大型風冷熱泵機組性能實驗臺節(jié)能設計與分析

李樹云，代彥軍

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年來，制冷設備能效標準要求提高，產品的市場準入門檻嚴格，生產企業(yè)的實驗室規(guī)模增大，其能源消耗引起人們的注意。

常規(guī)性能實驗臺需要通過額外的冷、熱源，同時在實驗臺系統(tǒng)的不同位置加入冷量和熱量來維持實驗工況[1-7]，造成極大的能量浪費。徐衛(wèi)榮等通過增設表冷器的方式改進了使用電加熱器做為熱源的制冷量為25 kW 的超小型實驗臺，并取得了較好的節(jié)電效果[5]。但是，對于其它方式的冷、熱源，上述改進的效果如何？對于大型的實驗臺，上述改進方式是否會引起測試間溫度場的不均勻？對于大型性能實驗臺，如何進行優(yōu)化設計以保證測試工況和精度要求的同時降低實驗臺的能耗？對于以上疑問，作者尚未發(fā)現(xiàn)相關文獻記載。鑒于此，本文作者在研究了常規(guī)性能實驗臺能耗分配的基礎上，提出了風冷冷水（熱泵）機組性能實驗臺的優(yōu)化設計方案。為區(qū)別常規(guī)性能實驗臺的設計，本文設計的性能實驗臺在文中簡稱為“節(jié)能實驗臺”。

1 節(jié)能實驗臺的測試要求和設計參數(shù)

依據(jù)文獻[8-10]，被測風冷冷水（熱泵）機組的制冷（熱）量及性能系數(shù)等參數(shù)的測試是在保證機組運行于文獻[8]或文獻[9]規(guī)定的測試工況條件下，通過測量被測機組的進、出水溫度和水流量，按照公式(1～6)計算獲得。

機組制冷量：

機組制熱量：

式中：

Qn——機組凈制冷量，W；

Qh——機組凈制熱量，W；

C——平均溫度下水的比熱容，J/(kg·℃)；

qm——冷（熱）水質量流量，kg/s；

t1——冷（熱）水進口溫度，℃；

t2——冷（熱）水出口溫度，℃；

Qc——環(huán)境傳入干式蒸發(fā)器的修正項，W；

qev——機組凈制冷量，kW；

qcd——機組凈制熱量，kW；

mw——冷（熱）水質量流量，kg/s；

cP——水的比熱容，kJ/(kg·K)；

te——冷（熱）水進口溫度，℃；

tl——冷（熱）水出口溫度，℃。

機組性能系數(shù)：

式中：

COP——機組性能系數(shù)；

Q——機組凈制冷（熱）量，W；

N0——機組總輸入電功率，W；

q——機組凈制冷（熱）量，kW；

WINPUT——機組總輸入電功率，kW。

本文設計的節(jié)能實驗臺測試能力覆蓋到制冷量1750 kW；實驗臺的測試精度滿足文獻[8-10]的要求；名義工況實驗時可在1 小時內進入穩(wěn)定工況；穩(wěn)定工況可維持1 小時以上。

2 節(jié)能實驗臺的設計

為節(jié)約實驗臺運行時能源的消耗，節(jié)能實驗臺設計了一個中間恒溫水箱，如圖1 所示，實驗臺系統(tǒng)各功能控制模塊連接到水箱上，通過水箱進行系統(tǒng)內部能量交換，實現(xiàn)節(jié)能目的；同時，為進一步降低測試小冷量機組時實驗臺的整體能耗，本節(jié)能實驗臺設計為可獨立控制的小系統(tǒng)和大系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，在測試制冷量小于1000 kW機組時，使用小系統(tǒng)。

圖1 節(jié)能實驗臺設計方案框圖

2.1 水系統(tǒng)溫度和流量控制

如圖2 所示，節(jié)能實驗臺設計有P01 和P02兩套并聯(lián)的變頻水泵裝置，分別為小系統(tǒng)及大系統(tǒng)提供循環(huán)水流量；兩套水泵裝置的支路上各裝有一套流量傳感器FM01 及FM02，用于測量和控制通過被測機組的水流量；溫度傳感器TS01 和TS02 用于測量被測機組進、出口水溫；高精度電動調節(jié)閥MV01 和MV02 用來控制旁通水量。

