家用空调器

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家用空调器
) L9 H8 y3 k9 E7 V9 `: f' G一．背景综述

　　制冷空调系统作为一种维持室内环境空气状况的有效工具，正被广泛的应用在人们日常生活和工农业生产之中。根据实际的需要，制冷空调系统的应用范围不断扩大，从最初的单冷型扩大为既可用于制冷又可用于制热的热泵型空调器，而后者的发展规模越来越大。

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5 C6 R( r; T- A7 z% q* B　　能源和环境问题是当今世界关注的焦点。自从1972年能源危机以来，变容量调节以匹配负荷变化的概念在空调系统中得到了广泛应用，从水系统、空气系统到制冷剂系统，分别出现了变水量（VWV）、变风量（VAV）和变制冷剂流量（VRV，其中单元VRV即变频空调器简称为SVRV，多元变容量VRV系统简称为MVRV）等各类变容量系统，突出的表现在这些系统的节能效果方面。另一方面，环境保护运动的蓬勃发展，也要求进一步提高制冷和空调系统的能量利用效率，制冷空调设备的低效率用电是增加大气温室效应的间接因素。而变容量控制不仅减少了设备的启、停损失，也提高了系统在部分负荷时的能效。如果考虑到实际中设备往往选型偏大，那么变容量控制带来的节能和环保效果则更为明显。此外，人们对舒适的生活品质与环境愈来愈重视，要求也愈来愈高，不仅对室内温、湿度控制提出了较高要求，更注重室内空气品质IAQ(Indoor Air Quality)指标，希望室内环境趋向于自然环境的特征，而微电脑、变容量、电子膨胀阀三大技术的导入和人工神经网络、模糊技术等现代控制理论的应用为实现空调系统智能控制提供了必要的工具和手段。因此可以说，节能、环保和改善室内环境舒适性的要求促进了变容量控制在制冷空调中的应用和发展。

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家用中央空调的前景是很令人看好的。尤其是它的内在潜力。未来中国的市场非常巨大

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MVRV空调系统的研究现状
　　国内对MVRV空调系统的研究才刚刚起步，主要是在进行家用一拖二和一拖三空调器的研制工作，对于更大型的系统还处于探索阶段。

　　国内的海尔和美的两家公司也通过引进日本的VRV技术分别推出了MRV和MDV多元变容量空调系统。
　　国内清华、同济、上海交大等一些科研机构和企业的科研团体，也都对多元变容量空调系统开展了一系列的研究工作，主要集中在系统性能与控制策略上，如清华提出了自治协调控制法、叠加循环控制法和独立解耦控制法等控制策略和算法，并在其自行搭建的一拖六实验台上得到了良好的验证

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家用中央空调,呵呵,一句话,别中央空调还难伺候呢.

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四．中央空调应用与发展趋势
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4.1 中央空调系统有三种主要形式

　　中央空调是集中处理空调负荷的系统型式，其冷/热量是通过一定的介质输送到空调房间里去的。按照家用小型中央空调的输送介质的不同，常见的家用小型中央空调可以分成以下三种主要型式。
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　　风管式系统：风管式系统以空气为输送介质，其原理与大型全空气中央空调系统的原理基本相同，是一个小型化的全空气中央空调系统。它利用室外主机集中产生冷/热量，将从室内引回的回风进行冷却/加热处理后，再送入室内消除其空调冷/热负荷。相对于其它的家用小型中央空调型式，风管式系统初投资较小。如若引入新风，其空气品质能得到较大的改善。但风管式系统的空气输配系统所占用建筑物空间较大，一般要求住宅要有较大的层高。而且它采用统一送风的方式，在没有变风量末端的情况下，难以满足不同房间不同的空调负荷要求。而变风量末端的引入将会使整个空调系统的初投资大大增加。

  b8 c9 z  W( b  D　　冷/热水机组：冷/热水机组的输送介质通常为水或乙二醇溶液，它的基本原理与通常所说的风机盘管系统类似。通过室外主机产生出空调冷/热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置处冷/热水与室内空气进行热量交换，产生出冷/热风，从而消除房间空调负荷。它是一种集中产生冷/热量，但分散处理各房间负荷的空调系统型式。该系统的室内末端装置通常为风机盘管。目前风机盘管一般均可以调节其风机转速，从而调节送入室内的冷/热量，因此该系统可以对每个空调房间进行单独调节，满足不同房间不同的空调需求，同时其节能性也较好。此外，由于冷/热水机组的输配系统所占空间很小，因此一般不受住宅层高的限制。但此种系统一般难以引进新风，因此对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。

