机具有传动等零件少，从而使压缩机摩擦损耗相应减少，整机的效率相应提高。
2、涡旋式与往复式压缩机相比，涡旋式由于其泄漏很小，并没有往复式压缩机运行时的余隙容积，所以流动损失小，整机效率高，在压缩比较大的情况下仍可有较高的容积效率，更适合小型冷热水机组的运行。
3、由于冷热水机组其工作环境有的较为恶劣，其运行的时间也较长，工况变化范围也较大，因此对压缩机的可靠性要求就高。涡旋式压缩机具有零部件少，结构紧凑，全封闭的特点，所以尤其适合用于冷热水机组。
4、小型冷热水机组在冬季运行时，我厂设计时采用热气旁通除霜的方法来排除冬季供热工况下空气侧换热器（盘管）上积聚的霜。在除霜开始和结束时，由于系统内部压力的突然变化，部分液体制冷剂会涌向压缩机，造成压缩机的湿冲程。涡旋式压缩机对湿压缩不敏感，在高压缩比情况下还可采用液喷冷却，没有什么大问题。而对于往复式压缩机来说极易造成气阀和连杆的损坏。
5、全封闭涡旋式压缩机比往复式压缩机的噪音要低。
在确定选择全封闭涡旋式压缩机的前提下，我厂设计时比较了几家涡旋式压缩机品牌，在性能参数相差不大的情况下，选择外形尺寸较小，价格便宜的压缩机作为使用。
风侧换热器（盘管）结构设计与布置
风侧换热器翅片型式一般有平片、波纹片、及开窗翅片三类，开窗翅片有利于提高同侧换热系数，但在结霜工况下，开窗翅片结霜后的气流阻力要大于平片和波纹片。同时，由于我国城市大气质量较差，窗式翅片极易积灰，较难清理，使用时间一长，换热效果大大下降。所以，我厂在设计时采用波纹片型式，同时为强化翅片管内侧的传热，用内螺纹管代替光管，较大幅度地提高传热系数。
风侧换热器的翅片间距在设计过程中也有一定的要求。因为如果冷热水机组的盘管在结霜工况下运行，较小的翅片间距由于霜层厚度的增加导致换热器性能恶化。所以，翅片间距的选择对于结霜工况下运行的风侧换热器的设计十分重要。翅片间距一般应不小于2mm。我厂在设计小型冷热水机组时，翅片设计成每一英寸内有12片翅片，翅片间距大于2mm。同时，对翅片进行涂亲水膜处理，以减少空气侧的风阻和防腐，抑制结霜。
在设计小型冷热水机组时，风侧换热器（盘管）根据厂内生产情况，可以选择设计成直型盘管和V型盘管。这时，应对其进行比较分析，选出最合适的盘管布置。直型盘管直立到底，虽然集中布置了压缩机、蒸发器、冷凝器等系统有关零件，但由于盘管高度较高，迎风面速不均匀，换热效率较低，且气流组织不理想，空气阻力较大，并且不利于模块发展。V型布置可以克服上述等缺点，改善气流组织提高换热效率。所以，我厂在设计时，采用V字型风侧换热器（盘管）设计，对部件进行整体布局。V型风侧换热器在上面，冷凝器、蒸发器在V型换热器下面，压缩机在翅片外侧一头布置摆放，另一头布置贮液器等。这样的布局结构紧凑，维修方便，符合对小型冷热水机组的整体布局设计。布局如图：
布局图
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风侧换热器（盘管）与风机的匹配
在设计时，风侧翅片换热器风机的选配非常重要，首先要满足风侧换热器的换热要求，达到足够的进风量。同时充分考虑到换热器表面进风不均匀情况。此外，翅片表面的气流速度对换热器表面结霜也有一定影响，所以还要保证风侧换热器迎风面的风速，迎风面风速越大，可以提高换热器的传热系数，并且冬季结霜运行时可以吹走霜晶，使翅片不容易结霜。但是，风量过大风机的功耗也要增大，噪声也相应增大，所以一般情况下迎风面风速取2.5～3.5m/s。另外，风机配置时还要考虑噪声，一般选用大直径、低转速、且叶片扭转角度较小的轴流风机以降低风机噪音。我厂在设计小型冷热水机组时，通过系统计算得到换热要求的总风量。根据厂内现有的轴流风机在运行工况下的标准风量，计算出轴流风机的个数，同时考虑与风侧换热器的空间位置和大小，调整安装距离及风侧换热器的结构和表面风速，找到最合适的空间布置方式。
