（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

新風(fēng)空調(diào)機(jī)組［1-2］是空調(diào)系統(tǒng)中的一種重要設(shè)備，在溫濕度獨(dú)立控制［3-5］的空調(diào)系統(tǒng)中，為了獲得較低的送風(fēng)露點(diǎn)，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度往往較低，這制約了系統(tǒng)效率的提高。而雙吸氣空調(diào)壓縮機(jī)，將常規(guī)的雙缸壓縮機(jī)2個(gè)吸氣口獨(dú)立引出，可以在一個(gè)制冷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)2個(gè)不同蒸發(fā)溫度的制冷循環(huán)［6-7］。而將此系統(tǒng)應(yīng)用于新風(fēng)處理，將空氣處理過程分為2段，用2個(gè)制冷循環(huán)分別處理，可以顯著提高系統(tǒng)效率。張蕾等［6］將雙蒸發(fā)溫度壓縮機(jī)應(yīng)用于家用空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)。本文在該壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款可以對(duì)比單蒸發(fā)溫度和雙蒸發(fā)溫度試驗(yàn)的新風(fēng)機(jī)組，用于研究在新風(fēng)工況下雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

1 雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)工作原理

一般的大容量轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)有2個(gè)壓縮氣缸，共用一根曲軸，兩個(gè)氣缸進(jìn)出口在壓縮機(jī)內(nèi)部并聯(lián)，壓縮機(jī)對(duì)外只有一個(gè)吸氣口和排氣口，如圖1所示。而雙吸氣壓縮機(jī)的2個(gè)氣缸只有出口在內(nèi)部并聯(lián)，2個(gè)氣缸吸氣口獨(dú)立引出，因此壓縮機(jī)對(duì)外有一個(gè)排氣接口，2個(gè)吸氣接口，相當(dāng)于2臺(tái)排氣并聯(lián)的壓縮機(jī)同時(shí)工作，可接2個(gè)不同蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)器，從而形成高低兩級(jí)蒸發(fā)溫度，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)單蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)

圖2 雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)

雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)在制冷工況時(shí)的壓焓如圖3所示。其制冷循環(huán)原理為：高低2個(gè)蒸發(fā)壓力的制冷劑氣體出蒸發(fā)器口，分別進(jìn)入雙吸氣壓縮機(jī)的低高壓氣缸，進(jìn)行壓縮，然后通過冷凝器冷卻成制冷劑液體，再分成2路，一路經(jīng)低壓級(jí)膨脹閥EEV2進(jìn)入低壓級(jí)蒸發(fā)器EX2內(nèi)蒸發(fā)，另一路則經(jīng)過高壓級(jí)膨脹閥EEV1進(jìn)入高壓級(jí)蒸發(fā)器EX1內(nèi)蒸發(fā)，蒸發(fā)后制冷劑氣體分別從各自的壓縮機(jī)吸氣口完成循環(huán)。與單一蒸發(fā)溫度的制冷系統(tǒng)相比，雙蒸發(fā)系統(tǒng)低壓缸的工作狀態(tài)與單蒸發(fā)系統(tǒng)相同，而高壓側(cè)的制冷劑單位容積制冷量和制冷效率明顯提高，從而使整個(gè)系統(tǒng)的能效得以提升。

圖3 雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)壓焓

雙蒸發(fā)新風(fēng)系統(tǒng)焓濕圖如圖4所示。室外新風(fēng)（狀態(tài)點(diǎn)W）首先通過高壓級(jí)蒸發(fā)器冷卻（狀態(tài)點(diǎn)L'）再通過低壓級(jí)蒸發(fā)器進(jìn)一步冷卻除濕達(dá)到露點(diǎn)送風(fēng)狀態(tài)（狀態(tài)點(diǎn)L）。由于高壓級(jí)蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度較高，高壓級(jí)蒸發(fā)器與空氣側(cè)的平均換熱溫差小，同時(shí)進(jìn)入低壓級(jí)蒸發(fā)器的空氣溫度較低，低壓級(jí)蒸發(fā)器與空氣側(cè)換熱溫差也較小，因此與常規(guī)單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)相比，制冷系統(tǒng)的熵增明顯降低。

圖4 雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)焓濕圖

2 雙蒸發(fā)系統(tǒng)理論分析

為了探究雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的性能，對(duì)雙蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)進(jìn)行理論分析，并與傳統(tǒng)單蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)作對(duì)比。

2.1 高低壓級(jí)蒸發(fā)溫度差對(duì)制冷循環(huán)的影響

雙蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)的制冷量和耗功量應(yīng)為高壓級(jí)和低壓級(jí)制冷循環(huán)的制冷量之和，耗功量之和。雙蒸發(fā)系統(tǒng)的制冷量和能效比計(jì)算式如下：