　　VRV系统： VRV空调系统是一种冷剂式空调系统，它以制冷剂为输送介质，室外主机由室外侧换热器、压缩机和其他制冷附件组成，末端装置是由直接蒸发式换热器和风机组成的室内机。一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液体。通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷、热负荷要求，是一种可以根据室内负荷大小自动调节系统容量的节能、舒适、环保的空调系统。VRV系统具有节能、舒适、运转平稳等诸多优点，而且各房间可独立调节，能满足不同房间的不同空调负荷的需求。但其系统控制复杂，且其初投资高。
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, }) k% f: K% v" {9 v; B8 E　　除了上述三种基本的系统型式以外，还可以互相交叉，衍生出一些新型的系统。例如，将冷/热水机组和风管式系统进行组合，往室内送冷热水处理房间空调负荷，而新风统一由室外机处理后分别送入各个房间。

: _* {9 f& T# A( l4.2 美国家用小型中央空调发展现状

　　美国的家用小型中央空调普及率较高，这与其良好的居住条件以及较高的生活水平是分不开的。美国是世界第一经济大国，人民生活水准较高，对居住的舒适性要求也较高，这些都促进了该国家用小型中央空调的普及使用。
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　　美国的别墅型住宅具有宽敞、高大的特点，通常由中、高收入的家庭居住。由于其层高较大，具有足够的建筑空间用于布置风道，因此在美国，风管式系统在家用小型中央空调中所占的比重相当大。同时，由于美国居民对家用空调舒适性的要求较高，因此多采用有新风的风管式系统。目前，美国风管式系统的年产量约为600万台/年，占其家用空调产量的一半左右。
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　　美国的公寓型住宅适合于中、低收入的人群居住，其家用空调的型式以窗式空调器为主，也有采用小区供冷/热水的，一般不使用家用小型中央空调。目前美国窗式空调器年产量约为600万台/年，占其家用空调产量的一半左右。

3 k1 A8 F0 x" ?; N) J　　美国的家用小型中央空调的型式以风管式系统为主，其具体形式多种多样。风管式单元空调系统和风管式空调箱系统在美国的应用都很广泛，此外，集成了燃气炉的家用小型中央空调系统在美国的应用也非常普遍。此种家用小型中央空调系统在供冷季由制冷机组提供冷量，在供热季由燃气炉提供热量，对室内回风和新风进行处理，消除房间空调负荷，同时也可以满足家庭生活热水的需求。

$ c9 ^$ t2 r* [# c4.3 日本家用小型中央空调发展现状

　　与美国以风管式系统为主的特点不同，日本的家用空调走的是一条"氟系统"为主的发展道路，从窗式空调器到定速分体式空调器，再到变频分体式空调器。同样，日本的家用小型中央空调也以冷剂式空调即VRV系统为主。

" O, S' J3 c% W: v9 G　　在世界冷剂式空调行业中，在二十世纪九十年代以前，60％的市场被日本所占有，并且在设备开发和控制技术上都处于世界最前沿。这为日本发展VRV系统提供了技术保证。同时，日本国土面积小而人口众多，人口密度非常大，其住宅多属于高密度住宅，建筑结构较为紧凑。一般层高均较低，不适合于布置需要占用较大层高的风管式空调系统。而且日本是个国内资源匮乏的国家，其能源消耗主要依赖于从国外进口，因此该国非常强调节能。家用空调作为能源消耗大户，其节能技术的开发尤其受到重视。VRV系统的节能性是其在日本得到广泛应用的一个重要原因。另外，对于专业的空调安装队伍来讲，VRV系统的安装非常规范，施工费用低。以上这些因素决定了日本家用小型中央空调的型式以VRV系统为主。
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6 V" q6 A. U' t! v4 k! C  [　　此外，在日本，对于比较高档的别墅住宅，也有采用风管式系统的，风管式单元空调系统和风管式空调箱系统都有应用。对于面积很大的高级住宅还采用新风机组+风管式空调箱系统，通过新风道将室外空气引入室内，运行时需要关闭房间所有的窗户，原则上可实现全年连续运行。对于中级住宅或规模较小的高级住宅也有采用冷/热水机组的，在这种系统中，室内末端装置多采用落地式风机盘管，当采用吊顶式风机盘管，在冬季供热时，室内上下温差太大，通常辅以电热壁毯作为辅助热源。

! h# G* R# Z$ k7 y8 {4.4 中国家用小型中央空调发展趋势分析

( I1 @5 }8 Q' ~8 j2 D0 M　　随着我国经济的逐步增长，居住条件日益改善，人们对家居环境的舒适性的要求越来越高，对家用空调的需求越来越大，家用空调从奢侈品变成了舒适家居的不可缺少的重要部分。

