对比分析：模块冷热水机组、变频多联机组、螺杆冷水机组

1、系统构成     
模块冷热水机组采用模块化设计 , 由若干台小容量制冷模块并联组成 , 每台模块都配有全封闭涡旋压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置等部件 , 可独立运行。系统还配置了冷热水循环泵、定压装置、集水器等辅助设备 , 通过冷冻水或冷却水管路将冷量输送给末端装置 [1] 。

模块机组具有较大的灵活性 , 可根据负荷需求增减模块数量。常见的机型有风冷模块机组、水冷模块机组、风冷热泵模块机组等。其中 , 风冷模块机组以空气为冷源 , 安装简单 , 但受环境温度影响大 ; 水冷模块机组以冷却水为冷源 , 制冷效率高 , 但需配备冷却塔 ; 风冷热泵模块机组可提供冷热水 , 供夏季制冷和冬季供暖 , 但在寒冷地区需要采取防冻措施。

 

2、工作原理      
模块机组的工作原理与常规的蒸气压缩制冷循环相同 , 通过改变制冷剂的相态和压力 , 实现制冷剂与冷热水之间的热量交换。在制冷模式下 , 压缩机吸入低温低压的气态制冷剂 , 经过压缩后 , 制冷剂温度和压力升高 , 进入冷凝器向冷却水放热 , 凝结成高压液体。高压液态制冷剂通过节流阀节流降压 , 变为低压液体 , 进入蒸发器吸收冷冻水的热量 , 蒸发为低压蒸汽 , 再次进入压缩机 , 完成一个制冷循环 [2] 。

模块机组的压缩机大多采用全封闭涡旋式 , 具有体积小、振动低、噪音小的特点。蒸发器和冷凝器多采用高效的板式换热器 , 传热系数高 , 布置紧凑。每台模块的输入功率一般为 30kW, 制冷量可达 100kW, 通过增加模块数可获得更大的制冷量。

3、应用场景     
模块机组广泛应用于宾馆、办公楼、商场等公共建筑的集中空调系统。由于其占地面积小 , 布置灵活 , 机组可置于建筑内部或屋顶 , 与末端风机盘管等形成冷冻水系统 [3] 。与传统的大型螺杆式或离心式冷水机组相比 , 模块机组的分布式布置可减少冷量的输送损失 , 提高系统能效。

在建筑物局部改造或扩建时 , 模块机组无需改变原有管路 , 只需增加模块即可满足所需冷量 , 适应性强。此外 , 由于模块机组采用并联供冷 , 当个别模块故障时 , 其余模块仍能正常运行 , 系统可靠性高。

4、优缺点分析    
模块机组的优点主要有 :

(1) 部分负荷性能好。由于采用多台小容量压缩机 , 可根据负荷变化调节运行台数 , 在满负荷至 30% 负荷间能保持较高的 COP 值 , 节能效果显著。

(2) 安装灵活。模块尺寸小 , 重量轻 , 现场装配简单 , 布置灵活 , 可利用狭小空间。

(3) 可靠性高。模块并联运行 , 单台故障不影响其他模块 , 系统无需全停。

(4) 机型丰富。可提供多种冷源形式和供冷供热功能 , 适用不同的建筑类型和气候条件。

5、模块机组的缺点主要有 :    

(1) 系统复杂。模块较多 , 管路连接复杂 , 施工工艺要求高 , 调试工作量大。

(2) 占空间大。模块体积小 , 但数量多 , 需要较大的机房空间。

(3) 水路阻力大。模块机组内部换热器多为紧凑型 , 加之管路较长 , 系统阻力大 , 增加了水泵能耗 [4] 。

1、系统构成      
变频多联机组 (VRF) 是一种直接蒸发式空调系统 , 由一台室外机和若干台室内机组成。室外机包括变频压缩机、四通阀、 outdoor heat exchanger 等 , 通过制冷剂管路与室内机连接。室内机种类多样 , 如风管机、吊顶机、嵌入机、壁挂机等 , 可灵活组合 , 满足不同房间的布置要求 [5] 。

 