式中Qd——雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)高低壓氣缸一次壓縮制冷量，kJ；

，L——高壓級(jí)和低壓級(jí)氣缸容積，m3；

qvH，qvL——高壓級(jí)和低壓級(jí)制冷循環(huán)制冷劑的單位容積制冷量，kJ/m3；

vH，vL——高壓級(jí)和低壓級(jí)制冷循環(huán)制冷劑的吸氣比容，m3/kg；

COPd——雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)能效比；

wH，wL——高壓級(jí)和低壓級(jí)制冷循環(huán)制冷劑的單位質(zhì)量耗功量，kJ/kg。

對(duì)于單蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)的理論計(jì)算，因單蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度與雙蒸發(fā)系統(tǒng)低壓級(jí)蒸發(fā)溫度相同，其計(jì)算公式基本相同：

式中Qs——單蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)氣缸一次壓縮制冷量，kJ；

COPs——單蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)能效比。

在相同低壓級(jí)蒸發(fā)溫度0，5，10 ℃、冷凝溫度50 ℃、固定高低壓氣缸容積比下，改變高低壓級(jí)蒸發(fā)溫度差，結(jié)果如圖5，6所示。從中可以看出隨著高低壓兩級(jí)蒸發(fā)溫度差增大，雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)與單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)的制冷量和COP比值都逐漸增大，例如在低壓級(jí)蒸發(fā)溫度為5 ℃，當(dāng)高低壓級(jí)溫差10 ℃時(shí)，制冷量和COP比值分別為1.192和1.197，而當(dāng)高低壓級(jí)溫差為15 ℃時(shí)，比值分別為1.309和1.339。且在相同的高低壓級(jí)溫差下，低壓級(jí)蒸發(fā)溫度越高，制冷量比值越低，COP比值越高。因此，大焓差冷卻過程，采用雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)，其兩級(jí)蒸發(fā)溫度差較大，可以獲得較高制冷量的增加和COP的提高。新風(fēng)空氣處理系統(tǒng)進(jìn)出口焓差比較大，適合雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖5 高低壓級(jí)蒸發(fā)溫度差對(duì)制冷量的影響

圖6 高低壓級(jí)蒸發(fā)溫度差對(duì)COP的影響

2.2 冷凝溫度對(duì)制冷循環(huán)的影響

在相同低壓級(jí)蒸發(fā)溫度5 ℃、高壓級(jí)蒸發(fā)溫度15 ℃及固定高低壓氣缸容積比下，改變冷凝溫度，結(jié)果如圖7所示。從中可以看出，隨著冷凝溫度的升高，雙蒸發(fā)系統(tǒng)與單蒸發(fā)系統(tǒng)制冷量的比值基本維持在1.19左右，而COP比值逐漸減小，從冷凝溫度30 ℃的1.347變?yōu)?0 ℃時(shí)的1.197。冷凝溫度的提高對(duì)制冷循環(huán)的制冷量的影響很小，但會(huì)增加系統(tǒng)的耗功量，導(dǎo)致系統(tǒng)的COP減小，而在較低的冷凝溫度下，雙蒸發(fā)系統(tǒng)的耗功量比單蒸發(fā)系統(tǒng)低很多，導(dǎo)致在較低的冷凝溫度下，系統(tǒng)COP的增加比率會(huì)很高。

圖7 冷凝溫度對(duì)雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的影響

2.3 高低壓級(jí)氣缸容積比對(duì)制冷循環(huán)的影響

保證雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)機(jī)組進(jìn)出口空氣狀態(tài)（進(jìn)口：溫度34.6 ℃，濕度62%；出口：溫度10 ℃，濕度90%），制冷劑側(cè)低壓級(jí)蒸發(fā)溫度取5 ℃，假設(shè)空氣側(cè)高壓級(jí)蒸發(fā)器的出口空氣溫度比高壓級(jí)蒸發(fā)溫度高5 ℃，確定高壓級(jí)蒸發(fā)器的空氣處理后狀態(tài)（相對(duì)濕度90%）。便可求出高低壓級(jí)蒸發(fā)器的所供冷量：

式中QaH，QaL——高低壓級(jí)蒸發(fā)器所供制冷量，kW；

ma——新風(fēng)的干空氣質(zhì)量流量，kg/s；

h1，hm，h2——機(jī)組進(jìn)口、高壓級(jí)蒸發(fā)器出口、低壓級(jí)蒸發(fā)器出口空氣焓值，kJ/kg。

假設(shè)高低壓級(jí)蒸發(fā)器空氣側(cè)與制冷劑側(cè)的換熱量相等，則高低壓級(jí)氣缸容積比為：

系統(tǒng)在此高低壓氣缸容積比下的能效比為：

式中 εH，εL——高壓級(jí)和低壓級(jí)制冷循環(huán)的能效比。

圖8示出在不同的高低壓氣缸容積比下，冷凝溫度分別為35，45，55 ℃時(shí)，雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)COP的變化。從圖中可以看出隨著氣缸容積比的增大，雙蒸發(fā)系統(tǒng)的COP呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，冷凝溫度越高，系統(tǒng)COP越低，但在固定的冷凝溫度下，COP的最大值都集中在氣缸容積比為0.8～1.3附近見表1。在實(shí)際新風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，高壓級(jí)蒸發(fā)溫度的提高提升了高壓級(jí)的制冷效率，但降低了高壓級(jí)制冷量的需求，因此存在最佳高低壓氣缸容積比和高壓級(jí)蒸發(fā)溫度，使雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)的制冷效率最高。