: T& P# e& l$ m+ y) ]( G　　中国的国情与美国和日本都有很大的不同，因此，在发展家用小型中央空调的道路上，应当结合中国自身的特点，在仔细分析中国具体国情的基础上，推进我国在家用小型中央空调领域中的研究和应用。
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　　第一，我国是一个幅员辽阔的国家，地理、气候条件极为复杂，拥有多种多样的气候类型。这就必然要求我们的家用小型中央空调具有多样性的特点。如何根据不同的气候特征选择合适的空调型式，如何在系统设计中充分考虑不同气候的影响，这是我们在发展家用小型中央空调时应当考虑的问题。
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! Z& |7 c8 }) [  D7 L( V5 ~　　第二，我国经济发展水平地区差异性大，在不同的地区人们对家用空调的需求不一样。即使在同一地区，由于人们的收入水平不一样，住宅形式也千差万别，而且生活习惯也不尽相同，因此对家用空调的需求也是多层次的。如何针对不同层次的用户设计不同型式的家用空调，这也是值得研究的一个问题。

/ j- o6 W7 `+ G% y- ~; r4 x　　第三，从能源的角度来看，我国虽然能源总量很大，但由于人口众多，人均能源拥有量不高，能源供应相对较为紧张。而住宅空调在当前的能源消耗结构中所占的比重是非常大的。这就要求我国的家用小型中央空调的发展必需注重节能性，一方面要注重提高机组本身的能效比，另外一方面应当注重能源的综合利用。这样也就对变流量技术、蓄能技术、能源综合利用技术等提出了更高的要求。
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　　第四，从环境的角度来看，目前我国环境污染的问题较为突出，许多城市出现了诸如"热岛"效应、空气污染等现象。考虑上述问题，一方面是要求所开发的家用小型中央空调必须具有环保的特点，把对环境的影响尽量减小到最小，另一方面是要充分考虑到环境污染对空调系统本身的性能带来的影响，针对它进行一些相应的设计。例如，在使用风冷热泵作为室外主机时，目前我国大城市中污染较为严重的空气对机组换热性能的影响就应当充分考虑。
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2 S( M5 ^4 i/ U' ?6 k  R　　通过以上分析可以看出，我国对家用小型中央空调的需求是多样化、多层次的，因此我们对家用小型中央空调的研究也应当遵循相应原则，对各种型式的家用小型中央空调进行研究和开发，不应当只强调某一种型式的系统而忽视其它类型。在研究和设计过程中，应当充分考虑到中国在地理气候条件、居住住宅形式、人们生活习惯等诸方面的因素，针对中国的用户开发出适合中国国情的家用小型中央空调系统。

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三．国内空调系统研究现状
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! q8 [% j. u$ _. [+ Q1 d4 F. v, l" i　　我国空调业从第一台窗式空调器诞生以后，发展缓慢。到80年代初，大量地引进技术和生产线以后，才开始了较快速度的发展，同时在一些高等院校和有实力的生产厂家陆续成立了相应的研究机构。其研究方向主要集中在空调制冷系统及部件的优化设计、制冷系统特性与仿真、工质替代和人工环境特性等应用基础研究方面，取得了诸多的科研成果。但对于实现环境的舒适性调节和空调系统的智能控制方面的研究才刚刚起步，有待于进一步深入和发展。
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7 U# N% o; L8 ^  J  x$ D3.1 单元空调系统的研究现状
: p) J) {3 [1 I2 s1 v' _9 I　　变频技术、微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件。我国从1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术，对电子膨胀阀的调节特性及其应用领域进行了系统研究。大部分研究工作都集中在单相压缩机变频调速技术和室内环境的舒适度控制方面。1995年以后，日本向中国开放了变频压缩机市场，国内部分企业开始引进日本技术和设备，生产变频空调器。之后，对变频空调器的实验和仿真成为了国内的研究热点，各科研机构和空调器生产企业进行了相应的理论和实验研究工作。海信和清华大学合作，于1998年成功地开发出变频空调器，现已投入批量生产，所开发出的变频空调器，压缩机和室内机风扇电机分别采用了交流和直流变频技术，采用了不间断制热的热气旁通除霜方式，空调器的各项性能指标达到或超过国际同类产品水平。目前国内很多公司都推出了变频空调产品。
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) M8 ^" g" m* z　　自20世纪60年代开始的计算机仿真模型在房间空调器系统中得到应用以来，有关房间空调器系统及部件的仿真模拟得到了越来越深入的研究。房间空调器模拟的目的之一是对现有的房间空调器系统的性能进行校核，其次是通过改变系统或部件的结构实现系统的最优化设计，同时为控制系统提供被控软件。仿真模拟的最终目的是期望最大限度地代替实验。清华、上海交通、西安交通等单位先后推出了窗式空调、分体空调以及变频空调的仿真与优化设计软件，对变频空调系统进行研究，并通过仿真的方法研究对采用电子膨胀阀与毛细管作为节流装置的系统进行了研究与优化设计，取得了很好的效果。
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/ K9 R0 v4 k$ P1 ~! T* `3 _3.2 MVRV空调系统的研究现状
　　国内对MVRV空调系统的研究才刚刚起步，主要是在进行家用一拖二和一拖三空调器的研制工作，对于更大型的系统还处于探索阶段。

