直膨式家用水源空調(diào)器實驗研究*

仇富強,李俊陽,趙美云,尹愛勇,邢兵鎖

(銅陵職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系,安徽 銅陵 244000)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,空調(diào)器已經(jīng)成為普通平民家庭的日用品,目前大部分家庭使用的主要是風冷式空調(diào),專家在這方面研究的也最多[1-3]。普通風冷式空調(diào)與水源中央空調(diào)相比較,由于采用的是空氣源制冷或者供暖,其能效系數(shù)比較低。水源空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著,但多用于賓館、商場、體育館、辦公樓等一般制冷量較大的中央空調(diào)[4-5]系統(tǒng)。而對于小型水源房間空調(diào)器的研究還未見報道。

本文根據(jù)需要提出并設(shè)計了一款適用于普通家庭的水源空調(diào)器,此空調(diào)器的冷凝器由套管式水冷換熱器替代,可用在水資源比較豐富的地區(qū),利用自來水或地表水作為空調(diào)能量來源滿足房間制冷或供暖的需要。通過實驗對其性能進行了研究,并與同款的空氣源空調(diào)進行了對比分析?？蔀榻窈笙嚓P(guān)的產(chǎn)品開發(fā)提供一定的參考。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

(1) 實驗樣機(如圖1所示)。額定工況制冷量為3.0 kW,采用地表水作為冷熱源。實驗樣機主要部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:① 松下渦旋式壓縮機1個,型號為2P20。② 外螺紋翅片管式換熱器1組,4個并聯(lián)。內(nèi)管φ24×3 960，外管φ28×3 700,水氟逆流布置。③ 毛細管2根，分別為φ1.6×300,φ1.6×320。④ 翅片管式蒸發(fā)器1個,片距1.6,長為3×15.06 m。實驗臺自動測試系統(tǒng)由一臺計算機和一臺數(shù)據(jù)采集器組成,溫度采用熱電偶測量,壓力采用壓力傳感器測量,系統(tǒng)所消耗的功率采用三相線制功率計測量。

圖1 直膨式家用水源空調(diào)器實驗樣機

(2) 實驗是在國家標準焓差實驗室進行的?？照{(diào)器焓差實驗室包括室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)和控制室。主要由實驗室外圍保溫結(jié)構(gòu)、空氣再調(diào)節(jié)處理系統(tǒng)、溫濕度采樣系統(tǒng)、風量測量裝置、電控系統(tǒng)及計算機測量系統(tǒng)等組成。實驗室是根據(jù)房間空調(diào)器國家標準GBT 7725—1996,基于房間空調(diào)器制冷量和制熱量可采用空氣焓值法進行測量的原理而設(shè)計建造的。使用冷水機組、電加熱器和電加濕器對室內(nèi)外側(cè)溫度進行控制,通過空氣采樣器檢測室內(nèi)外環(huán)境的溫濕度。通過測量其室內(nèi)側(cè)送風量及進、出風口的焓差，從而確定出空調(diào)器的制冷量或供暖量。

1.2 實驗方法

本次實驗裝置原理圖如圖2所示,整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Keithley數(shù)據(jù)采集儀、溫度傳感器和壓力表3部分組成。在壓縮機吸、排氣口,節(jié)流管前后,冷凝器進、出水口共設(shè)置了6個溫度采集點;在壓縮機和毛細管的進口、出口各設(shè)置2個壓力表。系統(tǒng)的運行時間、功率等由一臺單相綜合電量表采集記錄。實驗測量參數(shù)包括壓縮機進、出口溫度和壓力,焓差實驗室室內(nèi)側(cè)溫度,蒸發(fā)器進、出口溫度和壓力以及系統(tǒng)運行的時間、功率和功耗等。其中制冷和供暖的功率根據(jù)蒸發(fā)器進出風焓值差和風量大小由計算機直接進行計算。

圖2 實驗裝置原理圖

2 實驗結(jié)果分析

表1和表2分別為兩種空調(diào)制冷及供暖時的最佳性能數(shù)據(jù),其中普通空調(diào)的輸入總功率為壓縮機功率+內(nèi)外風機功率,水源空調(diào)的輸入總功率為壓縮機功率+水泵功率。

2.1 制冷工況對比分析

室內(nèi)干球溫度為27 ℃,室內(nèi)濕球溫度為19 ℃;環(huán)境干球溫度為35 ℃,環(huán)境濕球溫度為24 ℃;冷凝側(cè)水流量為741 kg/h,進水溫度為30 ℃,出水溫度為33.75 ℃。

表1為名義工況下兩種空調(diào)器制冷時的實驗數(shù)據(jù)。由表1可以看出,普通空調(diào)的排氣壓力為1.75 MPa,吸氣壓力為0.46 MPa,壓力差為1.29 MPa,而水源空調(diào)的排氣壓力為1.38 MPa,吸氣壓力為0.54 MPa,壓力差為0.84 MPa。排氣壓力比普通空調(diào)低,而吸氣壓力則略高,其壓力差較小。排氣壓力和壓力差的減小有利于提高系統(tǒng)的運行可靠性,其排、吸氣溫度分別為67.8 ℃和17.9 ℃,與普通空調(diào)相比也是低的,有效延長了機組的使用壽命。普通空調(diào)的輸入功率為1 197.4 W,而樣機的輸入功率為808.4 W,僅為普通空調(diào)的67.5%,有利于壓縮機的運行。此時普通空調(diào)的制冷量為3 409.25 W,水源空調(diào)的制冷量為3 593.61 W,比普通空調(diào)增加了約5.4%,制冷效果得到了明顯的改善。普通空調(diào)的性能系數(shù)COP為2.85,由于輸入功率的減小,水源空調(diào)的性能系數(shù)COP約為4.45,二者差為1.6,節(jié)能效果比較顯著,有效提高了系統(tǒng)的能源利用率。