VRF 系统根据压缩机数量可分为单模块和多模块系统。单模块系统仅有一台变频压缩机 , 供冷供热量有限 , 适合中小型建筑。多模块系统由多台变频压缩机并联 , 通过顺序控制实现大范围调节 , 供冷供热量更大 , 可应用于大型公共建筑。

2、工作原理      
VRF 系统的工作原理是利用压缩机频率调节和电子膨胀阀开度控制 , 实现制冷剂流量的无级调节 , 从而精确满足房间的冷热负荷需求。在制冷工况下 , 室外机作为冷凝器 , 室内机作为蒸发器。变频压缩机根据各房间负荷的总需求 , 自动调整压缩机频率 , 改变制冷剂的流量 ; 电子膨胀阀根据各室内机的制冷需求 , 独立调节制冷剂流量。高温高压液态制冷剂经四通阀进入室内机 , 与回风换热蒸发 , 带走显热和潜热 , 而后回到室外机继续冷凝 [6] 。

在供热工况下 , 系统的运行模式与制冷时相反。四通阀换向 , 室外机作为蒸发器吸收外界热量 , 室内机作为冷凝器向房间供热。供回液管中的液态和气态制冷剂分别通过电子膨胀阀节流和气液分离器分离 , 再汇合进入压缩机。

3、应用场景    
VRF 系统具有输送距离长、安装灵活、温度控制精准等特点 , 在办公楼、酒店、商场等对舒适性要求高的场合广泛应用。它采用一拖多的形式 , 一台室外机最多可连接 60 余台室内机 , 满足大空间的分区控制需求 [7] 。分歧管安装于吊顶内 , 室内机可随需要灵活拆装和移位 , 便于办公楼宇的频繁装修。

VRF 系统常用于旧建筑改造 , 因其室外机体积小 , 可置于屋顶或外墙 , 室内管路可利用原有架空层 , 施工便捷。 VRF 也适用于精密恒温房间如电子厂房、检验室等 , 其温度控制精度可达 ±0.5℃ 。在寒冷和炎热地区 , 热泵型 VRF 机组可提供冷热双向调节 , 一站式满足供暖和制冷需求。

 

4、优缺点分析    

VRF 系统的优点主要有 :

(1) 节能性好。变频压缩机可实现宽范围无级调速 , 部分负荷工况下节能效果显著。

(2) 温度控制精准。结合变频和电子膨胀阀的协同控制 , 温度波动小 , 控制精度高。

(3) 安装灵活。室内机种类丰富 , 室外机布置灵活 , 改造施工方便。

(4) 舒适性好。可实现房间内分区控制 , 满足个性化的温度和送风需求。

VRF 系统的缺点主要有 :

(1) 冷媒用量大。大型 VRF 系统的冷媒管路长 , 填充量大 , 存在泄漏风险。

(2) 维护要求高。分系统多 , 管路连接复杂 , 检修工作量大 , 需专业人员定期维护。

(3) 适用范围有限。机组容量和输送距离受到冷媒特性的限制 , 不适合超大型建筑 [8] 。

1、系统构成    

螺杆冷水机组主要由并联的双螺杆压缩机、蒸发器、冷凝器、油分离器等组成。机组自身集成了控制柜 , 通过温度、压力等传感器采集系统状态信息 , 实现全自动运行。冷水机组通过冷冻水系统将冷量输送至空调末端 , 末端形式可采用风机盘管、新风处理机组等 [9] 。

常见的螺杆机组有风冷式和水冷式两种。风冷式机组采用风冷冷凝器 , 利用气冷散热 , 安装简单 , 但散热效果受环境温度影响较大 ; 水冷式机组采用壳管式冷凝器 , 以冷却水作为冷凝介质 , 冷却效果稳定 , 但需要配备冷却塔等辅助设备。

2、工作原理     

螺杆机组的压缩机由一对相互啮合的公螺杆和母螺杆组成。两根螺杆高速旋转 , 螺槽容积不断变化 , 从而实现制冷剂的吸气、压缩和排气过程。与活塞式压缩机相比 , 螺杆压缩机的压缩过程更加平稳 , 振动和噪音更小 [10] 。

螺杆压缩机多采用滑阀调节 , 通过改变滑阀的轴向位置 , 使压缩腔与吸气腔或排气腔连通 , 从而实现排气量的变化。在部分负荷工况下 , 滑阀退出 , 使部分已压缩的制冷剂回到吸气腔 , 避免过压缩 , 节省功耗。