6 t6 f: U) F, Q6 T4 h　　国内的海尔和美的两家公司也通过引进日本的VRV技术分别推出了MRV和MDV多元变容量空调系统。
　　国内清华、同济、上海交大等一些科研机构和企业的科研团体，也都对多元变容量空调系统开展了一系列的研究工作，主要集中在系统性能与控制策略上，如清华提出了自治协调控制法、叠加循环控制法和独立解耦控制法等控制策略和算法，并在其自行搭建的一拖六实验台上得到了良好的验证

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表1.2示出直接蒸发式空调系统及相关技术的纵、横向发展状况。随着制冷循环控制技术的不断研究和研究成果的应用，先后诞生了非变频调节和变频调节的MVRV空调系统及与MVRV系统组合应用的VAV空调系统，推进了小型独立分散空调系统的发展。进入90年代后，计算机通讯、制冷循环控制、设备管理、故障诊断等技术的发展，加速了空调系统网络控制的进程，自律分散协调控制技术在MVRV空调系统中的应用成功，使网络控制技术得到了进一步简化，推进了小型独立分散空调系统向大型集中空调系统和热回收型MVRV空调系统的转化。95年以后，成功地将蓄冷技术应用于MVRV空调系统中，使能源利用结构更趋合理。在对IAQ要求越来越高的今天, 综合考虑节能、能源利用结构的优化、空调设备的可靠性和室内环境的舒适性，智能控制空调系统将是今后的发展方向。
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表1.2 直接蒸发式空调系统的技术进展

从直接蒸发式空调系统的发展过程中可以看出，变频技术、电子膨胀阀和现代控制理论在SVRV上的应用，具有划时代的意义，它不仅为创造舒适环境、实现空调设备的高效节能运行提供了技术保证，而且为MVRV空调系统的开发和发展提供了坚强的技术基础。

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二．世界空调行业技术进展

5 k* m$ K6 X* E' q  A* r: P% ?　　室内环境的舒适性与室内温度、湿度、辐射温度、气流速度、着衣量和人体活动等六要素有着密切的关系[3]，近来的研究表明，室内装饰的色调、音响效果、光线的明亮程度和空气的清新度等也是影响室内舒适性不可忽视的因素。随着社会的进步，人们对空调环境的舒适性要求越来越高，越来越接近自然。从空调系统诞生开始，空调环境已经走过了防暑御寒、自动控温、基本舒适和非感空调阶段，并逐步进入感知空调阶段。在空调环境的发展历程，家用空调系统的技术进步起到至关重要的作用。
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　　世界家用空调行业中，在90年代以前，60％的市场被日本所占有，并且在设备开发和控制技术上都处于世界最前沿。所以从日本空调技术的发展可以看出世界空调行业的变迁过程。直接蒸发式空调系统的发展过程，大致可以分为五个阶段，其技术特征和代表技术参见表1.1。从表中可以看出，直接蒸发式空调技术的发展主要集中在三个方面：①追求空调系统的高效节能，特别是在1972年石油危机以后，改善压缩机、热交换器、风扇的性能，加强对制冷循环特性的研究，优化制冷系统，实现了空调系统的小型化、低能耗、低噪音、高可靠性；②追求室内环境的高舒适性，从单一的温度控制发展到室内热环境特性（如PMV等）的综合控制，从简单的双位控制发展到人工神经网络与模糊技术相结合的智能控制，以实现人们对舒适性的要求；③追求空调系统的多功能化、多元化，从单冷型窗式空调器发展到热回收型MVRV空调系统，极大地拓广了直接蒸发式空调系统的应用范围，开辟了集中空调系统的新领域。