焓差試驗室的節(jié)能研究及應用

唐 崢，羅祥坤，鄧本崢

( 廣州蘭石技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510530 )

0 引言

空氣焓值法[1]所構(gòu)成的焓差試驗室是空調(diào)器性能測試和能效標定的主要設(shè)備，廣泛應用于空調(diào)器制造廠以及各級檢測機構(gòu)。它是由室內(nèi)側(cè)室、室外側(cè)室及其空氣處理機組，風量測量設(shè)備、環(huán)境控制設(shè)備和數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備等組成[2]。通過在額定的工況條件下測量空調(diào)器室內(nèi)側(cè)送風焓差及風量，計算出其制冷(熱)量，并同時用功率計直接測出其耗電量。

為了保證室內(nèi)側(cè)室和室外側(cè)室在標準和穩(wěn)定的試驗工況下運行，兩室都有空氣處理設(shè)備，其中都包括了制冷、加熱、加濕和送風功能[3]。由于制冷與加熱、加濕能量互相抵消，實驗室運行過程中消耗了大量的電力。

表1 常規(guī)焓差實驗室KC-50型空調(diào)制冷量試驗耗能表

表1為一個常規(guī)焓差試驗室空調(diào)器測量的實際案例，從中可以看出，測試一臺2匹空調(diào)器的制冷量，其被試空調(diào)器運行耗電僅2.127kW，而設(shè)備總運行耗電達49.311kWh/h，所以節(jié)能挖潛能力巨大。鄧經(jīng)生等[3-5]對焓差實驗室的節(jié)能分別做了一些研究，從不同角度對焓差試驗室做了一些改進。

本文從能量平衡、空氣處理、控制方式、設(shè)備運行等多角度出發(fā)，提出了焓差試驗室節(jié)能的較完整的解決方案，并且已經(jīng)在本公司新交付的焓差試驗室中得到廣泛應用，達到較好的經(jīng)濟和社會效益。

圖1 室內(nèi)側(cè)室各個設(shè)備的運行功率占比

1 室內(nèi)側(cè)室的解決方案

圖1為表1所述實際案例中室內(nèi)側(cè)室各個設(shè)備的運行功率占比。根據(jù)熱平衡原理[1]，從圖中可以看出，空氣處理系統(tǒng)中產(chǎn)冷的大部分被加濕和加熱消耗掉了(占72.8%)，其次是制冷壓縮機和循環(huán)風機本身的輸入功率。因此，要降低能耗，主要要解決冷熱平衡問題，其次盡可能解決設(shè)備本身能耗大的問題。

1.加濕器 2.循環(huán)風機 3.電加熱器 4.蒸發(fā)器 5.熱回收裝置 6.電子膨脹閥 7.冷凝器 8.變頻壓縮機 9.吸氣壓力調(diào)節(jié)閥

解決方案：根據(jù)焓差試驗室室內(nèi)側(cè)室的工況要求[1]，干球溫度20～32℃；濕球溫度12～23℃。室內(nèi)側(cè)室空氣處理機的制冷壓縮機采用了空調(diào)用高效變頻式壓縮機，配合制冷系統(tǒng)的熱回收設(shè)計、變流量及變蒸發(fā)壓力設(shè)計以及循環(huán)風機能量隨動設(shè)計和冷熱四分程控制設(shè)計[6]，使冷熱平衡量最少、壓縮機和風機運行功率最小，系統(tǒng)達到最佳匹配。圖2為空氣處理系統(tǒng)原理簡圖。

工作原理：制冷系統(tǒng)為逆卡諾循環(huán)[7]，通過自耦合算法來確定是使用干球溫度還是濕球溫度來控制壓縮機工作頻率。當干球溫度或濕球溫度高于設(shè)定值時，壓縮機頻率升高，轉(zhuǎn)速提高，流量增加，蒸發(fā)溫度降低，總冷量增加；反之，壓縮機頻率降低，總冷量減少。系統(tǒng)的自動控制使壓縮機最終運行在一個最佳頻率點上，即用最小的冷量同時滿足系統(tǒng)除濕(潛熱)或降溫(顯熱)的需要。這時系統(tǒng)中加濕器的加濕僅僅用來平衡被試機(制冷試驗時)的除濕，極大降低了加濕器運行功率。而利用變頻風扇可控熱回收裝置自動控制冷凝熱的排放量，實現(xiàn)冗余熱量的回收，使電加熱功率最小。同時壓縮機在最低的功率下運行。

系統(tǒng)實施要點：為了達到上述運行狀態(tài)，系統(tǒng)必須滿足以下幾點。(1)應保證制冷系統(tǒng)冷凝壓力的穩(wěn)定，并利用圖2的背壓控制閥9使壓縮機在使用范圍內(nèi)任一點都能穩(wěn)定運行。(2)應保證制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器局部迎風面(3-4排管)風速可調(diào)，滿足蒸發(fā)器除濕效率的要求。(3)通過循環(huán)風機的能量隨動系統(tǒng)和壓縮機的分組運行，可以進一步減少(特別是進行小冷量空調(diào)測試時)運動部件的能耗。

2 室外側(cè)室的解決方案

圖3為表1所述實際案例中室外側(cè)室各個設(shè)備的運行功率占比。與室內(nèi)側(cè)室相同，空氣處理系統(tǒng)中產(chǎn)冷的大部分被加濕和加熱消耗掉了(占60%)，其次是制冷壓縮機和循環(huán)風機本身的輸入功率。因此，要降低能耗，主要要解決冷熱平衡問題，其次盡可能解決設(shè)備本身能耗大的問題。