表1 名義工況下兩種空調(diào)器制冷時的實驗數(shù)據(jù)

出現(xiàn)上述情況的原因是:一方面冷凝水的溫度與室外環(huán)境溫度相比較低,另一方面水的比熱較大,帶走的熱量較多,從而有效降低了系統(tǒng)的冷凝壓力。與普通空調(diào)相比,由于毛細管的調(diào)節(jié)作用,制冷劑循環(huán)流量是增加的,從而使得系統(tǒng)的吸氣壓力也略有升高。由于水的良好的冷卻效果也使得排氣溫度有所降低,同時單位時間內(nèi)制冷劑循環(huán)流量的增加也對壓縮機的冷卻起到了一定的作用。而吸氣溫度較低的原因是由于制冷劑循環(huán)流量較大,蒸發(fā)不充分引起的;輸入功率低的原因是因為當冷凝壓力降低時,制冷劑的單位質(zhì)量壓縮功變小引起的。制冷量高的原因主要是由于制冷劑單位質(zhì)量制冷量增加引起的。輸入功的減小和制冷量的增加引起了系統(tǒng)能效系數(shù)COP的提高,使節(jié)能效果得到顯著提高,有效提高了能源利用率。

2.2 供暖工況對比分析

室內(nèi)干球溫度20 ℃,濕球溫度17 ℃;環(huán)境干球溫度8 ℃,濕球溫度6 ℃;水流量739 kg/h,進水溫度8 ℃,出水溫度4.95 ℃。

表2為名義工況下兩種空調(diào)器供暖時的實驗數(shù)據(jù)。由表2可以看出,水源空調(diào)與普通空調(diào)系統(tǒng)相比,其排氣壓力基本相同,而吸氣壓力偏大,壓力差也比較小,這將使得系統(tǒng)的運行安全性有所提高。水源空調(diào)的吸排氣溫度也比普通空調(diào)要低,有效地延長了系統(tǒng)的使用壽命;普通空調(diào)的輸入總功率為1 056.3 W，而水源空調(diào)為867.7 W,相當于普通空調(diào)的82.15%;水源空調(diào)的供暖量為3 407.82 W,而普通空調(diào)為3 564.45 W,二者相比略有減小;水源空調(diào)的供暖能效系數(shù)COP為3.93,與普通空調(diào)相比絕對量增加了約0.56,節(jié)能效果比較明顯。

表2 名義工況下兩種空調(diào)器供暖時的實驗數(shù)據(jù)

雖然水的換熱效果比空氣好,同時,與普通空調(diào)相比,水源空調(diào)的毛細管略短,制冷劑循環(huán)流量是增加的,但由于與普通空調(diào)相比制冷劑充值量少,使得此時的排氣壓力反而略有降低。由于毛細管的調(diào)節(jié)作用,與普通空調(diào)相比,進入蒸發(fā)器的制冷劑會略有增多,同時,由于水的良好的換熱效果,從而引起了吸氣壓力的升高;由于壓力差較小,壓縮機產(chǎn)生的熱相對較少,也使得排氣溫度略有降低;由于制冷劑充注量的減少和蒸發(fā)壓力的增高導致的制冷劑的單位質(zhì)量輸入功的減少,兩者相比,引起了系統(tǒng)總輸入功是減少的;供暖量降低主要是由于制冷劑充值量少導致的循環(huán)量少引起的;輸入功的明顯減少也引起了系統(tǒng)供暖能效系數(shù)COP的增加。

3 結(jié)論

通過實驗可知,直膨式水源空調(diào)系統(tǒng)運行可靠,節(jié)能效果顯著,結(jié)論如下。

(1) 制冷時與普通空調(diào)相比,其排氣壓力比較低,吸氣壓力比較高,壓力差小,吸排氣溫度低,有利于設(shè)備的安全運行,可有效提高系統(tǒng)的使用壽命。輸入總功率約相當于普通空調(diào)的67.5%,最大制冷量為3 593.61 W,比普通空調(diào)提高了5.4%,能效系數(shù)提高了1.6,節(jié)能效果顯著。

(2) 供暖時與普通空調(diào)相比,其排氣壓力略低,吸氣壓力略高,壓力差較小,排氣溫度有所降低,輸入功率和制熱量是減小的。最大供暖量為3 407.82 W,與普通空調(diào)相比要略低,而能效系數(shù)為3.93,高

了約0.56。

參考文獻:

[1] 邵雙全,石文星，李先庭,等.空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充灌量與毛細管長度的優(yōu)化匹配研究[J].流體機械,2002,30(2):45-48.

[2] 肖洪海,張?zhí)?胡艷.R290小型家用空調(diào)器的性能匹配研究[J].制冷學報,2006,27(4):26-30.

[3] 王金鋒,陶樂仁,王永紅.家用空調(diào)風冷冷凝器的數(shù)值分析[J].工程熱物理,2008,29(5):831-833.

[4] 姚楊,馬最良.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應用中應注意的幾個問題[J].流體機械,2002,30(9):59-61.

[5] 張玉生,時愛菊.水源熱泵機組在蓬萊酒店的應用[J].制冷,2005,24(3):53-56.

[6] 陳華,黃耀坤.家用水冷空調(diào)的運行特性實驗研究[J].建筑熱能通風空調(diào),2011,30(5):6-9.

[7] 江輝民,王洋，馬最良.家用空調(diào)冷凝熱回收熱水供應系統(tǒng)的實驗分析[J].流體機械,2006,34(2):64-67.

[8] 陳耀宗.建筑給水排水設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995：239-244.