圖2 節(jié)能實驗臺水系統(tǒng)溫度和流量控制示意圖

2.2 環(huán)境溫、濕度控制

節(jié)能實驗臺測試間布置有10 臺空氣處理機組對測試間溫、濕度調節(jié)、控制，每臺空氣處理機組由雙速風機、表冷器、蒸發(fā)器、加濕器組成。如圖3 所示，10 臺空氣處理機組分為可獨立控制的4 組分別用于小系統(tǒng)和大系統(tǒng)。表冷器中使用乙二醇溶液作為載冷劑，并通過板式換熱器BPHE01 和BPHE02 與恒溫水箱中的水進行隔離和熱交換。每組表冷器的進、出口并聯(lián)有一個電動三通調節(jié)閥，通過控制電動三通調節(jié)閥的旁通量以控制測試間干球溫度。

圖3 節(jié)能實驗臺環(huán)境溫度控制示意圖

對應于10 臺蒸發(fā)器，設計有10 套壓縮冷凝機組，輔助向測試間提供冷量以備特殊情況使用。

文獻[11-14]研究了翅片式蒸發(fā)器和表冷器的翅片形式對性能的影響，以及蒸發(fā)器表面結霜及霜層生長的特性和優(yōu)化除霜方式。在節(jié)能實驗臺蒸發(fā)器及表冷器的設計中，借鑒上述文獻的研究成果進行了優(yōu)化設計。

節(jié)能實驗臺使用蒸汽加濕的方式控制濕度，如圖4 所示，通過電動二通調節(jié)閥MV08～MV11控制測試間的加濕量，從而控制測試間的濕度，達到控制測試間濕球溫度目的。

圖4 節(jié)能實驗臺環(huán)境濕度控制示意圖

2.3 恒溫水箱溫度控制

如圖5 所示，節(jié)能實驗臺恒溫水箱溫度控制靠輔助冷水機組、冷卻塔以及蒸汽協(xié)同工作來實現(xiàn)。正常情況下，通過輔助冷水機組的產生的冷量來降低水箱溫度，使用蒸汽來升高水箱溫度，在環(huán)境溫度較低的季節(jié)，則通過板式換熱器BPHE03 使用冷卻塔降低水箱溫度，進一步降低實驗臺的能耗。為獲得相對穩(wěn)定的冷卻塔出水溫度，采用變頻器驅動冷卻塔風扇，同時降低冷卻塔的能耗[15]。

圖5 節(jié)能實驗臺恒溫水箱溫度控制示意圖

3 實驗臺能耗分析

3.1 常規(guī)實驗臺的能耗分析

3.1.1 常規(guī)實驗臺的設計原理

常規(guī)性能實驗臺的系統(tǒng)原理如圖6 所示，通過圖中的熱交換器與外部熱（冷）源進行熱交換，以平衡機組產生的冷（熱）量，再通過被試機組回水口附近設置的加熱器，來控制機組的水溫。某些實驗臺在圖中虛線框所示位置裝有旁通電動閥，用來控制通過被試機組的水流量，而有些實驗臺則使用變頻循環(huán)泵來控制。

常規(guī)性能實驗臺的測試間工況控制：通過空氣處理機組的蒸發(fā)器和加熱段的聯(lián)合控制來實現(xiàn)對測試間的干球溫度的控制；通過加濕段加濕量的控制來實現(xiàn)對測試間濕球溫度的控制。

3.1.2 常規(guī)實驗臺的能耗分析

性能實驗臺系統(tǒng)的能耗主要由3 部分組成：(1)被試機組的電功率輸入；(2)為維護水溫及水流量而向實驗臺系統(tǒng)輸入的能量；(3)為維護風側工況而向實驗臺系統(tǒng)輸入的能量。

一臺制冷量為Q1，性能系數(shù)為COP1的風冷冷水機組進行名義制冷工況試驗時，

被試機組的電功率輸入為：

為維護水溫和水流量需要向實驗臺系統(tǒng)輸入的能量為：

式中：

Qi——外界環(huán)境向實驗臺水管路系統(tǒng)漏熱（為保證對水溫的精確控制，通常實驗臺的水管路系統(tǒng)都保溫良好，工程上此項可忽略不計），kW；