冷水机组的蒸发器和冷凝器根据容量大小 , 可选用壳管式或板式换热器。壳管式换热器传热系数较低 , 但制造工艺简单 , 成本低 ; 板式换热器传热系数高 , 布置紧凑 , 但制造精度要求高 , 成本较高。冷凝器一般设置过冷段 , 以提高制冷剂的冷凝效果。

3、应用场景    

螺杆冷水机组的单机制冷量较大 , 在 300kW 至 1000kW 之间 , 适用于大型公共建筑、工业厂房等负荷集中的场合。机组可灵活并联 , 组成大型中央空调系统 , 制冷量可达数千 kW 。与多联机组相比 , 螺杆机组输送冷量无需长距离冷媒管 , 更适合超大规模建筑 [11] 。

在洁净车间、恒温恒湿实验室等对温湿度控制要求严格的特殊场合 , 螺杆机组可与精密空调末端配合 , 提供恒定的冷冻水温度。在工业领域 , 螺杆机组还可用于工艺冷却、食品冷藏等低温制冷环境 , 其蒸发温度可低至 -35℃ 。

 

4、优缺点分析      

螺杆冷水机组的优点主要有 :

(1) 制冷量大。单机组制冷量可达 1000kW 以上 , 满足集中负荷的制冷需求。

(2) 运行可靠。螺杆压缩机运转平稳 , 噪音低 , 故障率低 , 使用寿命长。

(3) 适应性强。可提供较宽的蒸发温度范围 , 适用于低温工况。

螺杆冷水机组的缺点主要有 :

(1) 低负荷性能差。螺杆压缩机在小负荷时效率下降明显 , 滑阀调节范围有限。

(2) 控制灵活性不足。冷冻水温度和水量调节相对粗线 , 难以精确满足分散负荷的需求。

(3) 水力系统复杂。冷冻泵、冷却泵等辅助设备多 , 管路布置复杂 , 施工难度大。

综上所述 , 模块冷热水机组、变频多联机组和螺杆冷水机组各有其特点和优势。模块机组的部分负荷性能高 , 安装灵活 , 但系统较为复杂 ; 变频多联机组的温控精度高 , 节能潜力大 , 但冷媒用量多 ; 螺杆机组的制冷量大 , 运行可靠 , 但控制灵活性不足。

在实际的工程设计中 , 应根据建筑的类型、规模、空间布局、使用要求等因素 , 权衡各种机组的优缺点 , 因地制宜地选择。对于中小型建筑 , 分散布置的房间 , 宜采用模块机组或变频多联机 ; 对于大型建筑 , 集中布置的房间 , 宜采用螺杆机组或模块机组 ; 对于对温度控制要求高的场合 , 变频多联机和螺杆机更具优势 ; 而在施工条件有限的情况下 , 模块机组安装更加便捷。

此外 , 不同类型的机组还可组合应用 , 发挥互补优势。如在寒冷地区 , 可采用螺杆热泵机组 + 多联机组的方式 , 集中提供热水 , 分散控制房间温度。在洁净空调工程中 , 可采用螺杆机组 + 洁净型模块机组 , 提供不同等级的温湿度控制。

未来 , 随着节能减排压力的增大 , 制冷系统的能效将成为关注的重点。工程设计应从建筑全生命周期出发 , 综合考虑机组自身能耗、输配系统能耗、维护运行能耗等 , 优化机组选型和系统方案。在设备层面 , 通过优化压缩机转子型线、气阀结构、喷油冷却等 , 提高螺杆机的部分负荷性能 ; 采用两级压缩、经济器增焓等 , 提高变频多联机的能效比 ; 结合电子膨胀阀、变频风机等 , 增强模块机组的控制精度和灵活性。

在控制策略方面 , 通过大数据分析和人工智能算法 , 实现机组的自适应控制和预测性维护 , 最大限度地发挥节能潜力 ; 通过与空调末端的协同优化 , 减少冷热量的输配损失 ; 通过与储能装置、可再生能源系统的耦合 , 增强系统的灵活调节能力。