圖8 高低壓氣缸容積比對(duì)雙蒸發(fā)系統(tǒng)COP的影響

表1 45 ℃不同氣缸容積比下能效比的變化

3 雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)機(jī)組性能測(cè)試

3.1 樣機(jī)測(cè)試

該雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)機(jī)組選用的是某雙吸氣變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，排氣量為20 mL/r，兩氣缸容積大小相同，使用的制冷劑為R410A，該新風(fēng)機(jī)組的系統(tǒng)示意如圖9所示。樣機(jī)空氣處理部分有2個(gè)串聯(lián)的蒸發(fā)器，空氣首先經(jīng)過高壓級(jí)蒸發(fā)器初次冷卻，再進(jìn)入低壓級(jí)二次冷卻，從2個(gè)蒸發(fā)器出來的制冷劑分別進(jìn)入壓縮機(jī)的2個(gè)氣缸。為了對(duì)比傳統(tǒng)單吸氣壓縮機(jī)，在2個(gè)氣缸的進(jìn)口設(shè)置了平衡閥，當(dāng)平衡閥打開時(shí)，該壓縮機(jī)就處于傳統(tǒng)單蒸發(fā)溫度的工作模式。

圖9 雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)示意

樣機(jī)機(jī)組在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行性能測(cè)試。機(jī)組的冷凝機(jī)組被放置在室外工況室，空氣處理部分都被放置在室內(nèi)工況室。通過室內(nèi)和室外工況室的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將室內(nèi)外工況室的溫濕度均控制在34.6 ℃，62%。機(jī)組的空氣進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，高壓級(jí)蒸發(fā)器出口空氣狀態(tài)由焓差室的取樣裝置測(cè)量，低壓級(jí)蒸發(fā)器出口狀態(tài)由溫濕度傳感器測(cè)量，機(jī)組的制冷量和送風(fēng)量通過焓差室內(nèi)的本體風(fēng)量裝置測(cè)量，機(jī)組的耗電量則通過焓差室的電參數(shù)儀測(cè)量。

3.2 相同運(yùn)行頻率狀態(tài)下性能對(duì)比分析

在試驗(yàn)中，首先關(guān)閉平衡閥，新風(fēng)機(jī)組在雙蒸發(fā)溫度的工作模式下運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)的頻率和送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分別為55 Hz，330 m3/h。通過調(diào)整高低壓電子膨脹閥的開度，使高低壓級(jí)蒸發(fā)器出口的過熱度達(dá)到5 ℃。該機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行1 h后，記錄數(shù)據(jù)。然后打開平衡閥，，機(jī)組切換為單蒸發(fā)系統(tǒng)模式，保持機(jī)組的頻率和風(fēng)量不變，進(jìn)行測(cè)試。相同運(yùn)行頻率狀態(tài)下性能對(duì)比如表2所示。

表2 相同運(yùn)行頻率狀態(tài)下性能對(duì)比

從表2可以看出，雙蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，高低溫蒸發(fā)溫度分別為14.9，8.4 ℃，高低溫蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量分別為3.6，2.78 kW，COP為3.88，與單蒸發(fā)系統(tǒng)相比，制冷量高8.1%，COP高9.3%，消耗功率基本不變。且雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)的出風(fēng)露點(diǎn)溫度低了2.4 ℃，除濕效果更好。

3.3 定空氣出口狀態(tài)下性能對(duì)比分析

為了更直觀地對(duì)比分析雙蒸發(fā)溫度和單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)特性，改變機(jī)組的運(yùn)行頻率，進(jìn)行定出風(fēng)溫度試驗(yàn)。試驗(yàn)中，風(fēng)量設(shè)定為330 m3/h，維持機(jī)組的出風(fēng)溫度為13 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，相同的壓縮機(jī)單蒸發(fā)溫度模式下壓縮機(jī)55 Hz運(yùn)行頻率下空氣處理能力，在切換到雙蒸發(fā)溫度模式下，只需45 Hz就可以實(shí)現(xiàn)，耗功率降低了17%。

表3 定空氣出口狀態(tài)下性能對(duì)比

4 結(jié)論

（1）雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)隨著高低壓級(jí)蒸發(fā)溫度差的升高，雙蒸發(fā)系統(tǒng)較單蒸發(fā)系統(tǒng)的制冷量和COP增長比率逐漸升高，比較適合新風(fēng)大焓差的空氣處理過程。串列式雙蒸發(fā)溫度新風(fēng)系統(tǒng)在一定應(yīng)用場(chǎng)合，高低壓級(jí)兩個(gè)壓縮過程存在最佳容積比使系統(tǒng)的效率最高，通常情況下，在高低壓容積比0.8～1.3的情況下，系統(tǒng)COP最高。

（2）同一樣機(jī)對(duì)比試驗(yàn)表明，在新風(fēng)工況下，雙蒸發(fā)系統(tǒng)的45 Hz的工作頻率就可以獲得單蒸發(fā)系統(tǒng)55 Hz的制冷量，樣機(jī)功率降低17%。