η1——熱交換器的效率；

W2——循環(huán)水泵消耗的功率，kW。

為維護風側工況需要向實驗臺系統(tǒng)輸入的能量為：

式中：

Qii——實驗臺測試間向外界環(huán)境漏熱（通常實驗臺測試間都保溫良好，此項為小量，約占總負荷的1%～2%），kW；

W3——空氣處理機組風機消耗的功率，kW。

實驗臺系統(tǒng)的總能耗為：

3.2 節(jié)能實驗臺的能耗分析

沿用3.1.2 節(jié)中的案例，則

被試機組的電功率輸入為：

由于實驗臺的水側冷量通過實驗臺系統(tǒng)被風側的熱量平衡掉，因此

為維護水溫和水流量需要向實驗臺系統(tǒng)輸入的能量為：

式中：

W2′——循環(huán)水泵消耗的功率，kW。

為維護環(huán)境工況需要向實驗臺系統(tǒng)輸入的能量為：

式中：

W2′——空氣處理機組風機消耗的功率，kW。

制冷名義工況實驗時實驗臺系統(tǒng)的總能耗為：

式(15)除以Q1可得：

3.3 節(jié)能實驗臺的節(jié)能潛力

根據(jù)3.1.2 和3.2 節(jié)的理論分析結果，對應于國家標準規(guī)定的各能效等級，在進行機組名義制冷試驗時，節(jié)能實驗臺和常規(guī)實驗臺的能耗比較如下表。

表1 實驗臺能耗比較

由以上分析可以看出，節(jié)能實驗臺消耗的能量不足常規(guī)實驗臺消耗能量的50%，因此，本文設計的節(jié)能實驗臺方案具有較大的節(jié)能潛力，特別對于大型性能實驗臺，運行時節(jié)約的能源更為可觀。

而且，機組的COP越高，節(jié)能實驗臺的節(jié)能效果越顯著。隨著節(jié)能降耗的實施，風冷冷水（熱泵）機組的性能系數(shù)最低要求逐步提高，本文設計的節(jié)能實驗臺在未來更加實用。

4 節(jié)能實驗臺的實驗校核

節(jié)能實驗臺進行AHRI 和國標認證現(xiàn)場測試時獲得的原始數(shù)據(jù)見表2。現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行如下分析計算。

對于實驗1，進行必要計算如下：

蒸發(fā)器進出水平均溫度：

水的比熱[9]：

水的密度[9]：

蒸發(fā)器循環(huán)水質量流量：

由公式(2)可得被測機組的凈制冷量：

由公式(6)可得被測機組的COP：

本次實驗中，水泵P01 和P09 不工作，其余水泵均處于工作狀態(tài)，水泵的總消耗功率為250 kW；10 臺空氣處理機組均處于工作狀態(tài)，空氣處理機組消耗的總功率為110 kW；冷卻塔耗電為15 kW；輔助冷水機組消耗電功率為219 kW。

因此，性能實驗臺的總功耗為594 kW。

即，本節(jié)能實驗臺在測試這臺制冷量為1317 kW，COP為2.67 的冷水機組的名義制冷工況時，性能實驗臺消耗的功率為被測機組冷量的0.826 倍。

對于實驗2，計算結果如下：

在本實驗中，水泵P02、P05、P06、P07 和P08 處于工作狀態(tài)，水泵的總消耗功率為155.5 kW；6 臺空氣處理機組處于工作狀態(tài)，空氣處理機組消耗的總功率為66 kW；冷卻塔耗電為15 kW；輔助冷水機組消耗電功率為140.5 kW。

因此，性能實驗臺的總功耗為377 kW。

即，本節(jié)能實驗臺在按照AHRI 標準測試這臺制冷量為1317 kW，COP為2.67 的冷水機組的25%負荷制冷工況時，性能實驗臺消耗的功率為被測機組冷量的1.091 倍。

上述兩個實驗的結果與3 節(jié)中的理論分析結果一致。

表2 認證實驗原始數(shù)據(jù)

5 結論

通過對常規(guī)風冷冷水（熱泵）機組性能實驗臺的能耗分析，找到常規(guī)實驗臺的能耗分配，及節(jié)能實驗臺節(jié)能設計的著手點，經(jīng)過嚴密的可行性分析及反復的理論計算，提出了本文中節(jié)能實驗臺的設計方案。由節(jié)能實驗臺的實驗數(shù)據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)，一臺制冷量為1317 kW，COP為2.67的風冷冷水機組進行名義工況性能試驗時，節(jié)能實驗臺系統(tǒng)消耗的能量僅為該被測機組制冷量的0.826 倍，實驗結果與文中理論分析結果一致，節(jié)能實驗臺設計方案在實際生產中具有很大的實用價值，也為類似實驗臺的設計提供了借鑒經(jīng)驗。

不足的是，由于本節(jié)能實驗臺為企業(yè)出資建設的生產用實驗臺，并非單純的研究使用，同時本實驗臺的冷量覆蓋范圍大、投資較高，為保證實驗臺的使用，在實際設計過程中，各部件的設計選型都趨于保守，本節(jié)能實驗臺還有一定的優(yōu)化設計空間。

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