圖3 室外側(cè)室各個設(shè)備的運行功率占比

解決方案：根據(jù)焓差試驗室室外側(cè)室的工況要求[1]，干球溫度-15～52℃；濕球溫度-8～31℃。室外側(cè)室空氣溫度濕度控制范圍廣，處理機的制冷壓縮機采用了半封閉式壓縮機，配合制冷系統(tǒng)雙蒸發(fā)器設(shè)計、變流量及變蒸發(fā)壓力設(shè)計以及循環(huán)風機能量隨動設(shè)計和冷熱四分程控制設(shè)計[6]、壓縮機的分組設(shè)計，使冷熱平衡量最少、壓縮機和風機運行功率最小，系統(tǒng)達到最佳匹配。圖4為空氣處理系統(tǒng)原理簡圖，圖5為制冷系統(tǒng)的理論循環(huán)圖。

1.加濕器 2.循環(huán)風機 3.電加熱器 4.除濕蒸發(fā)器 5.顯冷蒸發(fā)器 6.熱力膨脹閥 7.電子膨脹閥 8.冷凝器 9.電子膨脹閥 10.熱力膨脹閥 11.壓縮機 12.過熱器 13.吸氣壓力調(diào)節(jié)閥

圖5 室外側(cè)室制冷系統(tǒng)的理論循環(huán)圖

工作原理：制冷系統(tǒng)為逆卡諾循環(huán)[7]，采用了雙蒸發(fā)器、雙蒸發(fā)壓力及熱氣旁通設(shè)計，系統(tǒng)的潛熱和顯熱可進行分別控制。

(1)顯熱控制：圖3中蒸發(fā)器5為顯冷蒸發(fā)器，采用機器露點及蒸發(fā)器過熱溫度對蒸發(fā)壓力進行差分控制，使其蒸發(fā)溫度接近露點且出口制冷劑密度x≧1，從而盡可能減少蒸發(fā)器除濕量，降低加濕器平衡補償加濕量；同時，圖3中電子膨脹閥9調(diào)節(jié)熱氣旁通量，控制蒸發(fā)器顯冷產(chǎn)冷量。過程的理論循環(huán)按圖4中1 → 2 → 3 → 4 → 5；2 → 6 → 5(混合點)→ 1。

(2)潛熱控制：圖3中蒸發(fā)器4為潛冷蒸發(fā)器，通過熱力膨脹閥6和蒸發(fā)器上的調(diào)節(jié)風閥控制機器的除濕量。過程的理論循環(huán)按圖4中1 → 2 → 3 → 7 → 1。

上述方案保證了系統(tǒng)最佳的產(chǎn)冷量潛/顯比；同時，通過熱氣旁通解決了冗余冷量問題，最大限度降低補償加熱和補償加濕量；并且能夠滿足各種工況，包括極限工況的實驗要求。

系統(tǒng)實施要點：為了達到上述運行狀態(tài)，系統(tǒng)必須滿足以下幾點。(1)應保證制冷系統(tǒng)冷凝壓力的穩(wěn)定，并利用圖3的背壓控制閥13、回氣換熱器12，使壓縮機在使用范圍內(nèi)任一點都能穩(wěn)定運行。(2)雙蒸發(fā)器設(shè)計換熱面積比例必須合理，滿足蒸發(fā)器降溫除濕效率的要求。(3)通過循環(huán)風機的能量隨動系統(tǒng)和壓縮機的分組運行，可以進一步減少(特別是進行小冷量空調(diào)測試時)運動部件的能耗。

表2 節(jié)能型焓差實驗室KC-50型空調(diào)制冷量試驗耗能表

3 應用效果分析

表2為采用本文方案所述的一個節(jié)能型焓差試驗室空調(diào)器測量的實際案例。

從表1和表2的對比來看，本方案的節(jié)能型焓差試驗室與常規(guī)試驗室比較，功耗下降近50%，其節(jié)能效果非?？捎^。

4 結(jié)論

該項節(jié)能焓差實驗室的研究迎合了我國經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，改善高精度恒溫恒濕系統(tǒng)、焓差試驗室以及空調(diào)制冷行業(yè)有待進步的技術(shù)現(xiàn)狀，加快了行業(yè)相關(guān)建設(shè)的步伐，促進經(jīng)濟發(fā)展。

本試驗室作為一種節(jié)能的空氣處理系統(tǒng)的一個典型應用案例，不僅就空調(diào)試驗室市場方向開拓了新的出路，同時，其關(guān)鍵技術(shù)還可以應用在高精度要求的各種工況室中，例如各種文物展館，博物館，氣候試驗室，冰箱試驗室等等，因此市場需求極大。

目前我國現(xiàn)有的焓差實驗室或類似的大型人工氣候?qū)嶒炇冶Ｊ毓烙嬘猩锨_(套)，每年還要新增該類項目上百臺(套)，如果這些實驗室都能按節(jié)能方案去改造或建造，其節(jié)能效果不可估量。

參考文獻：

[1] GB/T 7725-2004 房間空氣調(diào)節(jié)器[S].

[2] 唐力華.淺析空調(diào)器測試用焓差試驗室的相關(guān)要求[J].廣東科技，2014，(2)：159-160.

[3] 鄧經(jīng)生，李征濤，吳會來，等.空調(diào)器焓差實驗室節(jié)能的實驗研究[J].低溫與超導，2012，(7)：46-48.

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[5] 姜敬德，郭佳，徐倩.實驗室節(jié)能制冷系統(tǒng)[J].制冷，2017，(2)：78-80.

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[7] 彥啟森，石文星，田長青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004，6.