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(yàn)室是空調(diào)器性能測試和能效標(biāo)定的主要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于空調(diào)器制造廠以及各級(jí)檢測機(jī)構(gòu)。它是由室內(nèi)側(cè)室、室外側(cè)室及其空氣處理機(jī)組，風(fēng)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(fēng)焓差及風(fēng)量，計(jì)算出其制冷(熱)量，并同時(shí)用功率計(jì)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(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定的試驗(yàn)工況下運(yùn)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(fēng)功能[3]。由于制冷與加熱、加濕能量互相抵消，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過程中消耗了大量的電力。

表1 常規(guī)焓差實(shí)驗(yàn)室KC-50型空調(diào)制冷量試驗(yàn)耗能表

表1為一個(gè)常規(guī)焓差試驗(yàn)室空調(diào)器測量的實(shí)際案例，從中可以看出，測試一臺(tái)2匹空調(diào)器的制冷量，其被試空調(diào)器運(yùn)行耗電僅2.127kW，而設(shè)備總運(yùn)行耗電達(dá)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(shí)驗(yàn)室的節(jié)能分別做了一些研究，從不同角度對焓差試驗(yàn)室做了一些改進(jìn)。

本文從能量平衡、空氣處理、控制方式、設(shè)備運(yùn)行等多角度出發(fā)，提出了焓差試驗(yàn)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(yàn)室中得到廣泛應(yīng)用，達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖1 室內(nèi)側(cè)室各個(gè)設(shè)備的運(yùn)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(shí)際案例中室內(nèi)側(cè)室各個(gè)設(shè)備的運(yùn)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(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī) 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(jī) 9.吸氣壓力調(diào)節(jié)閥

解決方案：根據(jù)焓差試驗(yàn)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(jī)的制冷壓縮機(jī)采用了空調(diào)用高效變頻式壓縮機(jī)，配合制冷系統(tǒng)的熱回收設(shè)計(jì)、變流量及變蒸發(fā)壓力設(shè)計(jì)以及循環(huán)風(fēng)機(jī)能量隨動(dòng)設(shè)計(jì)和冷熱四分程控制設(shè)計(jì)[6]，使冷熱平衡量最少、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率最小，系統(tǒng)達(dá)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(jī)工作頻率。當(dāng)干球溫度或濕球溫度高于設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)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(jī)頻率降低，總冷量減少。系統(tǒng)的自動(dòng)控制使壓縮機(jī)最終運(yùn)行在一個(gè)最佳頻率點(diǎn)上，即用最小的冷量同時(shí)滿足系統(tǒng)除濕(潛熱)或降溫(顯熱)的需要。這時(shí)系統(tǒng)中加濕器的加濕僅僅用來平衡被試機(jī)(制冷試驗(yàn)時(shí))的除濕，極大降低了加濕器運(yùn)行功率。而利用變頻風(fēng)扇可控?zé)峄厥昭b置自動(dòng)控制冷凝熱的排放量，實(shí)現(xiàn)冗余熱量的回收，使電加熱功率最小。同時(shí)壓縮機(jī)在最低的功率下運(yùn)行。

系統(tǒng)實(shí)施要點(diǎn)：為了達(dá)到上述運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)。(1)應(yīng)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(jī)在使用范圍內(nèi)任一點(diǎn)都能穩(wěn)定運(yùn)行。(2)應(yīng)保證制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器局部迎風(fēng)面(3-4排管)風(fēng)速可調(diào)，滿足蒸發(fā)器除濕效率的要求。(3)通過循環(huán)風(fēng)機(jī)的能量隨動(dòng)系統(tǒng)和壓縮機(jī)的分組運(yùn)行，可以進(jìn)一步減少(特別是進(jìn)行小冷量空調(diào)測試時(shí))運(yùn)動(dòng)部件的能耗。

2 室外側(cè)室的解決方案

圖3為表1所述實(shí)際案例中室外側(cè)室各個(gè)設(shè)備的運(yùn)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(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)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(gè)設(shè)備的運(yùn)行功率占比

解決方案：根據(jù)焓差試驗(yàn)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(jī)的制冷壓縮機(jī)采用了半封閉式壓縮機(jī)，配合制冷系統(tǒng)雙蒸發(fā)器設(shè)計(jì)、變流量及變蒸發(fā)壓力設(shè)計(jì)以及循環(huán)風(fēng)機(jī)能量隨動(dòng)設(shè)計(jì)和冷熱四分程控制設(shè)計(jì)[6]、壓縮機(jī)的分組設(shè)計(jì)，使冷熱平衡量最少、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率最小，系統(tǒng)達(dá)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(fēng)機(jī) 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(jī) 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(jì)，系統(tǒng)的潛熱和顯熱可進(jìn)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(jī)器露點(diǎn)及蒸發(fā)器過熱溫度對蒸發(fā)壓力進(jìn)行差分控制，使其蒸發(fā)溫度接近露點(diǎn)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(bǔ)償加濕量；同時(shí)，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(diǎn))→ 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(fēng)閥控制機(jī)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(shí)，通過熱氣旁通解決了冗余冷量問題，最大限度降低補(bǔ)償加熱和補(bǔ)償加濕量；并且能夠滿足各種工況，包括極限工況的實(shí)驗(yàn)要求。

系統(tǒng)實(shí)施要點(diǎn)：為了達(dá)到上述運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)。(1)應(yīng)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(jī)在使用范圍內(nèi)任一點(diǎn)都能穩(wěn)定運(yùn)行。(2)雙蒸發(fā)器設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)的能量隨動(dòng)系統(tǒng)和壓縮機(jī)的分組運(yùn)行，可以進(jìn)一步減少(特別是進(jìn)行小冷量空調(diào)測試時(shí))運(yùn)動(dòng)部件的能耗。

表2 節(jié)能型焓差實(shí)驗(yàn)室KC-50型空調(diào)制冷量試驗(yàn)耗能表

3 應(yīng)用效果分析

表2為采用本文方案所述的一個(gè)節(jié)能型焓差試驗(yàn)室空調(diào)器測量的實(shí)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(yàn)室與常規(guī)試驗(yàn)室比較，功耗下降近50%，其節(jié)能效果非?？捎^。

4 結(jié)論

該項(xiàng)節(jié)能焓差實(shí)驗(yàn)室的研究迎合了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，改善高精度恒溫恒濕系統(tǒng)、焓差試驗(yàn)室以及空調(diào)制冷行業(yè)有待進(jìn)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(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本試驗(yàn)室作為一種節(jié)能的空氣處理系統(tǒng)的一個(gè)典型應(yīng)用案例，不僅就空調(diào)試驗(yàn)室市場方向開拓了新的出路，同時(shí)，其關(guān)鍵技術(shù)還可以應(yīng)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(yàn)室，冰箱試驗(yàn)室等等，因此市場需求極大。

目前我國現(xiàn)有的焓差實(shí)驗(yàn)室或類似的大型人工氣候?qū)嶒?yàn)室保守估計(jì)有上千臺(tái)(套)，每年還要新增該類項(xiàng)目上百臺(tái)(套)，如果這些實(shí)驗(yàn)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。

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