蒸发器、冷凝器型式与布局
蒸发器型式的选择，主要是从生产工艺和供冷方式来考虑的。中央空调中对采用闭式循环的集中空调冷水系统，通常采用卧式壳管式蒸发器。
壳管式蒸发器：蒸发器管群完全浸于壳侧冷水中，管侧流过冷媒，通过沸腾热交换，将壳侧流过冷水的热量带走。
我厂设计小型冷热水机组时也采用卧式干式壳管式蒸发器，用于提供工业、生活中的冷水及冷量。在设计时，一般采用高效的传热管（如内螺纹铜管），考虑蒸发器的流程数和流程管数比例。因为制冷剂在管内蒸发过程中，制冷剂蒸气逐渐增多，蒸气体积不断增大，后一流程的管数总要比前一流程的多，所以，设计小型冷热水机组蒸发器时，采用了两流程，计算合理流程管数比例。然后进行流速等校核计算。
小型冷热水机组的冷凝器同样选择了壳管式，用于提供工业、生活中的热水及热量。设计它与蒸发器上下布置摆放，使工程上配管以及维修更方便。
节流装置与电磁阀及布置
小型冷热水机组单机系统设计时采用两个外平衡双向流口的热力膨胀阀作为机组的节流装置。由于机组运行时，冷媒循环的工作系统切换，所以在膨胀阀的选型上，要根据机组各自的制冷、制热不同工况以及制冷剂的循环量的大小来合适选择各自循环系统的膨胀阀。膨胀阀的使用范围要满足机组各工况条件下的使用要求。在环境温度相对比较恶劣的情况下也能正常使用。膨胀阀安装在靠近机组蒸发段，以减少能量的损失。此外，如果有条件也可以使用电子膨胀阀，它可以控制各回路的吸气压力及过热度，控制制冷剂循环量，比热力膨胀阀更为有效地适应负荷的变化，使机组部分负荷性能得到提高。
小型冷热水机组系统中电磁阀是切换各个冷媒系统循环的关键，通过电磁阀的切换，改变管路中冷媒流向的通与断。所以，机组系统的电磁阀数量是比较多的，而且外形尺寸大小不一。在机组布置上必须合理排布，要考虑其布置美观性，同时也要使制作时能够简单美观的配管，以便将来可以实行机组管路标准化，提高生产效率。另外，在设计冷热水机组时，使用热气旁通除霜，这是对除霜电磁阀的选择要小心，如果电磁阀为膜片式结构，一般不能用在除霜管路及类似管路中。
5.机组自动控制
对于小型冷热水机组的运行控制和除霜动作，设计时根据最初逻辑控制原理对机组进行控制程序的编写输入电脑，最后由微电脑进行自动化的控制和操作。使使用者操作简单方便。
6.机组技术特点
1、采用先进的专业技术。应用空气源（风冷）、水源热泵技术，通过电磁阀的切换，转换冷媒循环工作流程，实现一机冬夏两季冷热水可同时使用，节省了大量的水能电能，优化生产、生活，降低了投资成本.
2、智能控制技术。采用微电脑控制技术，实现全自动控制，全过程保护、故障自诊断、远程监控，可实现无人值守。
3、模块化结构设计。配以先进的控制系统，使系统在最佳的技术经济状态下运行，可根据所需的冷热负荷情况自动启停机组的模块数量。
4、智能除霜方式。综合环境温度、翅片温度以及运行时间等多种因数进行除霜。将一般控制系统对结霜的判断准确率大大提高。使主机制热效率提高，减少了能量损失，节约能源。
6.小结
以上讨论了我厂对小型冷热水机组研制过程中的一些问题和一些设计分析。随着工业发展以及人民生活水平的不断提高，某种意义上也促进了制冷技术的不断发展和新型空调制冷产品的研制和使用。小型冷热水机组在工业、生产、生活应用方面，有着节水、节能、优化环境等特点，今后必然会有着很广阔的应用范围。
